Линейчатое радиоизлучение
 





Линейчатое радиоизлучение


Сохраните себе на страницу:





В первой главе, обсуждая общее между радиовещанием и радиоастрономией и то, чем они отличаются, мы отмечали, что в радиоастрономии излучается главным образом электромагнитный шум с непрерывным спектром, а в радиовещании мы имеем дело с радиоизлучением передатчиков в отдельных, небольших по величине интервалах частот. Но оказывается, что и в радиоастрономии есть подобные «узкополосные» источники излучения. Их излучение создается механизмом, отличающимся от рассмотренных выше.

Известно, что атомы каждого химического элемента имеют свои характерные спектральные линии. Электроны в атоме излучают электромагнитные волны не при движении по «орбитам» (как они это делают, например, в магнитном поле), а совершая перескоки с одной «орбиты» на другую. Каждая «орбита» электрона характеризуется вполне определенным значением энергии и поэтому при переводе с одной «орбиты» на другую изменение энергии электрона не может быть произвольным. Излучение энергии определенными «порциями» при перескоках электронов внутри атома и приводит к появлению линейчатого спектра. Самый простой спектр имеет атом водорода. Он описывается формулой:

U = 3,3.10»(l-i-s)yW^, (27)

где fnrn — частоты линий, возникающих при перескоке с n-й на m-ю «орбиту».

Согласно этой формуле для всех спектральных линий атомов водорода, наблюдаемых в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра, всегда можно подобрать соответствующие значения пит так, чтобы вычисленная по (27) частота соответствовала данной линии. С другой стороны, в этих областях спектра нет линий с частотами, не удовлетворяющими соотношению (27). Самые заметные красная и синяя линии водорода, обозначаемые как Яа и имеют одно значение п = 2 и разные т, равные 3 и 4 соответственно. Впрочем, оптические и даже инфракрасные спектры нас здесь пока не интересуют.

Но что будет, если в (27) вместо пит подставить два близких больших числа, например п = 100 и т = 101? Тогда из (27) получается для частоты перехода 6,6 Ггц, что соответствует длине волны в 4,5 см. Это уже радиодиапазон. Случай п = 100 соответствует движению электрона вокруг ядра на очень удаленной «орбите». Следовательно, перескакивая между соседними удаленными «орбитами», электрон будет излучать уже радиоволны. Правда, интенсивность их будет очень малой. Во-первых, электронов на удаленных от ядра орбитах немного: оии слабо связаны с ядрами и их легко выбить из атома. Кроме того, свободные электроны, захватываемые протонами, редко «садятся» на столь удаленные «орбиты»: почти половина из них сразу оказывается на самой близкой к ядру «орбите». Во-вторых, вероятность для электрона перескочить именно на соседнюю орбиту, а не на какую-либо другую, тоже мала — в квантовой механике показывается, что электроны предпочитают менять свою энергию сразу большими порциями, а не малыми «шажками». Так что такие «сотые» линии водорода наблюдать трудно — но тем не менее недавно это удалось сделать.

Есть ли у водорода какие-либо другие спектральные линии, кроме тех, которые описываются формулой (27)? Напомним, что при переходе с одной «орбиты» на другую изменяется потенциальная энергия кулоновского притяжения электрона к ядру. Часть этой энергии превращается в кинетическую энергию электрона, а часть излучается в виде кванта электромагнитной энергии с частотой, даваемой формулой (27). Следовательно, (27) описывает изменение потенциальной энергии атома.

Более тонкий анализ спектров атомов показывает, что и электроны, и атомные ядра имеют и другие виды энергии. Оказалось, например, что электрон и протон являются маленькими магнитиками. К чему может привести «намагниченность» электрона?

Когда электрон движется по некоторой «орбите» вокруг протона, он представляет собой нечто вроде кольцевого тока из одной частицы. Но если это так, то его движение должно создавать магнитное поле, перпендикулярное плоскости «орбиты». Это магнитное поле в свою очередь влияет на «магнитик» электрона, причем взаимодействие между ними зависит от того, будут ли созданные движением электрона магнитные поля и его собственный магнитик направлены в одну и ту же сторону, или в разные стороны. Кроме того, в атоме водорода разные «орбиты» могут иметь одинаковую потенциальную энергию, но при движении электрона по ним создаются различные магнитные поля, хотя бы потому, что площади, охватываемые «витками», различны. Поскольку энергия магнитного взаимодействия много меньше кулоновской энергии, это приводит к тому, что почти каждый уровень энергии электрона в атоме расщепляется на несколько близко расположенных подуровней. Энергия электрона оказывается зависящей от вида его «орбиты» и от направления его «магнитика». Такое расщепление называется тонкой структурой. Когда электрон перескакивает с одного подуровня, принадлежащего, скажем, некоторому уровню п, на какой-нибудь подуровень уровня т, то при этом возникает излучение, частота которого, хотя и очень мало, но все же отличается от даваемой формулой (27). Вместо одной линии наблюдаются так называемые мультиплеты. У водорода это мультиплетное расщепление линий очень мало, и его трудно заметить, но у других элементов подобное расщепление спектральных линий достаточно велико. Поэтому их линейчатые спектры, возникающие при скачках электронов между различными уровнями и подуровнями, оказываются весьма сложными.

Вносит свой вклад в расщепление уровней и «магнитик» ядра. Правда, магнитный момент ядра очень мал, примерно в тысячу раз меньше магнитного момента электрона. Поэтому вносимое им расщепление также очень мало и называется сверхтонкой структурой. Заметить ее в спектрах атомов еще труднее.

Но для радиоастрономии самое главное оказалось не в том, что тонкая и сверхтонкая структуры усложняют спектр, а в том, что здесь можно наблюдать переходы между отдельными компонентами тонкой или сверхтонкой структуры линий.

Например, если электрон в атоме водорода находится на втором уровне (п = 2) на вытянутой «орбите», то он может перескочить на круговую «орбиту», отвечающую этому уровню. При этом часть энергии взаимодействия магнитика электрона с магнитным полем его орбиты будет испущена в виде радиоизлучения с длиной волны X = = 3,04 см. Вероятность такого перехода очень мала, один электрон совершает его примерно раз в две недели. С гораздо большей вероятностью электрон предпочтет перескок на первый уровень (п = 1). На «размышления» по поводу такого перескока электрон тратит всего около 10"8 сек. Обратный переход с первого на второй уровень происходит гораздо реже. Ясно поэтому, что наблюдать редкий переход с длиной волны 3,04 см должно быть очень трудно; и действительно, до сих пор его не удалось обнаружить.

Значительно больший интерес представляет переход в сверхтонкой структуре основного состояния атома водорода, обязанной взаимодействию между «магнитиками» протона и электрона.

Кстати, напомним, что основным состоянием называется тот случай, когда электрон находится на самой нижней из возможных орбит, т. е. его потенциальная энергия при этом наименьшая.

Намагниченность как протона, так и электрона тесно связана с наличием у этих частиц квантовомеханической характеристики, называемой спином, которую очень условно можно считать как бы механическим моментом их вращения. Далее, в квантовой механике показывается, что спины двух взаимодействующих частиц могут быть либо параллельными, либо антипараллельными. Соответственно магнитики протона и электрона могут либо притягиваться (спины параллельны), либо отталкиваться (спины антипараллельны).

Если по какой-либо причине один из первоначально параллельных магнитиков (протонный или электронный) повернется на 180°, то при этом освободится небольшая порция энергии и излучится квант радиоволн с длиной волны X = 21 сМу чему соответствует частота 1420 Мгц.

Повернуть магнитик трудно, самопроизвольно в одном атоме водорода это случается в среднем один раз в 11 миллионов лет. Правда, гораздо легче это происходит при столкновении атома водорода с другим атомом или электроном. И действительно, в межзвездном пространстве примерно одно столкновение за 10 лет сбрасывает электрон с верхнего подуровня (спины параллельны) на нижний подуровень (спины антипараллельны) сверхтонкой структуры.

Еще в три раза чаще происходят обратные столкновения, при которых электрон или другой атом водорода, налетающие на атом водорода, перебрасывают атомный электрон с нижнего на верхний подуровень, т. е. меняют направление магнитика электрона от антипараллельного на параллельное магнитику протона. Поэтому всегда в среднем в межзвездном пространстве примерно четверть всех атомов водорода находится в самом нижнем состоянии при антипараллельных направлениях магнитиков протона и электрона и три четверти — на верхнем подуровне при параллельных направлениях магнитиков. Следовательно, в космосе всегда достаточно атомов, способных излучать спектральную радиолинию с длиной волны К = 21 см.

Поэтому, несмотря на очень малую вероятность такого перехода, из-за огромного количества атомов водорода в космическом пространстве такие переходы имеют место достаточно часто, и радиолиния водорода к = 21 см легко наблюдается.

Об этом мы будем подробно рассказывать в гл. 6. Можно наблюдать и другие космические радиолинии. В космосе есть также и молекулы. В частности, в нем должно быть много самых простых двухатомных молекул— радикалов, таких как гидроксил ОН. Такие молекулы в земных условиях встречаются редко, так как они быстро вступают в химические реакции, но в космосе, где столкновения молекул крайне редки, радикалы существуют долго.

Молекулярные спектры много сложнее атомных, так как здесь, кроме характерных для атомов электронных переходов, энергия может меняться и при колебаниях атомов в молекуле друг относительно друга, и при изменении вращения самих молекул. Вмешиваются в спектр молекулы и собственные магнитики атомов, входящих в состав молекулы. Здесь тоже есть тонкая и сверхтонкая структуры. Но в молекулах есть и добавочное расщепление, называемое лямбда-удвоением. Оно появляется из-за взаимодействия магнитных полей от движущихся по «орбитам» электронов и магнитного поля, возникающего от вращения самой молекулы. Если изменить состояние вращения на обратное, то при этом также освободится небольшая порция энергии. В частности, для молекулы гидроксила ОН этому кванту соответствует длина волны лямбда = 18,3 см. Правда, из-за сверхтонкой структуры в этом случае вместо одной линии излучаются четыре линии с очень близкими длинами волн. Одна молекула ОН излучает квант линии лямбда = 18,3 см примерно один раз в 1200 лет. Молекул ОН в десятки миллионов раз меньше, чем атомов водорода. Однако из-за большей вероятности излучения эти линии можно наблюдать.

Известны и другие радиолинии, которые пока не удалось обнаружить. Например, изотоп водорода дейтерий имеет линию сверхтонкой структуры с длиной волны лямбда = 91,6 см, однако вероятность излучения ее атомом очень мала — один раз в 630 миллионов лет. Линию лямбда-удвоения с длиной волны лямбда = 9,45 см имеет довольно распространенный радикал СН.

Определим теперь коэффициенты излучения и поглощения в спектральных линиях. Пусть число атомов или молекул, находящихся в 1 м3 и способных излучать данную линию, равно Nа. Обозначим через 1/А промежуток времени, в течение которого один атом или молекула испускают один квант, соответствующий данной линии.

Автор: С. А. Каплан

Название книги: Элементарная радиоастрономия

Город: Москва

Год: 1966





Рефераты, шпаргалки доклады, контрольные, книги и прочие учебные материалы
 

Сайт полезен тем, кто учится!