Излучение атомов и ионов из газового разряда имеет характерные спектральные особенности, связанные с взаимодействием выделенного атома с окружением. Даже изолированный возбужденный атом испускает электромагнитное излучение. С точки зрения классической электродинамики излучение атомного осциллятора сопровождается затуханием и уменьшением его энергии по экспоненциальному закону:
(6.7)
Величина 1/τ определяет вероятность спонтанного перехода и связана с дипольным моментом атома:
(6.8)
Соответствующий спектр испускания отдельного атома определяется Фурье образом колебательного процесса, с амплитудой колебаний затухающей во времени по закону (6.4):
. (6.9)
Выражение (6.9) называется функцией Лорентца. Поскольку атомы в плазме движутся и сталкиваются, то спектр ансамбля атомов и отдельного атома уже не описывается простым выражением (6.9). Существует достаточно сложная теория уширения спектральных линий. Однако если время свободного пробега существенно превышает время столкновения, то можно считать, что основное время атом излучает как изолированный. В момент столкновения могут произойти следующие процессы: сбой фазы колебаний атомного осциллятора, прекращение колебаний – тушение, изменение частоты колебания из-за изменения в кулоновском поле другого атома параметров атомного осциллятора. Если все эти процессы статистически независимы и случайны, то их суммарное действие лишь изменяет параметр γ и центральную частоту ω0 в формуле (6.9). Форма же спектральной плотности излучения остается лорентцевой. Зависимости этих величин от параметров плазмы обычно приводятся в спектральных справочниках.
Так как основное время излучающий атом проводит в прямолинейном и равномерном движении, его центральная частота в лабораторной системе отсчета испытывает доплеровский сдвиг:
(6.10)
Чтобы получить контур излучения ансамбля атомов нужно просуммировать спектры излучения всех атомов с учетом их распределения по скоростям:
(6.11)
Распределение по скоростям W(Vk) – это одномерное распределение максвелла (в направлении наблюдения ) с атомной температурой. Интегрирование (6.8) дает следующий результат:
(6.12)
Выражение для формы линии (6.12) представляет собой контур Фойхта. для предельных случаев p<<1 и p>>1 (6.12) можно представить в элементарных функциях:
(6.13)
Верхнее из выражений (6.13) – это Гаусов контур, а нижнее – Лоренцев контур. Т.о. форма спектральной линии описывается гаусовским контуром если параметр релаксации атомного осциллятора γ много меньше доплеровского параметра kVT, определяющего среднеквадратичный доплеровский сдвиг, и отстройка Ω относительно центра линии невелика. При больших скоростях релаксации в отдельном атоме (с увеличением давления) контур переходит в лорентцев. Тем неменее, в далеких крыльях спектральная зависимость интенсивности излучения носит лорентцев характер.
В случае излучения ионов к доплеровскому сдвигу частоты добавляется сдвиг из-за дрейфа ионов в поле разряда, что приводит к сдвигу центральной частоты контура, зависящему от направления наблюдения. Большое сечение взаимодействия при столкновениях ионов ограничивает применимость теории ударного уширения и контур излучения отдельного иона становится нелоренцевым.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.