Излучение и поглощение спектральных линий. Интенсивность и ширина спектральной линии, страница 4

Реальный контур спектральной линии формируется в результате одновременного действия всех механизмов уширения. Поэтому в общем случае контур линии описывается сверткой доплеровского, лоренцевского и естественного уширения. Кроме того, возможны другие механизмы уширения. Например, при помещении частицы во внешнее стохастическое магнитное поля возникают зеемановское уширение, а в стохастическое электрическое поле – штарковское.

Возбуждение энергетических уровней и спектральных линий. Как было показано выше, интенсивность спектральных линий зависит от заселенности верхнего уровня оптического перехода. Возникает вопрос. Каким образом возникают атомы в возбужденном состоянии? Этот вопрос не является актуальным для термодинамически равновесной среды. В ней атомы располагаются по всем возбужденным уровнем в соответствии с законом Больцмана, а значит и интенсивности спектральных линий также подчиняются закону Больцмана:

.                               (22)

Здесь N₀ – концентрация  атомов в основном состоянии – заселенность основного состояния. Такой случай возбуждения называется тепловым, а излучатель – Больцмановским. При этом обычно полное термодинамическое равновесие не достигается, например, возможно отсутствие равновесия между излучением и средой. При возрастании оптической плотности среды, когда сильно сказывается явление самопоглощения, излучатель становится Планковским, т.е. распределение интенсивностей спектральных линий описываются законом Планка.

В случае отсутствия термодинамического равновесия необходимо отдельно рассматривать процессы возбуждения и девозбуждения (тушения) энергетических уровней. Рассмотрим неравновесную плазму одноатомного газа. В ней можно выделить пять элементарных актов, приводящих к возбуждению (заселению) энергетического уровня k.

1. Поглощение фотонов атомом, находящемся на более низком, чем k, уровне.
2. Неупругие удары I рода атома, находящегося на более низком уровне, со свободным электроном плазмы. Причем возбуждение может быть прямым, когда в одном акте происходит возбуждение уровня k, или ступенчатым с участием промежуточных уровней.
3. Неупругие столкновения II рода атомов, находящихся на более верхних, чем k, уровнях, со свободными электронами. При этом возбуждение уровня k может быть прямым или каскадным – через промежуточные уровни.
4. Спонтанные и вынужденные переходы с верхних уровней.
5. Рекомбинация ионов.

Тушение (девозбуждение) этого же уровня k может осуществляться в следующих элементарных актах.

1. Спонтанное излучение при оптическом переходе на нижерасположенные уровни.
2. Неупругие удары I и II рода атома со свободными электронами.
3. Соударения возбужденного на уровень k атома со стенками сосуда, ограничивающего плазму.

Неупругими ударами I рода называются такие, при которых кинетическая энергия одной из частиц переходит во внутреннюю энергию другой частицы, При неупругих ударах II рода внутренняя энергия одной из частиц переходит в кинетическую энергию второй частицы. При упругих столкновения внутренняя энергия сталкивающихся частиц не меняется, а изменяются только их кинетические энергии.

В стационарных, т.е. установившихся независимых от времени условиях, число актов возбуждения DN_jk уровня k со всех других уровней j равняется числу актов тушения DN_kj этого уровня на все другие:

,                                      (23)

а полная концентрация атомов сохраняется:

.                                                    (24)

Эти условия называются условиями стационарности.

Все элементарные акты возбуждения и девозбуждения удобно описывать через эффективные сечения процессов. Введем понятие полного сечения атома.

Пусть узкий параллельный пучок каких-либо частиц n с одинаковой скоростью движется в газе, концентрация атомов которого равна N₀ . На входе в газ через единичную площадку в единицу времени поступает n₀ частиц пучка. Долее они сталкиваются с атомами газа. Число столкновений dn, которые частицы испытывают на длине пути dx равно:

.                                             (25)