• Nie Znaleziono Wyników

PROFIL LINII

W dokumencie Postępy Astronomii nr 2/1967 (Stron 28-33)

Efekt Starka w plazmie 69

4. PROFIL LINII

Lokalne pole elektryczne jonów i elektronów w plazmie zachowuje się po­ dobnie do funkcji, która jest wynikiem złożenia szybkich zmian przypadkowych z powoli zmieniającym się składnikiem o porównywalnej amplitudzie. Pole jonów pozostaje w przybliżeniu stale w czasie, w którym zachodzi wiele zde­ rzeń z elektronami. Pozwala to na zaniedbanie chwilowych zmian tego pola i policzenie zderzeniowego poszerzenia linii, powstającej przy przejściu mię­ dzy poziomami a i i. W warunkach plazmy poziomy s ą rozszczepione w polu jonów. Przy ustalonym polu F profil zderzeniowy linii 1 ^ (co,F) jest, jak pa­ miętamy, sumą profili zderzeniowych poszczególnych składowych. W naszym przypadku, gdy mamy do czynienia ze zmiennością przestrzenną pola jonów, efekty jonowe mogą być wzięte pod uwagę przez sumowanie po profilach zde­ rzeniowych danej linii, obliczonych dla wszelkich możliwych, lecz stałych

w

czasie pól jonowych. Z funkcją rozkładu natężenia pola !T(F) ta procedura prowadzi do profilu /a j(co) linii poszerzonej łącznym działaniem jonów i elek­ tronów:

/a6(co) = / / $ (co,F) W{F) dF. (12)

-E f e k t S t a r k a w p l a z m i e 73

s a (1961) nie można jednak uznać za dok ład ny. O kazuje s ię bowiem, że szyb­ kie jony prow adzą do efektów , które nie s p e łn ia ją standartowego kryterium d la p rzybliżenia quasi-statycznego:

|Aco| » — . (13)

Pw

Podobnie powolne elektrony nie s p e łn ia ją odpowiedniego kryterium d la p rzybliżenia zderzeniowego:

| Aco| « — , (14)

Pd

gdzie v je st prędkością term iczną elektronów (je ś li przyjąć prędkość w ynika­ ją c ą z przybliżonego zw iązku mv2 = k T , to prawa strona nierów ności (14) bę­ dzie równa — znanej sk ąd in ąd — tzw . c zę s to śc i plazm y cop). P o w sta ł w ten sposób zakres prędkości c ząs te k , s to jąc y jednocześnie w sprze czno ści z wy­ mogami obu p rzy b liże ń .

W zwykłym p rzy bliżeniu zderzeniowym za maksymalny parametr zderzenia

P m a x można przyjąć promień D ebye’ a p p , poniew aż pole coulombow skie e lek ­ tronu oddalonego o w ięk szy dystans je st osłaniane przez inne elektrony. Je ś li jednak is tn ie ją zderzenia, których czas trwania At je st w iększy n iż pewien określony dla p rzy b liże nia zderzeniowego przed ział c za s u , wtedy maksymalny parametr pow inien w ynosić:

Pm a x ^ A ‘ = ^ ' ( 15>

Ina c ze j efekty takich zderzeń będą przecenione. L e w i s sugeruje tę mo­ dyfikację w wyborze parametru pmax (który je st zwykle m niejszy od promienia Debye’a) d la odleg ło ści od środka lin ii Aco sp e łn ia jąc y ch nierów ności:

« |A co| , (

16

)

Pd p w

gdzie je st promieniem W eisskopfa (4). B ardziej dalekie skrzydła lin ii mogą ew entualnie być regionem, gdzie poszerzenie elektronowe podlega przy­ b liże n iu quasi-statycznem u.

Z porównania (14) i (16) w id a ć, że górna granica c zę s to śc i Aco, gdzie słu s zn e jest zwykłe p rzybliżenie zderzeniow e, pokrywa się — zgodnie z ocze­ kiw aniem — z d o ln ą granicą zmodyfikowanego p rzy bliżenia zderzeniow ego. Po­ dobnie porównanie kryteriów (13) i (16) pokazuje, że górna granica w ażności

74 S. Grabowski

zmodyfikowanego przybliżenia zderzeniowego koincyduje z dolną granicą waż­ ności przybliżenia quasi-statycznego. Z obu tych zbieżności granic skorzy­ stamy w następnych rozdziałach.

Wracając do profilu /a j ( » ) trzeba podkreślić, że używany w tym artykule termin „profil lin ii” jest czymś innym, niż obserwowalny profil lin ii, który może być zdeformowany np. przez niejednorodność plazmy. Profil /a j(co) nale­ ży w tym przypadku rozumieć jako kształt lin ii powstającej w jednorodnej i optycznie cienkiej warstwie plazmy. Je ś li wprowadzimy bezwymiarową skalę a = wtedy profil /a j(w) może być zastąpiony przez zredukowany profil

r o

S(a), unormowany do 1. W tej skali profil Holtsmarka S^(a) jest jednoznaczną

funkcją zmiennej a, W ogólnym przypadku profil S(a) przy ustalonej wartości a przybiera wartości zależne od dwóch wolnych parametrów: gęstości elektronów

N i temperatury T. Pomiędzy /a j,(co) i S(a) istnieje relacja d a = S(a) da.

Z kolei współczynnik liniowej absorpcji (lub em isji) na jeden atom k{AA) wią­ że się z profilem S(a) w sposób:

k(A \ )=— 2^ S ( a ) . (17)

mc F 0

We wzorze tym e, m, c, A0 i F„ s ą wielkościami o zwykłym sensie, wyrażo­ nymi w jednostkach CGS> natomiast odległość od środka lin ii AA wyrażona jest w X; f jest mocą oscylatora danej lin ii.

4.1. P R O F IL E LINII WODORU

Jak wspomnieliśmy — operator wyraża się poprzez funkcje falowe atomu zaburzanego przez swobodne elektrony i jest zwykle bardzo złożony. W wielu przypadkach elektronowe zaburzenie dolnego poziomu a jest zaniedby- walne i wtedy operator CD^ związany jest tylko z górnym poziomem b, który je st bardziej narażony na zaburzenia. W szczególnym przypadku, gdy zaburze­ nia te są wystarczająco gwałtowne, wtedy pewne uproszczenia matematyczne oraz uproszczenia fizyczne typu przybliżenia klasycznej drogi dla zaburzające­ go elektronu, czy przyjęcie coulombowskiego Hamiltonianu zaburzenia, pozwa­ la ją operator 0 ^ wyrazić wzorem, który może być użyty do konkretnych obli­ czeń. Jednakże tak zapisany operator jest logarytmicznie rozbieżny przy gra­ nicznych przejściach z parametrem zderzeń p, mianowicie przy p —> 0 i p --* °°. Wiąże się to z w adliw ością traktowania elektronowych zaburzeń, jako coulom- bowskich, lub inaczej — z zaniedbaniem efektów ekranowania w aspekcie zde- rzeh z elektronami.

Przy przyjętych wyżej uproszczeniach można zapewnić zbieżność operato­ ra <t>£ przez podział zderzeń na 3 klasy: zderzenia silne wewnątrz sfery o pro­ mieniu Weisskopfa p ^; zderzenia słabe między p^ i p ^; wreszcie — zderzenia

Efekt Starka w plazmie 75

„ekranow ane” , na zewnątrz promienia Debye’a p p . Można teraz efekty zderzeń sła by c h obliczy ć za pomocą operatora w granicach p^-j-pp, a zderzenia „ekranow ane” zaniedbać, jako nie wnoszące w kładu w poszerzenie, ponieważ ła d u n k i aktualnie bardziej odległe niż o p ^ b ę d ą ekranowane w neutralnej p lazm ie . Z k olei, u ży w a jąc tradycyjnej oceny L orentza—Weisskopfa dla efek­ tów zderzeń siln y c h , można pokazać, że stosunek wkładów zderzeń słabych i silnych dany je st przez 2 1 n {— 1, co dla zakresu gęstości i temperatur

spoty-\Pw/

kanych w astrofizyce równe je st 5, lub w ię c e j. Dlatego wkład zderzeń silnych •do macierzy będzie m niejszy niż 20%. T en wynik w poważnym stopniu u zasa d n ia przybliżenie klasy cznej drogi dla perturbującego elektronu, ponie­ w aż przybliżenie to staw ia najostrzejsze wymagania d la zderzeń siln y c h . P oza tym sugeruje, aby w pierwszym p rzy bliżeniu po prostu zaniedbać efekty zde­ rzeń siln y c h .

R ys. 2. Porównanie różnych przybliżeń profilu przy T - 104 [°K] i N - 10“ [cm'3]:

c. . . . ,, . , f ... wg Holtsmarka Statystyczna teon a dla jonów <

l --- wg Eckera Równoczesne poszerzenie 1 in ii ^

----przez jony i elektrony

-obliczone z pom ocą (Tjj(F) -obliczone z pomocą IPg(F)

P o m ijając więc w <t>^ wyraz dla zderzeń siln y c h , G r i e m , K o l b i S h e n (1959) dokonali numerycznych o b lic z e ń zredukowanych profili S(a) dla p ocząt­ kowych lin ii serii Lym ana i Balmera przy w ie lu kom binacjach gęstości elek­ tronów i temperatur. O b lic ze n ia były oparte o formułę (12) z fu n k c ją rozkładu natężenia pola JPjr(F) E ck e ra . Na rys. 2 statystyczny profil H oltsmarka dla H p, przy T = 104 [CK] i N = 1016 [cm '3], je st przykładowo porównany z

odpo-76 B . G rabow ski

wiednim profilem E c k e ra . Dla porównania przedstaw ione s ą t a k ż e dwa inne profile: z funkcją rozkładu Holtsmarka oraz z fu n k cją E c k e ra , każdy „ s p l e ­ cio n y ” z odpowiednim profilem zderzeniowym. Można zauw ażyć, że wpływ po­ s z e r z e n ia elektronowego na s z e r o ­ kość połówkową linii j e s t do pew­ nego stopnia kompensowany przez zjaw isko ekranowania pól jonowych i korelacje jonów. Je d n a k ż e profile s ą zupełnie różne.

Nowsze o b liczen ia profili linii H p (G r i e m, K o l b i S h e n 1962) s ą dokonane z dokładną fu n k c ją r o z k ła ­ du pola Wr(F), opracowaną, przez

M o z e r a i B a r a n g e r a (1960). P o ­ z a tym obejm ują one zaniedbane po­ przednio w efekty zderzeń silnych oraz p o szerzen ie dolnych poziomów przez zderzenia z elektronam i. W sk rzy d łach — o b lic z e n ia wkładu elektronów s ą oparte o przybliżenie zderzeniow e zmodyfikowane przez L e w i s a . Dla i l u s tr a c ji zn ac z en ia z aburzeń elektronowych oraz ekrano­ wania D ebye’a i korelacji jonów na r y s . 3 ze sta w io n e s ą dwa ek strem

al-—A * [A]

R ys. 3. Porównanie profilu Holtsmarka (po­ szerzenie przez jony sta ty sty c z n ie n ieza­ leżne i nieekranowane) dla linii Hp, ze szczegółowymi obliczeniam i poszerzenia

starkow skiego (poszerzenie przez elektrony . .. ..

oraz przez jony, które s ą skorelow ane

ne P « y b h z e n ia

p ro filu lin ii Hp przy i ekranowane; w skrzydłach wzięte s ą pod T = 10 [°K] i JV = 10 [cm J, m ian o -

uwagę modyfikacje L ew isa) w ic i e : pro fil H o lts m a rk a (ty lk o q u a s i--s ta ty c z n e p o szerzen ie górnego po­ ziomu przez jony nieekranowane i s t a t y s ty c z n ie n ie z a le żn e ) oraz rezu ltat naj­ bardziej obecnie dokładnych o b lic z e ń . Spadek n a tę ż e n ia w środku linii spowodowany j e s t brakiem składow ej cen traln ej.

D o ty ch czas rozpatryw aliśm y elektronowe zaburzenia jako coulombowskie. Je d n a k ż e w ś c i s ł y c h rozw ażaniach nad tym zjaw iskiem w plazm ie, coulombow- sk i p o te n c ja ł pochodzący od je dnostkow ego ładunku Vq = powinien być z a ­ stą p io n y przez prawidłowy p o te n c ja ł z ekranowaniem D e b y e ’a : V D = = — exp l — — ). Chwilowe coulombowskie z ab u rzen ie c z ę s t o ś c i (3), które

r \ Pd/

w przypadku liniowego e fe k tu Starka można z a p is a ć Aco = 2n C 2 E ę { t ) , przyjmie te ra z p o sta ć Aco = 2ir E ^ ( t ) , gdzie natężen ie pola E D j e s t równe:

£d

=

-d V,

d T

D=A +

' P D / n - i £ )

W dokumencie Postępy Astronomii nr 2/1967 (Stron 28-33)

Powiązane dokumenty