Выбрать главу

𝑝

𝑟

-

𝑝

0

𝑟

=

ϰ𝐻

𝑔𝑐

(

𝑝

𝑔

+

𝑝

𝑟

-

𝑝

0

𝑟

),

(4.64)

где

𝑝

0

𝑟

— световое давление на поверхности звезды. Отсюда для глубоких слоёв фотосферы следует

𝑝𝑟

𝑝

=

ϰ𝐻

𝑔𝑐

.

(4.65)

Для вычислений по формуле (4.65) надо знать величину ϰ (т.е. средний коэффициент поглощения, рассчитанный на единицу массы). Для этого могут быть использованы формулы, приведённые в следующем параграфе. Вычисления показывают, что для звёзд типа Солнца величина 𝑝𝑟/𝑝 — порядка нескольких тысячных, а для звёзд более поздних спектральных классов главной последовательности она ещё меньше. Следовательно, для этих звёзд световым давлением можно пренебречь по сравнению с газовым. Однако роль светового давления растёт с увеличением эффективной температуры звезды, и для горячих сверхгигантов отношение светового давления к газовому — порядка единицы.

§ 5. Зависимость коэффициента поглощения от частоты

1. Излучение и поглощение в непрерывном спектре.

До сих пор мы не касались вопроса о том, с какими физическими процессами связано излучение и поглощение энергии в непрерывном спектре. Переходя теперь к рассмотрению этого вопроса, обратимся к схеме энергетических уровней атома (рис. 4).

Рис. 4

Как известно, каждый атом может находиться в некоторых устойчивых состояниях с определёнными дискретными значениями энергии: 𝐸₁, 𝐸₂, …, 𝐸𝑖, …. Эти значения энергии отрицательны 𝐸𝑖<0. В соответствующих им состояниях внешний электрон связан с атомом, или, как иногда говорят, находится на эллиптической орбите. При переходах атома между такими состояниями происходит излучение и поглощение квантов в спектральных линиях.

Вместе с тем атом может находиться и в состояниях с положительной энергией 𝐸>0. В таких состояниях электрон не связан с атомом, т.е. находится на гиперболической орбите. Положительные энергетические уровни атома расположены непрерывно.

Переход атома из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией (т.е. переход электрона из связанного состояния в свободное) называется ионизацией атома. Ионизация может происходить под действием излучения; в таком случае она называется фотоионизацией.

При фотоионизации происходит поглощение светового кванта. При этом энергия кванта частично расходуется на отрыв электрона от атома, а частично на сообщение кинетической энергии оторванному электрону. Иными словами, в этом случае имеет место соотношение

ℎν

=

χ

𝑖

+

1

2

𝑚𝑣²

,

(5.1)

где обозначено χ𝑖=-𝐸𝑖 Величина χ𝑖 представляет собой энергию ионизации атома из 𝑖-го состояния. Соотношение (5.1) было впервые получено Эйнштейном при рассмотрении фотоэлектрического эффекта.

При фотоионизации с 𝑖-го уровня может быть поглощён любой квант, энергия которого больше или равна энергии ионизации, т.е. ℎν≥χ𝑖. Следовательно, при фотоионизации происходит поглощение энергии в непрерывном спектре.

Процесс, обратный ионизации, т.е. захват ионизованным атомом свободного электрона, называется рекомбинацией. При рекомбинации происходит излучение энергии в непрерывном спектре. При этом если электрон со скоростью 𝑣 захватывается на 𝑖-й уровень, то излучается квант частоты ν, определяемой тем же соотношением (5.1).

Кроме фотоионизаций и рекомбинаций, к поглощению и излучению энергии в непрерывном спектре ведут также переходы атомов между состояниями с положительной энергией, т.е. переходы электронов из свободных состояний в свободные. Очевидно, что при таких переходах могут поглощаться и излучаться кванты любой частоты.

Вероятности всех указанных переходов характеризуются соответствующими коэффициентами поглощения и излучения. Мы обозначим через 𝑘𝑖ν коэффициент поглощения квантов частоты ν, рассчитанный на один атом в 𝑖-м состоянии. Тогда объёмный коэффициент поглощения квантов частоты ν атомами в 𝑖-м состоянии будет равен α𝑖ν=𝑛𝑖𝑘𝑖ν где 𝑛 — число атомов в 𝑖-м состоянии в единице объёма. А объёмный коэффициент поглощения, обусловленный всеми фотоионизациями, будет равен

α

ν

'

=

𝑖=𝑖₁

𝑛

𝑖

𝑘

𝑖ν

,

(5.2)

где 𝑖₀ определяется для каждой частоты из того условия, что при 𝑖≥𝑖₀ выполняется неравенство ℎν≥χ𝑖.

Объёмный коэффициент поглощения, обусловленный свободно-свободными переходами, мы обозначим через αν''. Очевидно, что он пропорционален числу свободных электронов и числу ионизованных атомов в единице объёма (так как свободно-свободные переходы совершаются в поле иона).

Полный объёмный коэффициент поглощения αν (фигурировавший в предыдущем параграфе) является суммой:

α

ν

=

α

ν

'

+

α

ν

''

.

(5.3)

Мы видим, что коэффициент поглощения αν существенно зависит от распределения атомов по состояниям. Как уже было сказано, в теории фотосфер делается предположение о локальном термодинамическом равновесии. Поэтому и распределение атомов по состояниям мы возьмём такое же, как в случае термодинамического равновесия.

Как известно, в указанном случае распределение атомов по дискретным уровням энергии даётся формулой Больцмана:

𝑛𝑖

𝑛₁

=

𝑔𝑖

𝑔₁

exp

-

χ₁-χ𝑖

𝑘𝑇

,

(5.4)

где 𝑔𝑖 — статистический вес 𝑖-гo уровня. Величина χ₁-χ𝑖 представляет собой энергию возбуждения 𝑖-гo уровня.

Обобщая (5.4) на состояния атома с положительной энергией, можно получить отношение числа ионизованных атомов к числу нейтральных атомов. Это отношение даётся формулой

𝑛

𝑒

𝑛⁺

𝑛₁

=

2

𝑔⁺

𝑔₁

(2π𝑚𝑘𝑇)³/²

ℎ³

exp

-

χ

𝑘𝑇

,

(5.5)

которая называется формулой ионизации или формулой Саха. Здесь 𝑛𝑒 — число свободных электронов и 𝑛⁺ — число ионов в основном состоянии в 1 см³, 𝑔⁺ —статистический вес основного состояния иона.

В дальнейшем мы приведём выражения для коэффициентов поглощения 𝑘𝑖ν и αν'' для некоторых атомов и, пользуясь формулами (5.2) — (5.5), составим выражение для объёмного коэффициента поглощения αν. Формулы для коэффициентов излучения, соответствующих разным типам переходов, нам в теории фотосфер не понадобятся, так как при термодинамическом равновесии нужный нам объёмный коэффициент излучения εν выражается через объёмный коэффициент поглощения αν законом Кирхгофа — Планка.