СЕЛФ

44

С.Б. Каравашкин и О.Н. Каравашкина

"Крайнее несоответствие между высокой цветовой температурой излучения, заполняющего межзвёздную среду, и очень низкой плотностью является едва ли не основным фактором, определяющим своеобразие физических условий в этой среде" [20, стр. 36]

"Весьма важно то обстоятельство, что в межзвёздном пространстве практически все атомы, ионы и молекулы должны находиться на самом "нижнем", т.е. "невозбуждённом" энергетическом уровне. Дело в том, что процессы возбуждения атомов, связанные, как обычно, либо с поглощением излучения, либо со столкновениями между частицами, происходят в межзвёздной среде крайне редко. Если после рекомбинации электрона с ионом, образовавшийся нейтральный атом оказался возбуждённым, то он всегда "успеет" спонтанно перейти в самое "глубокое" состояние, получив один или несколько квантов - никакие процессы столкновения с другими частицами ему это сделать не помешают. Из этого правила есть одно важное исключение: если энергетические уровни атома или молекулы очень близки к "основному", а радиационные переходы между ними являются запрещёнными, то "населённость" "возбуждённых" уровней может быть сравнима с населённостью основного" [20, стр. 30]. Условия же высокого разрежения межзвёздного газа и низкой средней кинетической температуры позволят проявиться указанной инверсной населённости "возбуждённых" уровней даже для атома водорода (вернее для ансамбля атомов водорода). "Ещё в 1944 г. голландский студент - астроном ван де Хулст (ныне он директор обсерватории Лейденского университета) выдвинул блестящую идею, суть которой сводится к следующему: если два атомных уровня находятся очень близко друг к другу (т.е. мало отличаются своими энергиями), то переход атома с "верхнего" уровня на "нижний" будет сопровождаться излучением кванта, длина волны которого приходится на радиодиапазон. И как важный пример такого перехода, голландский астроном указал на атом водорода, находящийся в самом "глубоком" квантовом состоянии. Уже давно известно, что этому состоянию соответствуют два очень близких уровня. Разность энергии между указанными двумя уровнями есть результат взаимодействия собственных магнитных моментов, образующих водородный атом протона и электрона. В свою очередь, магнитные моменты связаны спинами соответствующих элементарных частиц. Это давно уже известное в спектрометрии явление наблюдается как расщепление спектральных линий на несколько очень близких друг к другу компонент (так называемая "сверхтонкая структура"). По оценке ван де Хулста переход между "верхним" и "нижним" уровнями должен сопровождаться излучением линии с длиной волны 21 см." [20, стр. 43]. "После того, как она была теоретически предсказана и рассчитана, линия 21 см была обнаружена в 1951 г. в США, Австралии и Голландии" [20, стр. 45].

Важным дополнением к описанному моменту является та особенность межзвёздной среды, отчётливо проявляющаяся в газовых туманностях, что "все газовые туманности светятся только в том случае, если в ней или поблизости от неё есть очень горячая голубая звезда с температурой не ниже 25 000 К. Излучение звезды ионизует водород и другие газы туманностей и приводит их в свечение в процессе флуоресценции. Газ поглощает ультрафиолетовые лучи, а излучает в красных, зелёных и других линиях спектра. Если бы горячая звезда вдруг угасла, туманность бы тоже вскоре перестала светиться" [21, стр. 113]. В сочетании с открытием ван дер Хулста, можно с уверенностью утверждать, что явление флуоресценции, присущее диффузным туманностям, свойственно и межзвёздному газу, поскольку одним из условий люминесценции является наличие метастабильных уровней в атоме. "Для классификации вторичного свечения большое значение имеет существование или отсутствие промежуточных процессов между поглощением энергии, возбуждающей люминесценцию, и излучением вторичного свечения (например, переходов между электронными уровнями, изменений колебательной энергии и т.п.). Такие промежуточные процессы характерны для люминесценции" [22, стр. 31] Но в условиях межзвёздного газа флуоресценция будет иметь свои особенности, принципиально отличающие её от наблюдаемой в земных условиях и в более плотных туманностях и облаках. В связи с важностью данного вопроса для проводимого нами исследования, рассмотрим его более углублённо.

7. Исследование флуоресценции сверхразреженного газа

Во всех случаях, когда возникает вопрос о самопроизвольной люминесценции вещества, говорят или о резонансной, или о спонтанной люминесценции. В случае резонансной люминесценции "излучение имеет спонтанный характер и происходит с того же энергетического уровня, который достигается при поглощении энергии возбуждающего света. При повышении плотности паров резонансная люминесценция переходит в резонансное рассеяние. Согласно [23], этот вид свечения во всех случаях не должен относиться к люминесценции и должен называться резонансным рассеянием. Спонтанная люминесценция включает переход (излучательный или, чаще, безызлучательный) на энергетический уровень, с которого происходит излучение" [22, стр. 31 - 32]. Характерные схемы указанных типов люминесценции приведены на рис. 9 [22, стр. 31].

Рис. 9 Энергетические переходы при различных типах люминесценции. (а) - резонансная люминесценция; (в) - спонтанная люминесценция с одним промежуточным уровнем [23, стр. 31]

В описанном процессе спонтанной люминесценции предполагается, что она подчиняется закону Вавилова, "согласно которому квантовый выход флуоресценции не зависит от длины волны возбуждающего света вплоть до некоторой предельной длины волны ₀ . Квантовым выходом люминесценции называется отношение числа излучённых квантов к числу поглощённых. Энергетическим выходом называется отношение излучённой энергии к энергии поглощенной. Если возбуждать свечение, например, флуоресцеина ультрафиолетовым светом или видимым светом различной длины волны, то независимо от того, светом какой длины волны мы в каждом отдельном случае возбуждаем флуоресценцию, остаются неизменными не только спектр флуоресценции … , но в известном интервале длин волн и квантовый выход. Независимость квантового выхода от длины волны возбуждающего света одновременно означает, что энергетический выход растёт пропорционально длине волны возбуждающего света. В самом деле, энергия кванта обратно пропорциональна длине волны ( = h = hc/ ), и таким образом с увеличением длины волны возбуждающего света падает энергия поглощённого кванта и, следовательно, энергетический выход растёт.