Mehanizmi zracenja i interakcija zracenja sa materijom

Mehanizmi zracenja

Dva osnovna mehanizma nastanka zracenja su termalni i netermalni.
Termalno zracenje je izotropno, nekoherentno, nepolarizovano i daje informaciju o temperaturi sredine iz koje potice. U termalne mehanizme zracenja ubrajamo zracenje crnog tela i zakocno zracenje (Bremstralung). Zracenje crnog tela nastaje zbog haoticnog kretanja i sudaranjea atoma (koje je povezano sa temperaturom tela), pri cemu dolazi do ekscitacije, dok zakocno zracenje nastaje promenom brzine naelektrisane cestice pod dejstvom kulonovske sile u polju jona.
Na visim frekvencijama u kontinumu spektra dominira zracenje crnog tela, dok su na nizim frekvencijama (mikrotalasno i radio zracenje) oba zracenja podjednako znacajna.

Netermalno zracenje nastaje kao posledica kretanja naelektrisane cestice oko linija sila magnetnog polja. Ovo zracenje ne zavisi od temperature sredine, usmereno je i polarizovano. Karakteristike netermalnog zracenja zavise od brzine kojom se krece naelektrisana cestica i prema tome netermalno zracenje se deli na: ciklotronsko i sinhrotronsko (v~c). Ciklotronsko zracenje daje linijski spektar, a sinhrotronsko kontinum, pri cemu spektralna raspodela zavisi od jacine magnetnog polja. Sinhrotronsko zracenje za slabija magnetna polja je znacajno u radio domenu, dok za jaka magnetna polja doseze i do vidljivog dela spektra.

Nastalo zracenje do nas ne stize sa spektralnom raspodelom koja karakterise mehanizam zracenja koji je dominirao u nastanku zracenja, vec ono na svom putu interaguje sa materijom i pri tome dolazi do apsorpcije i emisije, sto stvara krajnji oblik spektra. Kontinum poprima posmatrani oblik i stvaraju se emisione i apsorpcione linije.

Jednacina koja opisuje promenu izlaznog inteziteta zracenja na odredjenoj frekvenciji, usled interakcije sa materijom, zove se jednacina prenosa zracenja. U planparalelnoj i stacionarnoj aproksimaciji, ona ima oblik:

gde je Iν - specifici intezitet, z - visina sloja iz kojeg dolazi zracenje, μ - pravac posmatranja, eν ,αν - koeficijenti emisije i apsorpcije na datoj frekvenciji ν.

Interakcija zracenja sa materijom

Procesi interakcije zracenja i materije su termalna (prava) apsorpcija, termalna (prava) emisija i rasejanje.

Termalna apsorpcija

U procesima termalne apsorpcije, energija fotona biva pretvorena u termalnu energiju cestica gasa, tj. foton biva termalizovan i tako zauvek izgubljen za posmatraca. Primeri termalne apsorpcije su:
1. Fotojonizacija (vezano-slobodni prelaz), gde se energija fotona trosi na jonizovanje atoma i kineticku energiju izbacenog elektrona;
2. Slobodno-slobodni prelazi u polju jona, pri kojima se kineticka energija elektrona uvecava na racun apsorbovanog fotona;
3. Radijativna ekscitacija i sudarna deekscitacija (vezano-vezani prelaz);
4. Radijativna ekscitacija i sudarna jonizacija (vezano-slobodni prelaz);

Svi ovi procesi dovode do slabljenja (apsorpcije) zracenja, pri cemu vezano-slobodni i slobodno-slobodni prelazi dovode do apsorpcije u kontinumu, a vezano-vezani prelazi do apsorpcije na odredjenim talasnim duzinama - tj. nastaju apsorpcione linije. Apsorpcija zracenja opisana je koeficijentom apsorpcije.

Termalna emisija

Termalna emisija je proces pri kojem se termalna energija gasa pretvara u energiju zracenja. Procesi koji dovode do termalne emisije su:
1. Sudarna ekscitacija i radijativna deekscitacija (vezano-vezani prelaz)
2. Zakocno zracenje (slobodno-slobodni prelaz), pri kojem se zraci foton na racun kineticke energije fotona.
3. Sudarna rekombinacija(slobodno-vezani prelaz);
4. Radijativna rekombinacija (slobodno-vezani prelaz);

Slobodno-slobodni i slobodno-vezani prelazi dovode do emisije u kontinumu, a vezeno-vezani prelaz (sudarna ekscitacija i radijativna deekscitacija), dovodi do pojave emisionih linija. Emisija zracenja je opisana koeficijentom emisije.

Kolicina emitovanog (apsorbovanog) zracenja u slucaju termalne emisije (apsorpcije), zavisi samo od parametara stanja gasa, tj. od temperature i koncentracije. Pomocu procesa termalne emisije i apsorpcije, uspostavlja se lokalna ravnoteza izmedju polja zracenja i gasa.

Rasejanje

Rasejanje je proces koji ne zavisi od parametara stanja gasa (kao termalna apsorpcija i emisija), vec samo od inteziteta polja zracenja. Takodje, rasejanje narusava ravnotezu polja zracenja i gasa, koju stvaraju termalni procesi.
Pri rasejanju ne dolazi do stvaranja ili unistavanja fotona, vec foton ostaje ocuvan, ali mu se menja pravac prostiranja i moze doci do malih promena frekvencije;
Primeri rasejanja su:
1. Apsorpcija fotona i reemisija u proizvoljnom pravcu;
2. Rasejanje na slobodnim elektronima (Tomsonovo i Komptonovo);
3. Rasejanje na atomima i molekulima (Rayeigh-ovo);
4. Rasejanje ne cesticama prasine (Mie);

U slucaju apsorpcije i reemisije fotona, foton biva reemitovan u proizvoljnom pravcu i time je otklonjen sa pocetnog pravca prostiranja sto za posledicu ima slabljenje zracenja. Pri reemisiji, talasna duzina fotona se moze neznatno promeniti kao posledica prirodne sirine energetskih nivoa.
Promene pravca i frekvencije fotona usled rasejanja, opisuju se funkcijama redistribucije (preraspodele) zracenja.

Pocetna strana