Теоретическая физика и астрофизика - Гинзбург В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Предварительно, правда, уместно заметить, что длина свободного пробега или коэффициент поглощения даже жестких гамма-лучей, не говоря уже о более мягких фотонах, не превосходит примерно 100 г/см2. Отсюда ясно, что космическое гамма-и рентгеновское излучение, которое достигает Земли, не может исходить из областей с чрезвычайно высокой плотностью, например из недр нейтронных звезд. Тем самым ясно также, что процессы испускания и поглощения фотонов, с которыми приходится сталкиваться в рентгеновской и гамма-астрономии, имеют, так сказать, обычный для атомной и ядерной физики характер. Иными словами, здесь не приходится рассматривать каких-то новых, еще неизвестных механизмов излучения и поглощения. Та же специфика, которая возникает в рентгеновской и гамма-
*) Условно будем называть рентгеновскими или Х-лучами фотоны с энергией 100 < Ex < IO5 эВ (длины волны % & 12 400/(?х (эВ)) А примерно от 100 до 0,1 А). Однако излучение, испускаемое атомными ядрами, даже при ?х SS Ey < 105эВ также принято называть улУчами- Энергия рентгеновских и гамма-фотонов обозначается ниже через Ex и E , но иногда под E понимается энергия любого жесткого фотона (в X и Y областях).
437 астрономии, связана в первую очередь с тем, что в лаборатории обычно имеют дело с рассеянием жестких фотонов на медленных электронах, а в космосе большую роль играет рассеяние электронов высокой энергии на оптических и радиофотонах. Существуют, конечно, и другие особенности, но во всех известных случаях они касаются конкретной обстановки или параметров, характеризующих задачу, а не самого существа обсуждаемых элементарных процессов. Следовательно, когда речь идет об элементарных процессах, важных в области рентгеновской и гамма-астрономии, картина может считаться достаточно ясной.
К образованию рентгеновских и гамма-фотонов приводят следующие процессы:
1. Тормозное излучение электронов и позитронов (ниже, кроме известных исключений, позитроны отдельно упоминаться не будут).
Здесь имеются в виду соударения электронов с различными ядрами, а также другими электронами, при которых и падающий и рассеянный электроны принадлежат непрерывному спектру, а состояние рассеивающей частицы, если не говорить об отдаче, не изменяется.
Частица с кинетической энергией Ek может испускать тормозной фотон лишь с энергией Ex, v s=S Ek (для простоты имеем в виду столкновение с достаточно тяжелой покоящейся частицей; при учете отдачи ЕХ,У-<ЕК). Тем самым ясно, что нерелятивистские электроны могут порождать в результате тормозного механизма только рентгеновские лучи. Релятивистские электроны способны давать и гамма-фотоны. Для релятивистских протонов и ядер с массой M интенсивность тормозного излучения на ядрах в (М/т)2 ^ 3,4-IO6 раз меньше, чем для электронов с той же полной энергией. Поэтому, если речь идет о тормозном излучении на ядрах, то обычно имеются все основания ограничиться учетом тормозного излучения электронов. В веществе, однако, имеются не только ядра, но и электроны (например, атомарные электроны), которые могут ускоряться падающей частицей (об этом процессе говорят как об отдаче или об образовании б-электронов). Такие б-электроны образуются примерно одинаково при движении в веществе как быстрых электронов, так и протонов. Поэтому при учете излучения, возникающего при образовании б-электронов, тормозное излучение протонов может оказаться значительным [237]. Тормозным можно считать также излучение, сопровождающее появление электронов и позитронов при л± —* Hi-э- е—распаде.
Ниже мы отнюдь не собираемся останавливаться на всех аспектах теории тормозного излучения. Рассмотрены будут только два случая: тормозное излучение равновесной нерелятивистской плазмы и тормозное излучение релятивистских электронов.
2. Рекомбинационное и характеристическое рентгеновское излучение, возникающее при переходах электрона с уровня в не-
438 прерывном спектре на атомный уровень или при его переходе с одного атомного уровня на другой.
По астрофизической терминологии речь идет соответственно о свободно-связанных и связано-связанных переходах электрона, тогда как тормозное излучение по такой терминологии отвечает свободно-свободным переходам. Процессы типа 2 будут лишь бегло затронуты в этой главе.
3. Комптоновсчое рассеяние релятивистских электронов на рентгеновских, оптических Vt радиофотонах.
Этот процесс уже упоминался ранее (см., например, гл. 16). Возможны разные соотношения между энергиями падающих и рассеянных частиц, но рассматриваться будет лишь случай
?>?Y»e ф, (17.1)
где Е, Ey и Єф — энергия (в «лабораторной», т. е. связанной с Землей или Галактикой системе отсчета) соответственно первичного электрона, рассеянного у- или Х-фотона и первичного фотона; в большинстве случаев энергия бф относится к области оптического (єф ~ 1 эВ) или реликтового теплового радиоизлучения (Єф ~ IO-3 эВ, К <~ 1 мм), но интересно также рассеяние электронов на космических же рентгеновских лучах (в этом случае Єф ~ IO2—IO4 эВ и в результате рассеяния образуются гамма-лучи) и на радиофотонах, скажем, синхротронного происхождения (при этом Єф ~ IO-5— Ю-7 эВ, Я ~ 10 см — 10 м и в результате рассеяния появляются рентгеновские и оптические фотоны).
