Полярные сияния

Как было сказано выше, электрон в атоме всегда стремится уменьшить свою собственную энергию — перейти на более низкий энергетический уровень (на рис. это показано стрелками). Каждый такой переход сопровождается излучением света с определенной частотой (т. е. определенной энергией). Переходы электрона на один и тот же уровень с разных уровней с большей энергией составляют серию излучаемых квантов; частота излучаемого света в данной серии может быть рассчитана по довольно простым формулам. Эти серии имеют свои названия (в честь их открывателей). Так, первая серия в атоме водорода называется серией Лаймана и обозначается буквой L с индексами , , , вторая — серией Бальмера — буквой Н с аналогичными индексами и т. д.

Рис. 53. Схема энергетических уровней атомов водорода

Показанная на рис. 53 схема энергетических уровней очень упрощена даже для случая одного орбитального электрона. Если атом поместить в сильное магнитное поле, то энергетические уровни расщепляются. Это можно определить по тому, какой частоты свет, излучаемый атомом. Если он излучен на какой-либо определенной частоте, то в сильном магнитном поле появится излучение па частотах, которые меньше и больше ее.

Энергетические уровни атомных электронов обладают еще одним свойством: вероятность перехода электронов на разные уровни различна. Некоторые уровни, соответствующие таким значениям энергии, которые электроны принимают очень неохотно, с малой вероятностью, называются запрещенными.

Электроны, как уже говорилось, стремятся приблизиться по-возможности ближе к ядру, но при этом им приходится отдавать лишнюю энергию в виде излучения. В обратной ситуации электрон поглощает квант (порцию) света. Тогда его энергия увеличивается, и он вынужден переселиться на более удаленную от ядра орбиту. Атом с таким электроном называется возбужденным. В этом состоянии атом долго находиться не может: как правило, через 1*10^{– 8} с этот электрон излучает лишнюю порцию света, возвращаясь при этом в свое основное, нормальное состояние, т. е. на прежний свой энергетический уровень.

Дело обстоит иначе, когда электрон находится на запрещенном энергетическом уровне. Энергетический уровень, с которого запрещены переходы на более низкие, называется метастабильным, или почти стабильным. Переход электрона, находящегося на этом уровне, на более низкие маловероятен. Но этот электрон может перейти на более высокий энергетический уровень, если поглотит соответствующий квант света. Возможна ситуация, когда электрон после этого переходит на более удаленный уровень (с большой энергией), который является метастабильным. Таким путем электрон оказывается как бы «загнанным» на уровень, уйти из которого ему очень сложно: вероятность перехода из метастабильного уровня на более низкие энергетические уровни очень мала (т. е. для этого необходимо весьма продолжительное время).

Основным объектом при изучении полярных сияний является излучаемый при этом свет (его интенсивность, частота). Все излучение, включающее различные цвета (т. е. различные частоты), принято называть спектром излучения. Он может быть непрерывным, т. е. иметь все частоты. В видимом участке спектра это выражается в плавном переходе одного цвета в другой. Спектр излучений может состоять из излучения с определенными частотами. Если его зарегистрировать спектроскопом, то излучению определенной частоты будет соответствовать одна линия. Поэтому такой спектр назвали линейчатым. Он получается при излучении газов, которые состоят из атомов.

Если иметь дело с излучением не атомов, а молекул, то картина энергетических уровней сильно усложняется. В этом случае излучается свет не с определенными дискретными частотами, а в определенных диапазонах (полосах), где излучение непрерывное. Такой спектр излучения называется полосчатым. С частотой связано и количество энергии, содержащееся в данном излучении. Чем больше частота, тем больше энергия кванта света. Частота, умноженная на постоянную величину (постоянную Планка), дает величину энергии данного кванта излучения.

Всякое излучение характеризуется или частотой или длиной волны. Видимый и невидимый свет, рентгеновские лучи и радиоволны имеют одну и ту же физическую природу. Все это — электромагнитные волны, которые отличаются друг от друга только частотой или длиной волны. Все эти излучения представляют непрерывный спектр электромагнитных колебаний (рис. 54). Если рассматривать весь спектр электромагнитного излучения, то длины волн будут изменяться от сотен километров до миллионных долей миллиметра. Отметим, что человеческий глаз способен воспринимать только незначительную часть всего спектра электромагнитного излучения, которое пронизывает все окружающее нас пространство. Это диапазон с длинами волн от 7600 A (темно-красный цвет) до 3800 A (фиолетовый цвет).

Как известно, по частоте (или длине волны) излучения, которое порождает данный атом, можно определить, какому химическому элементу он принадлежит. Это значит, что, находясь на поверхности Земли и регистрируя излучение атмосферных газов на высотах в сотни километров, можно выяснить химический состав этих газов. Такой способ определения химического состава называется спектральным анализом, поскольку в данном способе анализируется спектр излучения данного вещества.

Методом спектрального анализа был определен не только химический состав верхней атмосферы (который до запуска ракет и спутников не мог быть исследован прямыми методами), но и химический состав фотосферы Солнца. Основные результаты исследования полярных сияний получены, как уже отмечалось, путем анализа спектра излучения атмосферных газов.

Рис. 54. Спектр электромагнитных излучений

На верхней границе земной атмосферы взаимодействие энергичного электрона с атомами атмосферного газа мало эффективно. Во-первых, электрон движется очень быстро и не успевает взаимодействовать с атомами. Во-вторых, плотность атмосферы там очень мала и вероятность того, что электрон встретит на своем пути атом, также невелика. По мере углубления энергичного электрона в атмосферу ситуация постоянно меняется: плотность атмосферы быстро увеличивается, а энергия электрона постепенно уменьшается. Электрон при каждом своем столкновении с нейтральным атомом выбивает из него по одному орбитальному электрону. Нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион. Выбитый электрон уходит из атома и становится свободным. Если этот электрон выбит не из внешнего уровня, то его место займет более внешний электрон. Мы уже говорили, что этому электрону надо отдать излишек энергии в виде излучения кванта света. На один акт ионизации (отрыв одного электрона из атома) энергичный электрон тратит строго определенную долю энергии и продолжает лететь дальше, пока не встретит очередной атом. Так, один энергичный электрон па своем пути способен ионизовать десятки атомов атмосферного газа. Чаще всего происходит отрыв одного электрона из атома. Если из атома оторваны два орбитальных электрона, то этот атом дважды ионизован. В атмосфере почти все ионы являются однократно ионизованными атомами.

Когда энергичный электрон взаимодействует с атомом, то происходит не только ионизация атома, но и его возбуждение. Как говорилось выше, атом не может долго находиться в возбужденном состоянии. Орбитальный электрон из возбужденного уровня переходит па свой обычный энергетический уровень, излучая при этом квант света. Это излучение и есть полярное сияние. Таким образом, все основные мощные эмиссии (излучения) полярных сияний возникают в основном в результате ударного возбуждения заряженными энергичными частицами (электронами и протонами). Как только заряженная частица сталкивается с атомом атмосферы, он сразу переходит в возбужденное состояние и испускает квант света. Тогда мы можем с поверхности Земли наблюдать полярные сияния.

Насколько эффективно энергичные заряженные частицы воздействуют на атомы и молекулы атмосферы зависит от их скорости. Если скорости электронов, протонов и ионов равны, то и эффективность их воздействия одинаковая. Но ионы и протоны в тысячи раз тяжелее электрона. Поэтому при равных скоростях энергии протона и иона в тысячи раз больше энергии электрона.

Хорошо установлено, что быстрые электроны образуют в воздухе около трех пар ионов на каждые 100 эВ первоначальной энергии. Таким образом, электрон с энергией 1 кэВ при полном израсходовании этой энергии образует около 30 пар ионов.