Страница 395 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Почему горячие звёзды возбуждают свечение диффузных (планетарных) туманностей, а холодные нет?

Решение

Свечение диффузных и планетарных туманностей, которые состоят в основном из газа (преимущественно водорода), является результатом процесса, называемого флуоресценцией, который возбуждается мощным ультрафиолетовым излучением от центральной звезды. Этот процесс можно разбить на несколько ключевых этапов:

1. Ионизация газа. Чтобы газ начал светиться, его атомы должны быть ионизированы, то есть у них необходимо отнять внешние электроны. Для ионизации атома водорода, находящегося в основном состоянии, требуется энергия не менее $13.6 \text{ эВ}$ (электронвольт). Энергия фотона $E$ связана с его длиной волны $ \lambda $ соотношением $E = \frac{hc}{\lambda}$, где $h$ — постоянная Планка, а $c$ — скорость света. Энергии в $13.6 \text{ эВ}$ соответствует фотон с длиной волны около $91.2 \text{ нм}$, что относится к жёсткому ультрафиолетовому диапазону спектра.

2. Спектр излучения звезды. Характер излучения звезды напрямую зависит от её температуры поверхности. Согласно закону смещения Вина, длина волны, на которую приходится максимум излучения звезды, обратно пропорциональна её абсолютной температуре $T$: $ \lambda_{max} = \frac{b}{T} $, где $b$ — постоянная Вина.

• Горячие звёзды (спектральных классов O и B) имеют очень высокую температуру поверхности, часто превышающую $25 \ 000 \text{ K}$. Максимум их излучения приходится на коротковолновую, ультрафиолетовую часть спектра. Они испускают огромное количество фотонов с энергией, достаточной для ионизации водорода ($E > 13.6 \text{ эВ}$) и других элементов в окружающей туманности.
• Холодные звёзды (например, красные гиганты или карлики класса M) имеют температуру поверхности значительно ниже, обычно менее $4 \ 000 \text{ K}$. Максимум их излучения смещён в длинноволновую область — видимый красный и инфракрасный диапазоны. Они производят очень мало ультрафиолетовых фотонов, и энергия подавляющего большинства их фотонов недостаточна для ионизации атомов газа в туманности.

3. Рекомбинация и свечение. Когда высокоэнергетичный ультрафиолетовый фотон от горячей звезды поглощается атомом водорода, электрон выбивается из атома. Образуются ионы водорода (протоны) и свободные электроны. Впоследствии эти электроны могут рекомбинировать — то есть снова захватываться протонами. При захвате электрон, как правило, не сразу возвращается на основной энергетический уровень, а переходит по более высоким уровням, спускаясь "каскадом". Каждый такой переход с более высокого уровня на более низкий сопровождается испусканием фотона со строго определённой энергией, что и создаёт видимое свечение туманности в виде набора ярких эмиссионных линий (например, знаменитая красная линия водорода $H_{\alpha}$ возникает при переходе электрона с 3-го на 2-й энергетический уровень).

Таким образом, горячие звёзды выступают в роли мощного источника ионизирующего излучения, которое "накачивает" энергией газ туманности, заставляя его светиться. Холодные звёзды не способны запустить этот процесс из-за недостаточной энергии их излучения.

Ответ: Горячие звёзды имеют высокую температуру и испускают большое количество высокоэнергетичных ультрафиолетовых фотонов. Эти фотоны ионизируют газ туманности (в основном водород), а последующая рекомбинация электронов и ионов вызывает его свечение. Холодные звёзды излучают преимущественно в видимом и инфракрасном диапазонах, и энергия их фотонов недостаточна для ионизации газа, поэтому они не могут возбудить его свечение.