Beitrag zur Astrospektroskopie 8.7 - UrsusMajor

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Beitrag zur Spektroskopie für Amateurastronomen 97 22.7 Linienemission durch Stossanregung Trifft ein Elektron das Ion nicht zentral, kommt es zu keiner Rekombination, sondern zur viel häufigeren Stossanregung. Ist die Stossenergie ≥ , wird ein internes Elektron kurzzeitig auf ein höheres Niveau angehoben. Es wird bei Erlaubten Übergängen umgehend wieder auf einen tiefer liegenden Term zurückfallen und dabei, entsprechend der Energiedifferenz, ein Photon mit der diskreten Frequenz abstrahlen. Anmerkung: Ähnlich verläuft dieser Prozess in Leuchtstoffröhren mit niedrigem Gasdruck. Dort erreichen die Elektronen durch die n=1 angelegte Spannung Energien von mehreren Elektronenvolt [eV] und regen Quecksilberatome zur UV Strahlung an. In dichten Gasen, erfolgt die Anregung hauptsächlich durch Stösse zwischen den thermisch angeregten Atomen oder Molekülen. Stossanregung 22.8 Linienemission durch Erlaubte Übergänge nach Direktabsorption In H II Regionen haben Emissionsnebel mit Zentralsternen der frühen O-Klasse (z.B. M42, O6) Strömgrensphären mit Durchmessern von mehreren Lichtjahren, wodurch das Strahlungsfeld der zentralen Sterngiganten extrem „verdünnt“ wird. So wird speziell in den Aussenbezirken des Nebels die Wahrscheinlichkeit extrem klein, dass die Energie eines Photons z.B. exakt zum Anregungsniveau eines Wasserstoffatoms passt. Von der Direktabsorption eines Photons kann hier deshalb kein nennenswerter Beitrag an die Linienemission erwartet werden [222]. Der Strahlungsschwerpunkt der Photonen liegt zudem im UV Bereich. Dadurch werden viele Atome sofort ionisiert, sobald die Energie der auftreffenden Photon Photon Photonen oberhalb ihrer Ionisationsgrenze liegt. Eine nennenswerte Linienemission ist deshalb bei Erlaubten Übergängen nur über den Rekombinationsprozess möglich. Wasser- stoff und Helium, die Hauptakteure der Erlaubten Übergänge, erscheinen im Spektrum nur deshalb so intensiv, weil sie um mehrere Grössenordnungen häufiger vorkommen als die restlichen Elemente im Nebel. Die Häufigkeit eines spezifischen Elektronenübergangs bestimmt auch die relative Intensität der entsprechenden Spektrallinie. 22.9 Linienemission durch Verbotene Übergänge ΔE n Elektron Direktanregung Emissionsnebel enthalten verschiedene Sorten von Metallionen, die meisten mit mehreren Valenzelektronen auf der Aussenschale. Dies verursacht elektrische und magnetische Wechselwirkungen, und vervielfacht die möglichen Energiezustände. Die Term Schemas (oder Grotrian Diagramme) werden dadurch extrem komplex und enthalten auch sog. „Verbotene Übergänge“ (Kap. 12). Für diese herrschen in den extrem dünnen Nebeln ideale Voraussetzungen, weil hier die fragilen, von mehreren Sekunden bis zu Duzenden von Minuten dauernden, metastabilen Zustände nur selten vorzeitig durch Stösse beendet werden [222]. Zuerst müssen aber die Metallatome auf die entsprechende Stufe ionisiert werden. Dies erfordert hochenergetische UV Photonen. Die entsprechenden Energien [eV, λ] sind in der folgenden Tabelle im Vergleich zu Wasserstoff und Helium aufgeführt. Je höher die erforderliche Ionisationsenergie, desto dichter am Stern liegt der Erzeugungsschwerpunkt der Ionensorte, was als „Stratifikation“ bezeichnet wird [10], [201]. Photon
Beitrag zur Spektroskopie für Amateurastronomen 98 Ion [S II] [N II] [O III] [Ne III] [O II] H II He II He III E [eV] 10.4 14.5 35.1 41.0 13.6 13.6 24.6 54.4 λ [Å] 1193 855 353 302 911 911 504 227 Die Verbotenen Übergänge dieser Metallionen benötigen hingegen zur Besetzung der Ausgangsterme ab dem Grundzustand nur wenige Elektronenvolt [eV]. Dieser geringe Energiebetrag wird durch die häufig auftretende Stossanregung freier Elektronen reichlich geliefert! Im Vergleich dazu wäre bei der erlaubten Linie ab dem Grundzustand mindestens 12.1 eV erforderlich (n1 – n3). Dazu sind die Elektronen im Nebel um etwa eine Grössenordnung zu langsam (siehe Diagramm unten). Dies begründet auch die starke Intensität der verbotenen-, im Vergleich zu den erlaubten Übergängen. Diese Metallionen werden in Modellrechnungen als „Kühler“ bezeichnet [237] weil sie durch die hocheffektive Linienemission wesentlich zur Nebelkühlung und zum thermischen Gleichgewicht beitragen. Die folgende Grafik zeigt die relevanten Ausschnitte aus den komplexen Term Schemas [10], [222]. Für die wichtigsten Metallionen sind die erforderlichen Anregungsenergien und die Wellenlängen der möglichen „verbotenen“ Emissionen dargestellt. [eV] 7 6 5 4 3 2 1 0 6731 6717 10338 10373 10278 10320 4076 4068 6583 6548 5755 3071 3063 5007 4959 4932 [S II] [N II] [O III] [Ne III] [O II] 4363 Das folgende Diagramm zeigt nach Gieseking [222] die asymmetrische, maxwellsche Verteilung der Elektronengeschwindigkeiten für vergleichsweise „kühle“ und „heisse“ Nebel mit Te 10‘000K und 20‘000K. Relative Häufigkeit Kinetische Energie [eV] 4014 3967 3869 3344 1815 1794 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Elektronengeschwindigkeit [km/s] 3729 3726 7331 7319.6 7330 7318.6 0 0.25 0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0.86 eV 1.72 eV 2.5 eV O III 5007/4959/ 4932 5.3 eV O III 4363
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