Encyklopædi

Strålingstransport og resonansspredning


Strålingstransport

Når lyspartikler, eller fotoner, bevæger sig gennem det tomme rum, sker det altid med "lysets hastighed", c. Hvis lyset bevæger sig ind i et andet medium, f.eks. luft eller vand, sænkes hastigheden pga. vekselvirkning med atomerne i mediet. Samtidig ændrer det retning; jo kortere bølgelængde, jo mere afbøjes lyset. Da blåt lys har kortere bølgelængde end rødt lys, vil en lysstråle med alle mulige bølgelængder (hvidt lys, som fra Solen) blive spredt ud i et spektrum af smukke farver.

Hvis en enkelt foton rammer et atom kan den blive fuldstændigt absorberet og overføre dens energi til atomet. Den absorberede energi kan så få atomet til at bevæge sig, eller den kan excitere en af de elektroner, der ligger i kredsløb om atomkernen til en højere energitilstand. Har fotonen energi nok, kan den endda ionisere atomet, dvs. sparke en elektron helt væk. Et exciteret atom vil på et tidspunkt de-excitere, evt. gennem flere step, og udsende fotoner med energier svarende til de forskellige energistep, indtil det når grundtilstanden igen.

Hvis en foton rammer et støvkorn kan den blive reflekteret, eller spredt, eller den kan blive absorberet. Energien går så til at varme støvkornet op, der langsomt vil afkøle ved at udsende energien i flere lav-energi, infrarøde fotoner.

Teorien der beskriver disse processer, dvs. hvad der sker med lyset når det rejser gennem et medium, kaldes strålingstransport. I simple tilfælde kan det løses nemt, i andre tilfælde kan det være umuligt med mindre man gør kraftige simplifikationer.

Spektrum: En stråle af parallelle fotoner af alle bølgelængder vil blive spredt forskellige retninger når det bevæger sig ind i, f.eks., en prisme, som illustreret på coveret af Pink Floyds Dark Side of the Moon (kredit: Harvest Records/Capitol Records/Hipgnosis/George Hardie).

Resonansspredning

Hvis en fotons energi svarer (næsten) præcist til energiforskellen mellem et atoms grundtilstand og den laveste (første) exciterede tilstand, så vil atomet, når det de-exciteres, udsende en foton med (næsten) samme energi, men i en tilfædig retning. Dette kaldes resonansspredning, fordi fotonen er i resonans med atom-overgangen, eller linien. Hvis fotonen har en anelse kortere eller længere bølgelængde vil den simpelthen passere lige igennem atomet.

Det mest berømte eksempel på dette er hydrogens (brints) Lyman α linie. Denne foton udsendes i rigt mål fra neutral hydrogen, der udgør mere end 90% af alle atomer i Universet. En foton oprindeligt udsendt dybt inde i en sky af atomer, med hvilke den er i resonans, kan ikke rejse særlig langt før den absorberes og udsendes igen med det samme i en anden retning. Derfor kan det tage meget lang tid for fotonen at slippe ud.

Fotonens bølgelængde kan dog ændre sig langsomt alligevel: En foton med kortere bølgelængde (blå i figuren til højre) bliver alligevel spredt, hvis atomet bevæger sig væk fra den indkommende foton med en bestemt hastighed u svarende til at i atomets referenceramme vil Dopplereffekten forskyde fotonens bølgelængde tæt til resonansen. I atomets referenceramme udsendes fotonen med samme bølgelængde, men hvis f.eks. retningen er modsat u, så vil fotonen, set udefra (den globale referenceramme) se ud til at blive udsendt med en længere bølgelængde (rød i figuren).

Dette gør beregninger af resonansspredning notorisk svære.

Illustration af hvordan resonansspredning kan ændre ikke bare en fotons retning, men også dens bølgelængde.