第5章放射とスペクトルRadiation and Spectra

We have described how certain discrete amounts of energy can be absorbed by an atom, raising it to an excited state and moving one of its electrons farther from its nucleus. If enough energy is absorbed, the electron can be completely removed from the atom—this is called ionization. The atom is then said to be ionized. The minimum amount of energy required to remove one electron from an atom in its ground state is called its ionization energy.

ここまで、原子が特定の飛び飛びのエネルギーを吸収し、励起状態へ上がるとともに、電子の一つを原子核から遠ざけることを説明してきた。十分なエネルギーを吸収すれば、電子は原子から完全に取り除かれる。これを「電離」と呼び、原子は電離したという。基底状態の原子から電子を1個取り除くために必要な、最小のエネルギー量を、その原子の「電離エネルギー」という。

Still-greater amounts of energy must be absorbed by the now-ionized atom (called an ion) to remove an additional electron deeper in the structure of the atom. Successively greater energies are needed to remove the third, fourth, fifth—and so on—electrons from the atom. If enough energy is available, an atom can become completely ionized, losing all of its electrons. A hydrogen atom, having only one electron to lose, can be ionized only once; a helium atom can be ionized twice; and an oxygen atom up to eight times. When we examine regions of the cosmos where there is a great deal of energetic radiation, such as the neighborhoods where hot young stars have recently formed, we see a lot of ionization going on.

電離してイオンとなった原子から、構造のさらに深いところの電子をもう1個取り除くには、なお大きなエネルギーを吸収させなければならない。3個目、4個目、5個目と電子を取り除くには、順々に大きなエネルギーが必要になる。十分なエネルギーがあれば、原子はすべての電子を失って、完全に電離することができる。水素原子は失う電子が1個しかないため、1回しか電離できない。ヘリウム原子は2回、酸素原子は最大8回まで電離できる。高温の若い恒星が最近できた近隣のように、エネルギーの高い放射が大量にある宇宙の領域を調べると、電離が盛んに起きているのがわかる。

An atom that has become positively ionized has lost a negative charge—the missing electron—and thus is left with a net positive charge. It therefore exerts a strong attraction on any free electron. Eventually, one or more electrons will be captured and the atom will become neutral (or ionized to one less degree) again. During the electron-capture process, the atom emits one or more photons. Which photons are emitted depends on whether the electron is captured at once to the lowest energy level of the atom or stops at one or more intermediate levels on its way to the lowest available level.

正に電離した原子は、負の電荷である電子を失ったため、差し引きして正の電荷が残っている。そのため、自由電子には強い引力を及ぼす。やがて1個以上の電子が捕まり、原子は再び中性になるか、電離の段階が一つ下がる。電子を捕獲する過程で、原子は1個以上の光子を放出する。どの光子が出るかは、電子が一度に原子の最低エネルギー準位へ捕まるか、それとも最も低い空いた準位へ向かう途中で、一つ以上の中間準位にとどまるかによって決まる。

Just as the excitation of an atom can result from a collision with another atom, ion, or electron (collisions with electrons are usually most important), so can ionization. The rate at which such collisional ionizations occur depends on the speeds of the atoms and hence on the temperature of the gas—the hotter the gas, the more of its atoms will be ionized.

原子の励起が、別の原子、イオン、電子との衝突によって起こりうるのと同じように、電離も衝突によって起こりうる。通常は電子との衝突が最も重要である。このような衝突電離が起きる率は、原子の速さ、したがって気体の温度に依存する。気体が高温であるほど、より多くの原子が電離する。

The rate at which ions and electrons recombine also depends on their relative speeds—that is, on the temperature. In addition, it depends on the density of the gas: the higher the density, the greater the chance for recapture, because the different kinds of particles are crowded more closely together. From a knowledge of the temperature and density of a gas, it is possible to calculate the fraction of atoms that have been ionized once, twice, and so on. In the Sun, for example, we find that most of the hydrogen and helium atoms in its atmosphere are neutral, whereas most of the calcium atoms, as well as many other heavier atoms, are ionized once.

イオンと電子が再結合する率も、両者の相対的な速さ、つまり温度に依存する。加えて、気体の密度にも依存する。密度が高いほど、異なる種類の粒子がより密に集まっているので、再捕獲の可能性が高くなる。気体の温度と密度がわかれば、1回、2回という各段階まで電離した原子の割合を計算できる。たとえば太陽では、大気中の水素原子とヘリウム原子の大部分は中性だが、カルシウム原子の大部分は、ほかの多くの重い原子と同じく、1回電離していることがわかる。

The energy levels of an ionized atom are entirely different from those of the same atom when it is neutral. Each time an electron is removed from the atom, the energy levels of the ion, and thus the wavelengths of the spectral lines it can produce, change. This helps astronomers differentiate the ions of a given element. Ionized hydrogen, having no electron, can produce no absorption lines.

電離した原子のエネルギー準位は、同じ原子が中性のときの準位とは、まったく異なる。電子が1個取り除かれるたびに、イオンのエネルギー準位が変わり、したがって作れるスペクトル線の波長も変わる。このことは、同じ元素の異なるイオンを、天文学者が見分ける助けになる。電離した水素は電子を持たないので、吸収線を作れない。

When electrons move from a higher energy level to a lower one, photons are emitted, and an emission line can be seen in the spectrum. Absorption lines are seen when electrons absorb photons and move to higher energy levels. Since each atom has its own characteristic set of energy levels, each is associated with a unique pattern of spectral lines. This allows astronomers to determine what elements are present in the stars and in the clouds of gas and dust among the stars. An atom in its lowest energy level is in the ground state. If an electron is in an orbit other than the least energetic one possible, the atom is said to be excited. If an atom has lost one or more electrons, it is called an ion and is said to be ionized. The spectra of different ions look different and can tell astronomers about the temperatures of the sources they are observing.

電子が高いエネルギー準位から低い準位へ移ると、光子が放出され、スペクトルに輝線が見える。電子が光子を吸収して高い準位へ移るときには、吸収線が見える。原子はそれぞれ固有のエネルギー準位の組を持つので、固有のスペクトル線の並びと結びついている。そのため、恒星や、恒星の間にあるガスと塵の雲に、どの元素が存在するかを特定できる。最も低いエネルギー準位にある原子は、基底状態にある。電子が、可能な中で最も低エネルギーの軌道以外にいると、原子は励起されたという。電子を1個以上失った原子はイオンと呼ばれ、電離したという。異なるイオンのスペクトルは異なって見え、観測する発生源の温度を知る手がかりとなる。