1. Trang chủ >
  2. Luận Văn - Báo Cáo >
  3. Thạc sĩ - Cao học >
Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
2Các loại bức xạ trong môi trường liên sao

2Các loại bức xạ trong môi trường liên sao

Tải bản đầy đủ - 0trang

12



Hình 1.5.Độ phong phú của các nguyên tố trong tia vũ trụ (đường in đậm) so

với tia vũ trụ đến từ thiên hà (đường mảnh)[13].

Tia X: Được phát ra trong vùng khí nóng của mơi trường liên sao do các điện

tử bị kích tích nhảy lên các mức năng lượng phía trên, lúc này các electron lớp trên sẽ

chiếm những lỗ trống vừa tạo ra và phát tia X. Sự kích thích này đến từ việc hấp thụ

photon hoặc va chạm với các điện tử tự do. Các tia X cũng đến từ các siêu tân tinh.

Tia gamma: phát ra do sự tương tác của tia vũ trụ với môi trường liên sao theo

ba cơ chế:

(a) Tương tác với hạt nhân: sự va chạm giữa các hạt mang điện là tia vũ trụ và

nhân của các nguyên tử, phân tử trong mơi trường liên sao sẽ giải phóng tia gamma

thơng qua hạt trung gian là meson π0. Xem như các tương tác của proton và hạt alpha

là không đáng kể thì trong tia vũ trụ với đa số là proton và vật chất liên sao sẽ tương

tác theo kiểu p - p và tạo ra các meson π±, π0. Những pion mang điện sẽ phân rã thành

muon (µ±) và neutrino; các muon này lại phân rã thành electron và positron tương ứng

với điện tích của chúng. Các pion trung hòa phân hủy thành hai gamma với năng

lượng bằng nhau [13].

(b) Phát bức xạ hãm (Bremsstrahlung): những điện tử năng lượng cao trong tia

vũ trụ đi vào vùng ảnh hưởng của hạt nhân các nguyên tử trong ISM và bị đổi hướng

do điện trường hạt nhân. Sự thay đổi này như một cơ chế hãm điện tử; một photon

gamma sẽ được tạo ra đúng bằng sự chênh lệch năng lượng sau khi điện tử bị hãm.

Các bức xạ hãm có phổ năng lượng liên tục.



13



(c) Tán xạ ngược Compton: do sự tán xạ khơng đàn hồi của các photon có năng

lượng thấp lên các electron năng lượng cao tạo ra các photon ở mức năng lượng

gamma. Các va chạm này tuân theo hiệu ứng Sunyaev-Zel'dovich (SZ) tức là các

photon - thường đến từ bức xạ phông nền vũ trụ (microwave background radiation) và đi qua ISM bị tán xạ bởi các electron năng lượng cao trong khí và làm chệch hướng

các photon. Hiệu ứng này còn được quan sát thấy ở đĩa bồi tụ của các lỗ đen trong vũ

trụ.

1.2.1Ảnh hưởng của các bức xạ trong ISM đến vật chất trong nó

Trong một mơi trường liên sao thường xảy ra sự cân bằng nhiệt động lực học

giữa các vùng. Chuyển động nhiệt của các hạt trong môi trường liên sao tuân theo

phân bố Maxwell - Boltzmann.

Trong môi trường liên sao thường có những vùng nhiệt độ chênh lệch. Tia vũ

trụ năng lượng thấp là tác nhân chủ yếu để làm nóng vật chất trong môi trường liên

sao. Chúng tương tác với vật chất trong môi trường liên sao bằng cách bỏ năng lượng

mà nó mang dưới dạng động năng để ion hóa và kích thích phân tử; đồng thời còn

tương tác với các điện tử tự do thông qua trường Coulomb. Tia vũ trụ tương tác với vật

chất liên sao không những làm tăng nhiệt độ mà còn bẻ gãy các liên kết của các hợp

chất hữu cơ tồn tại trong mơi trường liên sao, kích thích chúng phát ra các phổ trong

dải bước sóng hồng ngoại.

Tia tử ngoại phát ra từ những ngơi sao mới hình thành cũng tác động lên các hạt

bụi, khí trong mơi trường liên sao. Các photon tử ngoại tương tác với vật chất liên sao,

đột phá các rào thế nguyên tử và tách các electron ra khỏi chúng dưới dạng động năng.

Đối với các hạt vật chất nhỏ, khơng có cấu trúc phức tạp thì q trình tương tác của tia

cực tím là chiếm ưu thế và là nguyên nhân chủ yếu trong việc làm nóng các vùng mây

khí liên sao. Một cơ chế kèm theo là các electron bắn ra do tương tác của tia cực tím

với vật chất; các electron này mang một năng lương bằng năng lương tia cực tím trừ đi

năng lượng ion hóa và thể hiện dưới dạng động năng. Sự va chạm của các điện tử này

trong không gian liên sao sẽ sinh nhiệt. Quá trình này chiếm ưu thế chủ yếu trong vùng



14



HII, nhưng không đáng kể trong vùng mây khuếch tán do sự thiếu thốn các nguyên tử

carbon trung hòa trong vùng này.

Ngồi ra các ngun tử hydro tồn tại trên bề mặt các hạt bụi, hoặc do bị bẻ gãy

liên kết do tương tác với tia vũ trụ cũng có thể gặp nhau và tổ hợp lại thành các phân

tử hydro. Năng lượng sinh ra trong quá trình này khoảng 4,48 eV và tồn tại dưới chế

độ quay và dao động của phân tử hydro. Năng lượng này là năng lượng phát ra do

nhảy mức kích thích của phân tử hydro thơng qua va chạm và sinh nhiệt.

Trong vùng mây khí có mật độ cao, sự chuyển động và va chạm giữa các phân

tử khí với các hạt bụi cũng sẽ được chuyển đổi dưới dạng nhiệt. Cơ chế này gọi là

grain - gas heating, chúng chiếm ưu thế trong vùng tàn dư của những vụ nổ siêu tân

tinh, nơi có nhiệt độ và mật độ vật chất rất cao. Trong những vùng khác có mật độ và

nhiệt độ thấp gồm các phân tử nhẹ, sự phát tia X và ion hóa thứ cấp do các electron

quang điện gây ra cũng góp phần sinh nhiệt cho vật chất. Những ảnh hưởng khác như

gió sao, sự sụp đổ hấp dẫn, các vụ nổ sao cũng gây ra sự thay đổi trong cân bằng nhiệt

động của môi trường liên sao.

1.2.2Cơ chế phát xạ hồng ngoại của vật chất hữu cơ

Các phân tử vật chất hữu cơ thông thường có chứa có chứa rất nhiều các liên

kết hóa học dạng liên kết đơn như C-H, liên kết đôi như C=C và những liên kết bội ba.

Những liên kết này tạo thành dao động phân tử với mức năng lượng khác nhau (xem

hình 1.6). Các kiểu dao động có thể xảy ra là dao động dạng biến dạng nén giãn

(stretching mode), dao động dạng biến dạng uốn (bending mode) và dao động lệch

khỏi mặt phẳng (out-of-plane). Trong quá trình thay đổi trạng thái dao động trong các

liên kết này, chúng có thể hấp thụ hoặc bức xạ ra các photon trong các vùng xác định

(hình 2.3); trong đó chúng tơi quan tâm chủ yếu đến vùng hồng ngoại.

Trong thực nghiệm người ta thu được các dải phổ hồng ngoại của phân tử bằng

máy quang phổ và thấy rằng các phân tử hữu cơ hấp thụ những tần số xác định ứng với

những dao động đặc trưng về cấu trúc hóa học. Những năng lượng ứng với tần số hấp

thụ - như một sự cộng hưởng - rất khớp với các quá trình chuyển trạng thái dao động

của các liên kết hóa học. Hay nói cách khác phân tử hữu cơ chỉ hấp thụ một lượng



15



năng lượng đúng bằng năng lượng cần thiết để chuyển từ trạng thái dao động ban đầu

sang trạng thái dao động có năng lượng cao hơn, q trình phát xạ hồng ngoại có cùng

cơ chế nhưng ngược lại với quá trình hấp thụ. Những mức năng lượng này có thể ước

đốn bởi các thơng số về dạng thế bề mặt phân tử, các kiểu dao động và khối lượng

của phân tử đó.

Một phân tử hữu cơ có thể dao động (hoặc rung - vibrational mode) theo nhiều

kiểu như đã nêu ở trên. Nếu xem xét một phân tử 2 nguyên tử đơn giản thì trong phân

tử này chỉ tồn tại duy nhất một liên kết và theo đó nó chỉ thực hiện được một kiểu dao

động, ta nói chúng có 1 bậc dao động. Nếu phân tử có N ngun tử cấu thành thì

chúng sẽ có nhiều bậc dao động hơn. Cụ thể, nếu chúng là phân tử tuyến tính tức là

các nguyên tử trong phân tử sắp xếp theo một đường thẳng với góc giữa hai liên kết là

1800 thì chúng có 3N-5 bậc dao động; một phân tử phi tuyến có khoảng 3N-6 bậc dao

động [11].



Hình 1.6.Các chế độ dao động của phân tử[11].

Dựa vào phổ hồng ngoại ta có thể xác định cấu trúc liên kết của phân tử dựa

vào các đặc trưng về cường độ và vị trí. Chúng ta cũng có thể xem xét độ mạnh yếu

của một liên kết theo quy tắc Badger:độ mạnh của một liên kết tương quan với tần số

và kiểu dao động, tức là nếu liên kết càng mạnh thì tần số dao động càng cao và

ngược lại. Phổ hồng ngoại của phân tử được thu thập bằng cách cho một chùm tia

hồng ngoại với một dải tần số được tính tốn trước đi qua mẫu. Một máy thu phổ hồng

ngoại được đặt để thu những photon hồng ngoại sau khi đã đi qua mẫu. Những vị trí có



16



cộng hưởng tức là những vùng mà tần số dao động của liên kết giống như tần số của

photon hồng ngoại thì chúng sẽ hấp thụ năng lượng hồng ngoại. Một sự hao hụt năng

lượng sẽ được ghi nhận trên phổ hồng ngoại của phân tử. Chúng ta phân tích vị trí,

dạng và cường độ của các đỉnh trong quang phổ để kết luận về cấu trúc phân tử của

mẫu.



17



Chương 2 .Các mẫu vật chất hữu cơ dùng

trong nghiên cứu và quá trình chiếu xạ

mẫu.

Trong quá trình nghiên cứu, người ta sử dụng những chất hữu cơ nhân tạo

tương tự như vật chất trong môi trường liên sao. Khảo sát sự tiến hóa của các chất ấy

bằng cách chiếu xạ lên chúng các chùm ion tương tự tia vũ trụ, người ta có thể tìm

hiểu q trình tiến hóa của các vật chất trong mơi trường liên sao. Phổ hồng ngoại của

mẫu đươc thu nhận lúc ban đầu cũng như trong suốt quá trình chiếu xạ cho đến khi kết

thúc thí nghiệm. Các thơng số chiếu xạ được thiệt lập cho phù hơp với công việc mô

phỏng, một số giá trị được tính tốn mơ phỏng bằng SRIM code.



2.1Quá trình tạo mẫu

Những mẫu chất hữu cơ được sử dụng trong nghiên cứu được các nhà khoa học

Pháp nghiên cứu và tạo ra trong phòng thí nghiệm. Hai loại hợp chất hữu cơ khác nhau

đã được tạo ra ở Orsay, Pháp là: hydrogenated amorphous carbons (a-C:H hay HAC)

và bồ hóng (carbons soots).

Đối với mẫu a-C:H, người ta sản xuất nó bằng cách sử dụng hệ thống PECVD

(Palasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition). Đầu tiên, một dạng vi sóng plasma

của khí hydrocarbon ban đầu được tạo ra trong buồng chân không (áp suất được duy

trì trong khoảng 10-2 mbar) thơng qua cặp van Evenson với một máy phát vi sóng có

tần số 2.45 GHz. Khí ga ban đầu được dùng là methane hoặc butadiene. Những chất

ban đầu và các ion từ chùm plasma được lắng đọng trên một lớp chất nền (KBr hoặc

KCl) được đặt cách đó vài cm. Q trình xảy ra trong vài phút hoặc vài giờ tùy vào

điều kiện làm thí nghiệm. Cuối cùng người ta sẽ thu được một phim a-C:H dày vài

micro mét. Mẫu a-C:H gồm hai loại con là a-C:H 1 và a-C:H 2. Mẫu a-C:H 1 được sản

xuất nhờ khí gas ban đầu là methane còn mẫu a-C:H 2 thì tổng hợp từ plasma của

butadiene có bổ sung thêm argon. Mẫu a-C:H 1 có màu vàng và mẫu a-C:H 2 có màu

cam-nâu [10].



18



Một thí nghiệm khác ở Laboratoire de Photophysique Moléculaires (Orsay,

Pháp) là Nanograins dùng để sản xuất mẫu bồ hóng. Người ta dùng phản ứng đốt cháy

khơng hồn tồn một hỗn hợp giàu nhiên liệu được trộn sẵn với ngọn lửa ở áp suất

thấp (70 mbar) để tạo những phân tử hydrocarbon đa vòng thơm và mẫu bồ hóng ba

chiều [10]. Hệ thống thí nghiệm đươc lắp đặt như hình 2.1, bao gồm một buồng phản

ứng (reactor chamber) có đầu đốt (burner) làm từ thép không gỉ kiểu McKenna, làm

việc ở áp suất 50 mbar và một buồng lấy mẫu (sampling chamber) hoạt động ở áp suất

khoảng 10-2 mbar. Buồng lấy mẫu này sẽ được trang bị một ống dẫn phân tử, nơi các

sản phẩm của thí nghiệm sẽ được hình thành và đưa ra ngoài [18]. Trong buồng phản

ứng, người ta trang bị một đầu đốt có đường kính cỡ 60 mm dùng để tạo ra ngọn lửa ở

áp suất thấp, để đốt cháy một cách khơng hồn tồn các hỗn hợp khí hydrocarbon trộn

với oxy. Đầu đốt này có thể di chuyển theo một trục nằm ngang, dùng để thay đổi

khoảng cách của đầu đốt với một buồng nhiệt bằng đồng (thermalisation chamber)

được đặt trong buồng lắng đọng (deposition chamber). Xung quanh đầu đốt này, người

ta phủ một tấm chắn nhằm tạo ra một cột khí trơ để che chắn cho dòng khí đốt [18].

Hỗn hợp khí là các hydrocarbon như acetylene C2H2, ethylene C2H4 hay

propylene C3H6 được trộn sẵn với khí oxy và được đưa vào buồng phản ứng với vận

tốc khoảng 3 đến 6 lmin-1. Hỗn hợp được đặt cách đầu đốt từ 0 đến 60 mm, tỉ số C/O

được thay đổi trong khoảng 0.5 đến 2. Trong quá trình đốt, áp suất duy trì ở mức thấp

khoảng 20 đến 100 mbar bằng cách sử dụng máy bơm. Ngọn lửa được điều khiển để

tạo ra sản phẩm nằm trong vùng muội than (soot), nhiệt độ duy trì khoảng 2000±500

K. Những hình nón bằng thạch anh với đường kính lỗ ở đỉnh khác nhau (0.25, 0.75 và

1 mm) được sử dụng để lấy mẫu ra ngoài; phần này được làm mát bởi nước [18].

Những hạt bồ hóng vừa tạo ra sẽ được gửi qua một lớp chất nền là CsI hoặc

KBr rồi cho vào vòi phun phân tử (molecular jet) ở cuối của buồng nhiệt nơi khí sẽ

phun ra qua một vòi phun. Mẫu thu được sẽ có độ dày cỡ 1 đến 3 µm được tập hợp từ

vơ số các hạt bồ hóng li ti có hình cầu đường kính khoảng 10-30 nm. Mẫu sản xuất ra

có màu đen, mật độ hiệu dụng là 0.45±0.25 g/cm3 và mật độ tính theo từng hạt đơn

độc là khoảng 1.7 ± 0.5 g/cm3 tùy theo bản chất của bồ hóng tạo ra [4].



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

2Các loại bức xạ trong môi trường liên sao

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×