2 ORIGEN DE LA OPACIDAD CONTINUA : TRANSICIONES LIGADO-LIBRE Y LIBRE-LIBRE

 

            ¿ Cuál es el orígen de la opacidad continua ? Es decir, a qué se debe la absorción continua observada en los espectros estelares ? En rigor, la absorción continua observada en una determinada frecuencia en un espectro estelar, resulta de la suma de las absorciones (verdaderas y aparentes) producidas en esa frecuencia por determinados procesos físicos, los cuales involucran distintos elementos químicos en sus respectivos estados de excitación y/o ionización. Como veremos en este capítulo, las absorciones deben ser corregidas o disminuidas por las denominadas absorciones negativas o emisiones estimuladas.

 

Los procesos físicos de absorción verdadera que contribuyen a la opacidad continua pueden ser divididos esencialmente en dos categorías: (1) procesos de absorción ligado-libre y (2) procesos libre-libre. Los mecanismos de absorción aparente incluyen básicamente la dispersión de la radiación producida por electrones libres (dispersión Thompson) o bien por sistemas ligados, tales como átomos o moléculas (dispersión Rayleigh).

 

            En un proceso de absorción radiativo ligado-libre (ionización), un átomo absorbe un fotón hn  del campo de radiación, cuya energía es suficientemente grande como para liberar un electrón, quedando en consecuencia ionizado el átomo. El proceso de absorción en este caso es radiativo porque involucra fotones y es ligado-libre simplemente porque el electrón que estaba ligado al átomo, se liberó de él. Puesto que las posibles energías hn  que pueden ser absorbidas mediante este proceso son infinitas y varían con continuidad a partir de una energía umbral (energía mínima necesaria para arrancar un electrón), las transiciones radiativas ligado-libre de un determinado elemento químico contribuyen al espectro continuo observado. Precisamente, el espectro de ionizaciones es el espectro continuo debido a transiciones radiativas ligado-libre. Nótese que los procesos inversos a las fotoionizaciones corresponden a las transiciones libre-ligado, usualmente llamadas recombinaciones.

 

            Un proceso de absorción libre-libre ocurre cuando una partícula libre (un electrón, por ejemplo), moviéndose en el campo de un protón - puede ser en general un ión o un átomo neutro - absorbe un fotón de energía hn y éste desaparece. Como resultado de la absorción, la partícula libre (electrón) cambia su velocidad pasando de su órbita hiperbólica original a otra algo más alejada del protón (Figura 10-1). La transición es radiativa porque implica la desaparición de un fotón. Es además libre-libre porque el electrón que estaba libre (energía positiva) continúa con energía positiva. Nuevamente, dado que las posibles energías hn  que pueden ser absorbidas mediante este proceso son infinitas y varían con continuidad, las transiciones radiativas libre-libre de un determinado elemento químico contribuyen al espectro continuo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	Figura 10-1 : En un proceso de absorción radiativa libre-libre, un electrón moviéndose en el campo de un protón absorbe un fotón y cambia su órbita hiperbólica original hacia otra más alejada del protón.

 

 

 

 

 

            Cuando se menciona la contribución de los procesos libre-libre de un determinado elemento químico a la opacidad del continuo, se hace referencia a la capacidad que tienen los electrones libres de dicho elemento para absorber energía por procesos libre-libre tales como el mencionado.

 

            El conocido efecto Compton no puede considerarse propiamente un ejemplo de proceso de absorción libre-libre. Ello se debe a que este efecto consiste en la interacción de un fotón con un electrón en la manera esquematizada en la Figura 10-2. Es decir, incide un fotón de energía hn  sobre el electrón y una parte de la energía del fotón es absorbida por el electrón, el cual adquiere una cierta velocidad o la aumenta si es que se encontraba inicialmente en reposo. Como resultado de la interacción, el fotón inicial hn  se transforma en otro hn’ de menor energía, habiendo el electrón absorbido en el proceso la cantidad DE = h(n - n’). Dado que el fotón no desaparece sino que se enrojece, no corresponde hablar propiamente de absorción. Además, para que ocurra una transición libre-libre no puede haber un electrón libre en el espacio, sino que el electrón debe estar en el campo de un átomo o ión, es decir, debe tener un núcleo asociado.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	Figura 10-2 : Al chocar un fotón hn  con un electrón en reposo, el  fotón se dispersa en la dirección del ángulo j, con una frecuencia n’ menor que la original, en tanto que el electrón adquiere una velocidad v  y se dispersa en la dirección q.

 

 

 

 

 

 

            Una transición ligado-libre puede ocurrir no sólo radiativamente involucrando fotones, sino también colisionalmente. En este último caso no desaparece ningún fotón del campo radiante. En efecto, un proceso de absorción colisional ligado-libre ocurre cuando una partícula libre (electrón, por ejemplo), moviéndose con una velocidad v_i  elevada, colisiona con un átomo o ión. Si dicha partícula tiene una elevada energía cinética en virtud de su alta velocidad, al colisionar con el átomo o ión puede cederle parte de su energía cinética, desviarse su trayectoria y continuar con una velocidad final v_f, siendo v_f < v_i. Si la energía DE =    cedida por la partícula al átomo o ión es suficientemente grande como para producir el desprendimiento de un electrón, entonces el átomo o ión absorbió colisionalmente la energía DE. El proceso es ligado-libre debido a que el electrón que estaba ligado al átomo o ión quedó liberado, esto es, su energía pasó de un valor negativo a otro positivo. Sin embargo, en virtud de que las transiciones colisionales ligado-libre de un determinado elemento químico no implican la desaparición de fotones, estos procesos no contribuyen al espectro continuo.

 

            También pueden ocurrir procesos libre-libre de tipo colisional, los cuales tampoco involucran fotones. Como resultado de un proceso de este tipo, una partícula puede ganar (absorber) o perder energía cinética. Sin embargo, dado que este proceso no implica la desaparición de fotón alguno, no contribuye al espectro continuo. Un ejemplo de absorción colisional libre-libre lo constituye la colisión de un electrón de velocidad v_i  con otra partícula cualquiera (átomo, ión, electrón, etc). Si como resultado de la colisión el electrón adquiere una velocidad v_f mayor que la velocidad v_i que traía inicialmente, significa que la partícula entregó parte de su energía cinética al electrón y éste la absorbió. Colisión no significa literalmente choque, aunque efectivamente éste puede ocurrir, sino más bien interacción debido a un pasaje cercano.

 

Cuando un electrón, después de colisionar con otra partícula (un protón, por ejemplo), pierde parte de su energía siendo la misma emitida, se dice que ocurrió también una transición libre-libre. La energía emitida en este caso se denomina radiación de frenado (bremsstrahlung) debido a que el electrón se frena en parte al emitir.

 

            Finalmente, debemos mencionar que existen también las transiciones ligado-ligado, las cuales contribuyen a la formación de las líneas espectrales y no al espectro continuo. Si bien la absorción en las líneas no se incluye en el coeficiente k_n, cuando en ciertas regiones del espectro muchas líneas se superponen (blends), éstas se comportan como si contribuyeran a la absorción continua. La disminución del continuo debido a la superposición de líneas en una determinada región del espectro se conoce como efecto blanketing o efecto frazada.