В ионизованном газе основной механизм поглощения и излучения в радиодиапазоне – свободно-свободные переходы (по-английски free-free ). Излучение и поглощение происходит за счет изменения энергии свободных электронов, пролетающих вблизи ионов. Коэффициент поглощения равен

Здесь Np  — концентрация протонов, gn – множитель Гаунта (он порядка единицы на сантиметровых волнах и достигает 10 на дециметровых волнах):

Принимается, что распределение электронов по скоростям максвелловское с температурой Te:

Теперь учтем опущенное в (2.22) отрицательное поглощение, или индуцированное излучение. Скорости обоих этих процессов пропорциональны плотности излучения. По аналогии с дискретными переходами, свободно-свободный переход электрона можно рассматривать как переход между двумя уровнями (i и k), но не дискретными, а принадлежащиенепрерывному спектру энергий. Запишем уравнение баланса, учитывая только радиационные процессы:

В левой части записано число переходов в единице объема за единицу времени вниз, с излучением квантов, в правой – переходы вверх, с поглощением. Здесь nk, ni – плотности атомов в состояниях k, i, rik –- плотность излучения на частоте перехода k®i. Перенесем второе слагаемое левой части в правую часть. Полное число фотонов, поглощаемых в спектральной линии, получается как разность поглощения и индуцированного излучения:

Учтем известное соотношение между коэффициентами Эйнштейна:

gi, gk – статистические веса уровней. В случае термодинамического равновесия справедливо распределение Больцмана:

и правая часть формулы (2.26) при выполнении hn << kBTe (приближение Рэлея–Джинса) преобразуется в:

Таким образом, вынужденные переходы k®i можно рассматривать как отрицательное поглощение, они приводят к уменьшению коэффициента поглощения и просветлению среды. В радиодиапазоне эффект отрицательного поглощения очень силен (особенно на низких частотах) и приводит к уменьшению коэффициента поглощения на несколько порядков величины. Все рассмотрение справедливо для двух любых значений энергии в континууме при максвелловском распределении электронов по скоростям. Итак, для учета отрицательного поглощения в радиодиапазоне необходимо домножить коэффициент поглощения (2.22) на . Подставив все значения констант, получим модифицированный коэффициент поглощения:

Здесь N и Np измеряются в см–3, n — в Гц, Te — в градусах Kельвина. Для чисто водородной плазмы N = Np, и можно заменить произведение  на N2.

Можно сопоставить это выражение с полученной ранее классическим методом формулой (2.13) для коэффициента поглощения в плазме k (в случае, когда частота волны много выше плазменной частоты). В обеих формулах зависимость от частоты одна и та же.

При хаотическом движении электронов и ионов в плазме их траектории ориентированы под произвольными углами по отношению к наблюдателю. Поэтому результат сложения волн от элементарных актов взаимодействия ион–электрон дает в целом неполяризованное излучение.

Для расчета интенсивности излучения необходимо знать оптическую глубину объекта

Интеграл в (2.30) берется вдоль луча зрения в пределах излучающего облака. В конечном счете, оптическая глубина tn по свободно-свободному поглощению определяется интегралом от квадрата электронной плотности, взятым вдоль луча зрения. Этот интеграл называется мерой эмиссии (ME – measure of emission). Единица измерения меры эмиссии см–5; применительно к межзвездной среде чаще используют см–6пк (см-6 ´парсек).

Согласно (1.9), яркостная температура излучения равна

В качестве температуры излучающего облака Tc берется величина электронной температуры Te из максвелловского распределения электронов по скоростям (2.24). Коэффициент поглощения  (2.29) сильно зависит от частоты (µ n–2). На низких частотах, где  велик, tn >> 1, Tb @ Tc = const (для изотермического облака), интенсивность излучения определяется формулой Рэлея–Джинса (1.3) и пропорциональна n2. На высоких частотах газ прозрачен, откуда Tb @ Tctn. В первом приближении tn µ n–2, и In не зависит от частоты. Правда, за счет множителя Гаунта имеет место логарифмическое падение интенсивности с ростом частоты. Иногда его аппроксимируют как In µ n–0.1. Итак, спектр изотермического облака ионизованного газа, излучающего свободно-свободным механизмом, рэлей–джинсовский (µ n2) на низких частотах и плоский (слабо зависящий от частоты) на высоких частотах (рис. 2.2). Перегиб спектра происходит вблизи частоты, где tn ~ 1. Частота перегиба связана простым соотношением с мерой эмиссии:

n0 в МГц, ME в см–6пк. Если имеется возможность оценить размер излучающего облака вдоль луча зрения, то по известной частоте перегиба спектра источника n0 можем оценить меру эмиссии ME и среднюю электронную плотность в источнике.