Φάσμα απορρόφησης και εκπομπών: Ποιες είναι αυτές και ποιες είναι οι διαφορές;

Πολλές από τις πληροφορίες που λαμβάνετε για το σύμπαν προέρχονται από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ή φως, που λαμβάνετε από μακρινές περιοχές στο σύμπαν. Με την ανάλυση αυτού του φωτός μπορείτε να προσδιορίσετε τη σύνθεση των νεφελών, για παράδειγμα. Οι πληροφορίες που λαμβάνονται από αυτήν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έρχονται με τη μορφή φασμάτων ή μοτίβων φωτός.

Αυτά τα σχέδια σχηματίζονται λόγω της κβαντικής μηχανικής, η οποία υπαγορεύει ότι τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται σε άτομα μπορούν να έχουν μόνο συγκεκριμένες ενέργειες. Αυτή η έννοια μπορεί να γίνει κατανοητή χρησιμοποιώντας τοΜοντέλο Bohrτου ατόμου, το οποίο απεικονίζει το άτομο ως ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από έναν κεντρικό πυρήνα σε πολύ συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας.

Στα άτομα, τα ηλεκτρόνια μπορούν να έχουν μόνο διακριτές τιμές ενέργειας και το συγκεκριμένο σύνολο πιθανών ενεργειακών τιμών είναι μοναδικό για κάθε ατομικό στοιχείο. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν πάνω και κάτω στο επίπεδο ενέργειας απορροφώντας ή εκπέμποντας ένα πολύ συγκεκριμένο φωτονίο μήκος κύματος (που αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας ίση με την ενεργειακή διαφορά μεταξύ του επίπεδα).

Ως αποτέλεσμα, τα στοιχεία μπορούν να αναγνωριστούν από διακριτές φασματικές γραμμές, όπου οι γραμμές εμφανίζονται στα μήκη κύματος που αντιστοιχούν στις ενεργειακές διαφορές μεταξύ των επιπέδων ατομικής ενέργειας του στοιχείου. Το μοτίβο των φασματικών γραμμών είναι μοναδικό για κάθε στοιχείο, πράγμα που σημαίνει ότι τα φάσματα είναι ένας αποτελεσματικός τρόποςστοιχεία αναγνώρισης, ειδικά από μεγάλη απόσταση ή σε πολύ μικρές ποσότητες.

Τα φάσματα απορρόφησης λαμβάνονται με βομβαρδισμό ενός στοιχείου με φως πολλών μηκών κύματος και ανίχνευση των μήκους κύματος που απορροφώνται. Τα φάσματα εκπομπής λαμβάνονται με θέρμανση του στοιχείου για να ωθήσουν τα ηλεκτρόνια σε διεγερμένες καταστάσεις και μετά ανιχνεύοντας τα μήκη κύματος του φωτός που εκπέμπονται καθώς τα ηλεκτρόνια πέφτουν πίσω σε καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας. Αυτά τα φάσματα θα είναι συχνά το αντίστροφο μεταξύ τους.

Η φασματοσκοπία είναι πώς οι αστρονόμοι αναγνωρίζουν στοιχεία σε αστρονομικά αντικείμενα, όπως νεφελώματα, αστέρια, πλανήτες και πλανητικές ατμόσφαιρες. Τα φάσματα μπορούν επίσης να πουν στους αστρονόμους πόσο γρήγορα ένα αστρονομικό αντικείμενο μετακινείται μακριά ή προς τη Γη, και κατά πόσο το φάσμα ενός συγκεκριμένου στοιχείου μετατοπίζεται κόκκινο ή μπλε. (Αυτή η αλλαγή του φάσματος οφείλεται στο φαινόμενο Doppler.)

Για να βρείτε το μήκος κύματος ή τη συχνότητα ενός φωτονίου που εκπέμπεται ή απορροφάται μέσω μιας μετάβασης στάθμης ενέργειας ηλεκτρονίων, υπολογίστε πρώτα τη διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο επιπέδων ενέργειας:

Αυτή η ενεργειακή διαφορά μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί στην εξίσωση για ενέργεια φωτονίου,

όπου h είναι η σταθερά του Planck, f είναι η συχνότητα, και λ είναι το μήκος κύματος του φωτονίου που εκπέμπεται ή απορροφάται, και c είναι η ταχύτητα του φωτός.

Όταν ένα συνεχές φάσμα συμβαίνει σε ένα δροσερό (χαμηλής ενέργειας) αέριο, τα άτομα σε αυτό το αέριο θα απορροφήσουν συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός που χαρακτηρίζουν τη σύνθεσή τους.

Λαμβάνοντας το φως που αφήνει το αέριο και χρησιμοποιώντας ένα φασματογράφο για να το διαχωρίσουμε σε ένα φάσμα Θα εμφανιστούν μήκη κύματος, σκοτεινές γραμμές απορρόφησης, οι οποίες είναι γραμμές όπου το φως αυτού του μήκους κύματος δεν ήταν εντοπίστηκε. Αυτό δημιουργεί έναφάσμα απορροφήσεως​.

Η ακριβής τοποθέτηση αυτών των γραμμών είναι χαρακτηριστική της ατομικής και μοριακής σύνθεσης του αερίου. Οι επιστήμονες μπορούν να διαβάσουν τις γραμμές όπως ένας γραμμικός κώδικας που τους λένε από τι αποτελείται το αέριο.

Ένα θερμό αέριο, σε αντίθεση, αποτελείται από άτομα και μόρια σε διεγερμένη κατάσταση. Τα ηλεκτρόνια στα άτομα αυτού του αερίου θα μεταπηδήσουν σε χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις καθώς το αέριο εκπέμπει την υπερβολική του ενέργεια. Με αυτόν τον τρόπο, απελευθερώνονται πολύ συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός.

Λαμβάνοντας αυτό το φως και χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία για να το διαχωρίσουμε σε ένα φάσμα μηκών κύματος, οι φωτεινές γραμμές εκπομπών θα εμφανίζονται μόνο στα συγκεκριμένα μήκη κύματος που αντιστοιχούν στα φωτόνια που εκπέμπονται όταν τα ηλεκτρόνια πήδηξαν σε χαμηλότερη ενέργεια πολιτείες. Αυτό δημιουργεί ένα φάσμα εκπομπών.

Όπως και με τα φάσματα απορρόφησης, η ακριβής τοποθέτηση αυτών των γραμμών είναι χαρακτηριστική της ατομικής και μοριακής σύνθεσης του αερίου. Οι επιστήμονες μπορούν να διαβάσουν τις γραμμές όπως ένας γραμμικός κώδικας που τους λένε από τι αποτελείται το αέριο. Επίσης, τα χαρακτηριστικά μήκη κύματος είναι τα ίδια και για τους δύο τύπους φασμάτων. Οι σκοτεινές γραμμές στο φάσμα απορρόφησης θα βρίσκονται στα ίδια σημεία με τις γραμμές εκπομπών στο φάσμα εκπομπών.

Το 1859, ο Gustav Kirchoff συνόψισε τα φάσματα σε τρεις συνοπτικούς κανόνες:

​Ο πρώτος νόμος του Kirchoff:ένα φωτεινό στερεό, υγρό ή υψηλής πυκνότητας αέριο παράγει ένα συνεχές φάσμα. Αυτό σημαίνει ότι εκπέμπει φως όλων των μηκών κύματος. Ένα ιδανικό παράδειγμα αυτού ονομάζεται μαύρος.

​Ο δεύτερος νόμος του Kirchoff:Ένα καυτό αέριο χαμηλής πυκνότητας παράγει ένα φάσμα γραμμής εκπομπών.

​Ο τρίτος νόμος του Kirchoff:Μια συνεχής πηγή φάσματος που βλέπει μέσω ενός δροσερού αερίου χαμηλής πυκνότητας παράγει ένα φάσμα γραμμής απορρόφησης.

Εάν ένα αντικείμενο βρίσκεται σε θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν, εκπέμπει ακτινοβολία. Το μαύρο σώμα είναι το θεωρητικό ιδανικό αντικείμενο που απορροφά όλα τα μήκη κύματος του φωτός και εκπέμπει όλα τα μήκη κύματος του φωτός. Θα εκπέμπει διαφορετικά μήκη κύματος φωτός σε διαφορετικές εντάσεις και η κατανομή των εντάσεων ονομάζεται φάσμα μαύρου σώματος. Αυτό το φάσμα εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία του μαύρου σώματος.

Τα φωτόνια διαφορετικών μηκών κύματος έχουν διαφορετικές ενέργειες. Για ένα φάσμα μαύρου σώματος να έχει εκπομπή υψηλής έντασης ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος σημαίνει ότι εκπέμπει φωτόνια της συγκεκριμένης ενέργειας με υψηλό ρυθμό. Αυτό το ποσοστό ονομάζεται επίσης τοροή. Η ροή όλων των μηκών κύματος θα αυξηθεί καθώς η θερμοκρασία του μαύρου σώματος αυξάνεται.

Είναι συχνά βολικό για τους αστρονόμους να μοντελοποιούν αστέρια ως blackbodies. Αν και αυτό δεν είναι πάντα ακριβές, παρέχει συχνά μια καλή εκτίμηση της θερμοκρασίας του αστεριού παρατηρώντας το ποιο μήκος κύματος κορυφώνεται το φάσμα του μαύρου σώματος του αστεριού (το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται με το υψηλότερο ένταση).

Η κορυφή ενός φάσματος μαύρου σώματος μειώνεται σε μήκος κύματος καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του μαύρου σώματος. Αυτό είναι γνωστό ως Νόμος περί εκτόπισης του Wien.

Μια άλλη σημαντική σχέση για τα blackbodies είναι ο νόμος Stefan-Boltzmann, ο οποίος αναφέρει ότι το σύνολο η ενέργεια που εκπέμπεται από ένα μαύρο σώμα είναι ανάλογη της απόλυτης θερμοκρασίας του που λαμβάνεται στην τέταρτη ισχύ: Ε ∝ Τ⁴.

Οι γραμμές στο φάσμα του υδρογόνου συχνά χωρίζονται σε "σειρές" με βάση το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας κατά τη μετάβασή τους.

Η σειρά Lyman είναι η σειρά μεταβάσεων προς ή από τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ή την κατάσταση εδάφους. Τα φωτόνια που αντιστοιχούν σε αυτές τις μεταβάσεις τείνουν να έχουν μήκη κύματος στο υπεριώδες τμήμα του φάσματος.

Η σειρά Balmer είναι η σειρά μεταβάσεων προς ή από την πρώτη κατάσταση διέγερσης, ένα επίπεδο πάνω από την κατάσταση του εδάφους. (Ωστόσο, δεν μετρά τη μετάβαση μεταξύ της κατάστασης του εδάφους και της πρώτης διεγερμένης κατάστασης, καθώς αυτή η μετάβαση είναι μέρος της η σειρά Lyman.) Τα φωτόνια που αντιστοιχούν σε αυτές τις μεταβάσεις τείνουν να έχουν μήκη κύματος στο ορατό τμήμα του φάσμα.

Οι μεταβάσεις προς ή από τη δεύτερη κατάσταση διέγερσης ονομάζονται σειρές Paschen και μεταβάσεις προς ή από την τρίτη κατάσταση διέγερσης ονομάζονται σειρά Brackett. Αυτές οι σειρές είναι πολύ σημαντικές για την αστρονομική έρευνα, καθώς το υδρογόνο είναι το πιο κοινό στοιχείο στο σύμπαν. Είναι επίσης το κύριο στοιχείο που απαρτίζει τα αστέρια.