ब्रह्मांड के बारे में आपको जो जानकारी मिलती है, वह विद्युत चुम्बकीय विकिरण, या प्रकाश से आती है, जो आपको ब्रह्मांड में दूर की पहुंच से प्राप्त होती है। उदाहरण के लिए, उस प्रकाश का विश्लेषण करके आप नीहारिकाओं की संरचना का निर्धारण कर सकते हैं। इस विद्युत चुम्बकीय विकिरण से प्राप्त जानकारी स्पेक्ट्रा, या प्रकाश पैटर्न के रूप में आती है।
ये पैटर्न क्वांटम यांत्रिकी के कारण बनते हैं, जो यह बताता है कि परमाणुओं की परिक्रमा करने वाले इलेक्ट्रॉनों में केवल विशिष्ट ऊर्जा हो सकती है। इस अवधारणा को का उपयोग करके समझा जा सकता हैबोहर मॉडलपरमाणु का, जो परमाणु को बहुत विशिष्ट ऊर्जा स्तरों पर एक केंद्रीय नाभिक के चारों ओर परिक्रमा करने वाले इलेक्ट्रॉनों के रूप में दर्शाता है।
विद्युतचुंबकीय विकिरण और फोटोन
परमाणुओं में, इलेक्ट्रॉनों में केवल असतत ऊर्जा मान हो सकते हैं, और संभावित ऊर्जा मूल्यों का विशेष सेट प्रत्येक परमाणु तत्व के लिए अद्वितीय होता है। इलेक्ट्रॉन बहुत विशिष्ट के फोटॉन को अवशोषित या उत्सर्जित करके ऊर्जा स्तर में ऊपर और नीचे जा सकते हैं तरंगदैर्घ्य (ऊर्जा की एक विशिष्ट मात्रा के अनुरूप, के बीच ऊर्जा अंतर के बराबर) स्तर)।
नतीजतन, तत्वों को अलग-अलग वर्णक्रमीय रेखाओं द्वारा पहचाना जा सकता है, जहां रेखाएं तत्व के परमाणु ऊर्जा स्तरों के बीच ऊर्जा अंतर के अनुरूप तरंग दैर्ध्य पर होती हैं। वर्णक्रमीय रेखाओं का पैटर्न प्रत्येक तत्व के लिए अद्वितीय होता है, जिसका अर्थ है कि स्पेक्ट्रा effective का एक प्रभावी तरीका हैतत्वों की पहचान, विशेष रूप से लंबी दूरी से या बहुत कम मात्रा में।
अवशोषण स्पेक्ट्रा कई तरंग दैर्ध्य के प्रकाश के साथ एक तत्व पर बमबारी करके और यह पता लगाने के लिए प्राप्त किया जाता है कि कौन सी तरंग दैर्ध्य अवशोषित होती है। इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित अवस्था में लाने के लिए तत्व को गर्म करके उत्सर्जन स्पेक्ट्रा प्राप्त किया जाता है, और फिर यह पता लगाना कि प्रकाश की कौन सी तरंग दैर्ध्य उत्सर्जित होती है क्योंकि इलेक्ट्रॉन कम ऊर्जा वाले राज्यों में वापस गिर जाते हैं। ये स्पेक्ट्रा अक्सर एक दूसरे के विपरीत होंगे।
स्पेक्ट्रोस्कोपी यह है कि खगोलविद खगोलीय पिंडों में तत्वों की पहचान कैसे करते हैं, जैसे कि नीहारिकाएं, तारे, ग्रह और ग्रह वायुमंडल। स्पेक्ट्रा खगोलविदों को यह भी बता सकता है कि एक खगोलीय वस्तु कितनी तेजी से दूर या पृथ्वी की ओर बढ़ रही है, और एक निश्चित तत्व का स्पेक्ट्रम कितना लाल या नीला-स्थानांतरित है। (स्पेक्ट्रम का यह स्थानांतरण डॉप्लर प्रभाव के कारण होता है।)
इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तर संक्रमण के माध्यम से उत्सर्जित या अवशोषित फोटॉन की तरंग दैर्ध्य या आवृत्ति को खोजने के लिए, पहले दो ऊर्जा स्तरों के बीच ऊर्जा के अंतर की गणना करें:
\Delta E=-13.6\bigg(\frac{1}{n_f^2}-\frac{1}{n_i^2}\bigg)
इस ऊर्जा अंतर का उपयोग फोटॉन ऊर्जा के समीकरण में किया जा सकता है,
\ डेल्टा ई = एचएफ = \ फ्रैक {एचसी} {\ लैम्ब्डा}
जहाँ h प्लैंक नियतांक है, f आवृत्ति है, और उत्सर्जित या अवशोषित होने वाले फोटॉन की तरंगदैर्घ्य है, और c प्रकाश की गति है।
अवशोषण स्पेक्ट्रा
जब एक ठंडी (कम-ऊर्जा) गैस पर एक सतत स्पेक्ट्रम की घटना होती है, तो उस गैस के परमाणु अपनी संरचना की प्रकाश विशेषता की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करेंगे।
गैस छोड़ने वाले प्रकाश को लेकर और स्पेक्ट्रोग्राफ का उपयोग करके इसे. के स्पेक्ट्रम में अलग करने के लिए तरंग दैर्ध्य, अंधेरे अवशोषण रेखाएं दिखाई देंगी, जो कि ऐसी रेखाएं हैं जहां उस तरंग दैर्ध्य का प्रकाश नहीं था पता चला। यह एक बनाता हैअवशोषण स्पेक्ट्रम.
उन रेखाओं का सटीक स्थान गैस की परमाणु और आणविक संरचना की विशेषता है। वैज्ञानिक बार कोड की तरह पंक्तियों को पढ़ सकते हैं जो उन्हें बता सकते हैं कि गैस किससे बनी है।
उत्सर्जन स्पेक्ट्रा
एक गर्म गैस, इसके विपरीत, उत्तेजित अवस्था में परमाणुओं और अणुओं से बनी होती है। इस गैस के परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन कम ऊर्जा वाले राज्यों में कूद जाएंगे क्योंकि गैस अपनी अतिरिक्त ऊर्जा को विकीर्ण कर देती है। ऐसा करने पर, प्रकाश की बहुत विशिष्ट तरंग दैर्ध्य निकलती है।
इस प्रकाश को लेकर और स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके इसे तरंग दैर्ध्य के एक स्पेक्ट्रम में अलग करने के लिए, उज्ज्वल उत्सर्जन रेखाएं होंगी केवल विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर दिखाई देते हैं जो उत्सर्जित फोटॉनों के अनुरूप होते हैं जब इलेक्ट्रॉन कम ऊर्जा पर कूदते हैं राज्यों। यह एक उत्सर्जन स्पेक्ट्रम बनाता है।
अवशोषण स्पेक्ट्रा की तरह ही, उन रेखाओं का सटीक स्थान गैस की परमाणु और आणविक संरचना की विशेषता है। वैज्ञानिक बार कोड की तरह पंक्तियों को पढ़ सकते हैं जो उन्हें बता सकते हैं कि गैस किससे बनी है। साथ ही, दोनों प्रकार के स्पेक्ट्रा के लिए विशेषता तरंगदैर्ध्य समान हैं। अवशोषण स्पेक्ट्रम में काली रेखाएं उसी स्थान पर होंगी जहां उत्सर्जन रेखाएं उत्सर्जन स्पेक्ट्रम में होती हैं।
किरचॉफ के वर्णक्रमीय विश्लेषण के नियम
1859 में, गुस्ताव किरचॉफ ने स्पेक्ट्रा को तीन संक्षिप्त नियमों में संक्षेपित किया:
किरचॉफ का प्रथम नियम :एक चमकदार ठोस, तरल या उच्च घनत्व वाली गैस एक सतत स्पेक्ट्रम उत्पन्न करती है। इसका मतलब है कि यह सभी तरंग दैर्ध्य के प्रकाश का उत्सर्जन करता है। इसका एक आदर्श उदाहरण ब्लैकबॉडी कहा जाता है।
किरचॉफ का दूसरा नियम:एक गर्म कम घनत्व वाली गैस एक उत्सर्जन-रेखा स्पेक्ट्रम उत्पन्न करती है।
किरचॉफ का तीसरा नियम:एक शांत कम घनत्व वाली गैस के माध्यम से देखा जाने वाला एक सतत स्पेक्ट्रम स्रोत एक अवशोषण-रेखा स्पेक्ट्रम उत्पन्न करता है।
श्याम पिंडों से उत्पन्न विकिरण
यदि कोई वस्तु परम शून्य से ऊपर के तापमान पर है, तो वह विकिरण उत्सर्जित करती है। एक ब्लैकबॉडी सैद्धांतिक आदर्श वस्तु है जो प्रकाश की सभी तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करती है और प्रकाश की सभी तरंग दैर्ध्य का उत्सर्जन करती है। यह विभिन्न तीव्रताओं पर प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य का उत्सर्जन करेगा, और तीव्रता के वितरण को ब्लैकबॉडी स्पेक्ट्रम कहा जाता है। यह स्पेक्ट्रम केवल ब्लैकबॉडी के तापमान पर निर्भर करता है।
विभिन्न तरंग दैर्ध्य के फोटोन में अलग-अलग ऊर्जा होती है। एक ब्लैकबॉडी स्पेक्ट्रम के लिए एक निश्चित तरंग दैर्ध्य के उच्च तीव्रता वाले उत्सर्जन का मतलब है कि यह उस विशेष ऊर्जा के फोटॉन को उच्च दर पर उत्सर्जित करता है। इस दर को भी कहा जाता हैफ्लक्स. ब्लैकबॉडी का तापमान बढ़ने पर सभी तरंग दैर्ध्य का प्रवाह बढ़ जाएगा।
खगोलविदों के लिए सितारों को ब्लैकबॉडी के रूप में मॉडल करना अक्सर सुविधाजनक होता है। हालांकि यह हमेशा सटीक नहीं होता है, यह अक्सर पर प्रेक्षण करके तारे के तापमान का एक अच्छा अनुमान प्रदान करता है तारे के ब्लैकबॉडी स्पेक्ट्रम की तरंगदैर्घ्य क्या है (प्रकाश की तरंग दैर्ध्य जो उच्चतम के साथ उत्सर्जित होती है तीव्रता)।
ब्लैकबॉडी का तापमान बढ़ने पर ब्लैकबॉडी स्पेक्ट्रम का शिखर तरंग दैर्ध्य में कम हो जाता है। इसे वियन का विस्थापन नियम कहते हैं।
ब्लैकबॉडी के लिए एक अन्य महत्वपूर्ण संबंध स्टीफन-बोल्ट्ज़मैन लॉ है, जो बताता है कि कुल एक ब्लैकबॉडी द्वारा उत्सर्जित ऊर्जा उसके निरपेक्ष तापमान के समानुपाती होती है जिसे चौथी शक्ति में लिया जाता है: E टी4.
हाइड्रोजन उत्सर्जन और अवशोषण श्रृंखला
हाइड्रोजन के स्पेक्ट्रम में लाइनों को अक्सर "श्रृंखला" में विभाजित किया जाता है, जो उनके संक्रमण में निम्न ऊर्जा स्तर के आधार पर होता है।
लाइमैन श्रृंखला निम्नतम ऊर्जा अवस्था, या जमीनी अवस्था में या उससे संक्रमण की श्रृंखला है। इन संक्रमणों के अनुरूप फोटॉन में स्पेक्ट्रम के पराबैंगनी भाग में तरंग दैर्ध्य होते हैं।
बामर श्रृंखला पहली उत्तेजित अवस्था में या उससे संक्रमण की श्रृंखला है, जो जमीनी अवस्था से एक स्तर ऊपर है। (हालांकि, यह जमीनी अवस्था और पहली उत्तेजित अवस्था के बीच संक्रमण की गणना नहीं करता है, क्योंकि यह संक्रमण का हिस्सा है लाइमैन श्रृंखला।) इन संक्रमणों के अनुरूप फोटॉनों के दृश्य भाग में तरंग दैर्ध्य होते हैं स्पेक्ट्रम।
दूसरी उत्तेजित अवस्था में या उससे संक्रमण को पासचेन श्रृंखला कहा जाता है, और तीसरी उत्तेजित अवस्था में या उससे संक्रमण को ब्रैकेट श्रृंखला कहा जाता है। ये श्रृंखला खगोलीय अनुसंधान के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि हाइड्रोजन ब्रह्मांड में सबसे आम तत्व है। यह प्राथमिक तत्व भी है जो सितारों को बनाता है।