הרבה מהמידע שאתה מקבל על היקום נובע מקרינה אלקטרומגנטית, או מאור, שאתה מקבל מרחבים רחוקים ביקום. על ידי ניתוח האור הזה תוכלו לקבוע את הרכב הערפיליות, למשל. המידע המתקבל מקרינה אלקטרומגנטית זו מגיע בצורה של ספקטרום, או דפוסי אור.
דפוסים אלה נוצרים בגלל מכניקת הקוונטים, המכתיבה שלאלקטרונים המקיפים אטומים יכולות להיות אנרגיות ספציפיות בלבד. ניתן להבין את המושג הזה באמצעותדגם בוהרשל האטום, המתאר את האטום כאלקטרונים המקיפים גרעין מרכזי ברמות אנרגיה ספציפיות מאוד.
קרינה אלקטרומגנטית ופוטונים
באטומים, אלקטרונים יכולים להיות בעלי ערכי אנרגיה נפרדים בלבד, והמערך המסוים של ערכי האנרגיה האפשריים הוא ייחודי לכל יסוד אטומי. אלקטרונים יכולים לנוע מעלה ומטה ברמת האנרגיה על ידי ספיגה או פליטה של פוטון מאוד ספציפי אורך גל (המתאים לכמות אנרגיה ספציפית השווה להפרש האנרגיה בין רמות).
כתוצאה מכך, ניתן לזהות אלמנטים על ידי קווים ספקטרליים מובחנים, כאשר הקווים מתרחשים באורכי הגל התואמים להבדלי האנרגיה בין רמות האנרגיה האטומית של היסוד. תבנית קווי הספקטרום ייחודית לכל אלמנט, כלומר ספקטרום הוא דרך יעילהאלמנטים מזהים, במיוחד ממרחק רב או בכמויות קטנות מאוד.
ספקטרום קליטה מתקבל על ידי הפצצת אלמנט באור בעל אורכי גל רבים וגילוי אילו אורכי גל נקלטים. ספקטרום פליטה מתקבל על ידי חימום היסוד כדי לאלץ את האלקטרונים למצבים נרגשים, ואז לזהות אילו אורכי גל של אור נפלטים כאשר האלקטרונים נופלים חזרה למצבי אנרגיה נמוכה יותר. ספקטרום אלה יהיו לעתים קרובות ההפוכים זה מזה.
ספקטרוסקופיה היא האופן שבו אסטרונומים מזהים אלמנטים באובייקטים אסטרונומיים, כגון ערפיליות, כוכבים, כוכבי לכת ואטמוספירה פלנטרית. הספקטרום יכול גם לספר לאסטרונומים באיזו מהירות עצם אסטרונומי מתרחק או לכיוון כדור הארץ, ובאיזו מידה הספקטרום של אלמנט מסוים מוסט אדום או כחול. (שינוי זה של הספקטרום נובע מאפקט הדופלר).
כדי למצוא את אורך הגל או התדירות של פוטון שנפלט או נקלט באמצעות מעבר ברמת אנרגיית אלקטרונים, תחשב תחילה את ההבדל באנרגיה בין שתי רמות האנרגיה:
\ Delta E = -13.6 \ bigg (\ frac {1} {n_f ^ 2} - \ frac {1} {n_i ^ 2} \ bigg)
ניתן להשתמש בהבדל אנרגיה זה במשוואה לאנרגיית פוטונים,
\ דלתא E = hf = \ frac {hc} {\ lambda}
כאשר h הוא קבוע של פלאנק, f הוא התדר ו- λ הוא אורך הגל של הפוטון שנפלט או נספג, ו- c הוא מהירות האור.
ספקטרום קליטה
כאשר ספקטרום רציף מתרחש על גז קר (בעל אנרגיה נמוכה), האטומים בגז זה יספגו אורכי גל ספציפיים של אור האופייניים להרכבם.
על ידי לקיחת האור שעוזב את הגז ושימוש בספקטרוגרף כדי להפריד אותו לספקטרום של אורכי גל, קווי ספיגה כהים יופיעו, שהם קווים שבהם האור של אורך הגל הזה לא היה זוהה. זה יוצרספקטרום קליטה.
המיקום המדויק של קווים אלה אופייני להרכב האטומי והמולקולרי של הגז. מדענים יכולים לקרוא את השורות כמו ברקוד המספר להם ממה מורכב הגז.
ספקטרום פליטה
לעומת זאת גז חם מורכב מאטומים ומולקולות במצב נרגש. האלקטרונים באטומים של גז זה יקפצו למצבי אנרגיה נמוכים יותר כאשר הגז מקרין את עודפי האנרגיה שלו. בכך משתחררים אורכי גל מאוד ספציפיים.
על ידי לקיחת אור זה ושימוש בספקטרוסקופיה להפרדתו לספקטרום אורכי גל, קווי פליטה בהירים יעשו זאת מופיעים רק באורכי הגל הספציפיים המתאימים לפוטונים הנפלטים כאשר האלקטרונים קפצו לאנרגיה נמוכה יותר מדינות. זה יוצר ספקטרום פליטה.
בדיוק כמו בספקטרום הקליטה, המיקום המדויק של קווים אלה אופייני להרכב האטומי והמולקולרי של הגז. מדענים יכולים לקרוא את השורות כמו ברקוד המספר להם ממה מורכב הגז. כמו כן, אורכי הגל האופייניים זהים לשני סוגי הספקטרום. הקווים הכהים בספקטרום הקליטה ימצאו באותם מקומות כמו קווי הפליטה בספקטרום הפליטה.
חוקי ניתוח הספקטרום של קירשוף
בשנת 1859 סיכם גוסטב קירשוף ספקטרום בשלושה כללים תמציתיים:
החוק הראשון של קירשוף:גז מוצק, נוזלי או בצפיפות גבוהה מאיר מייצר ספקטרום רציף. משמעות הדבר היא שהוא פולט אור בכל אורכי הגל. דוגמה אידיאלית לכך נקראת גוף שחור.
החוק השני של קירשוף:גז חם בצפיפות נמוכה מייצר ספקטרום קווי פליטה.
החוק השלישי של קירשוף:מקור ספקטרום רציף הנצפה דרך גז קריר בצפיפות נמוכה מייצר ספקטרום קווי ספיגה.
קרינת Blackbody
אם אובייקט נמצא בטמפרטורה מעל לאפס מוחלט, הוא פולט קרינה. גוף שחור הוא האובייקט האידיאלי התיאורטי הקולט את כל אורכי הגל של האור ופולט את כל אורכי הגל של האור. זה יפיק אורכי גל שונים של אור בעוצמות שונות, והתפלגות העוצמות נקראת ספקטרום הגוף השחור. ספקטרום זה תלוי רק בטמפרטורה של הגוף השחור.
לפוטונים באורכי גל שונים יש אנרגיות שונות. כדי שספקטרום של גוף שחור יהיה בעל פליטה בעוצמה גבוהה של אורך גל מסוים, פירושו שהוא פולט פוטונים של אותה אנרגיה מסוימת בקצב גבוה. שיעור זה נקרא גםשֶׁטֶף. שטף כל אורכי הגל יגדל עם עליית הטמפרטורה של הגוף השחור.
לרוב נוח לאסטרונומים לדגמן כוכבים כגופים שחורים. למרות שזה לא תמיד מדויק, לעתים קרובות הוא מספק הערכה טובה של טמפרטורת הכוכב על ידי התבוננות ב מהו אורך הגל של ספקטרום הגוף השחור של הכוכב (אורך הגל של האור שנפלט עם הגבוה ביותר עָצמָה).
שיאו של ספקטרום גוף שחור יורד באורך הגל ככל שטמפרטורת הגוף השחור עולה. זה מכונה חוק העקירה של וינה.
יחס חשוב נוסף עבור תאים שחורים הוא חוק סטפן-בולצמן, הקובע כי סך הכל אנרגיה הנפלטת מגוף שחור היא פרופורציונאלית לטמפרטורה המוחלטת שלה שנלקחה לכוח הרביעי: E ∝ ת4.
סדרת פליטת מימן וקליטת מימן
הקווים בספקטרום המימן מחולקים לרוב ל"סדרות "על סמך רמת האנרגיה הנמוכה במעבר שלהם.
סדרת Lyman היא סדרת המעברים למצב האנרגיה הנמוך ביותר, או למצב הקרקע. לפוטונים המתאימים למעברים אלו יש אורכי גל בחלק האולטרה סגול של הספקטרום.
סדרת באלמר היא סדרת המעברים למצב הנרגש הראשון או ממנו, מפלס אחד מעל למצב הקרקע. (עם זאת, הוא לא מונה את המעבר בין מצב קרקע למצב נרגש ראשון, מכיוון שמעבר זה הוא חלק ממנו סדרת Lyman.) לפוטונים המתאימים למעברים אלה יש אורכי גל בחלק הגלוי של ה- ספֵּקטרוּם.
מעברים למצב הנרגש השני או ממנו נקראים סדרת פשכן, ומעברים למצב הנרגש השלישי או ממנו נקראים סדרת Brackett. סדרות אלו חשובות מאוד למחקר אסטרונומי, מכיוון שהמימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום. זהו גם היסוד העיקרי המרכיב כוכבים.