სამყაროს შესახებ ინფორმაციის დიდ ნაწილს ელექტრომაგნიტური გამოსხივება ან სინათლე იღებს, რომელსაც სამყაროს შორეული მიდამოებიდან იღებთ. მაგალითად, ამ სინათლის ანალიზით შეგიძლიათ განსაზღვროთ ნისლეულების შემადგენლობა. ამ ელექტრომაგნიტური გამოსხივების შედეგად მიღებული ინფორმაცია სპექტრის ან სინათლის შაბლონების სახით მოდის.
ეს ნიმუშები წარმოიქმნება კვანტური მექანიკის გამო, რაც გვკარნახობს, რომ ელექტრონებს, რომლებიც ორბიტაზე ატომებს ატარებენ, მხოლოდ კონკრეტული ენერგიები შეიძლება ჰქონდეთ. ამ კონცეფციის გაგება შესაძლებელიაბორის მოდელიატომი, რომელიც ასახავს ატომს, როგორც ელექტრონები, რომლებიც ბრუნავს ცენტრალური ბირთვის გარშემო, ძალზე სპეციფიკური ენერგეტიკულ დონეზე.
ელექტრომაგნიტური გამოსხივება და ფოტონები
ატომებში ელექტრონებს შეიძლება ჰქონდეთ მხოლოდ დისკრეტული ენერგიის მნიშვნელობები და შესაძლო ენერგეტიკული მნიშვნელობების განსაკუთრებული ნაკრები უნიკალურია თითოეული ატომური ელემენტისთვის. ელექტრონებს შეუძლიათ გადაადგილება ენერგიის დონეზე ზემოთ და ქვემოთ, სპეციფიკური ფოტონის შთანთქმით ან გამოსხივებით ტალღის სიგრძე (რაც შეესაბამება ენერგიის სპეციფიკურ რაოდენობას, ტოლია ენერგიის სხვაობას შორის დონეები).
შედეგად, ელემენტების ამოცნობა შესაძლებელია მკაფიო სპექტრული ხაზებით, სადაც ხაზები ტალღის სიგრძეებზე ხდება, რაც შეესაბამება ენერგეტიკულ სხვაობებს ელემენტის ატომური ენერგიის დონებს შორის. სპექტრალური ხაზების ნიმუში უნიკალურია თითოეული ელემენტისთვის, რაც ნიშნავს, რომ სპექტრები ეფექტური საშუალებაასაიდენტიფიკაციო ელემენტებიგანსაკუთრებით შორი მანძილიდან ან ძალიან მცირე რაოდენობით.
აბსორბციის სპექტრი მიიღება მრავალი ტალღის სიგრძის სინათლის ელემენტის დაბომბვით და თუ რომელი ტალღის სიგრძე შეიწოვება. ემისიის სპექტრები მიიღება ელემენტის გათბობით, რათა ელექტრონები აიძულონ აღგზნებულ მდგომარეობებში და შემდეგ იმის დადგენა, თუ რომელი სინათლის ტალღის სიგრძე გამოიყოფა, რადგან ელექტრონები ჩამონგრეულია ქვედა ენერგეტიკულ მდგომარეობებში. ეს სპექტრები ხშირად ერთმანეთის შებრუნებული იქნება.
სპექტროსკოპია არის ის, თუ როგორ ამოიცნობს ასტრონომები ასტრონომიულ ობიექტებში ელემენტებს, როგორიცაა ნისლეულები, ვარსკვლავები, პლანეტები და პლანეტარული ატმოსფერო. სპექტრებს ასევე შეუძლიათ ასტრონომებს განუცხადონ, თუ რამდენად სწრაფად მოძრაობს ასტრონომიული ობიექტი მოშორებით ან დედამიწისკენ და რამდენად არის წითელი ან ცისფრად გადატანილი გარკვეული ელემენტის სპექტრი. (სპექტრის ეს გადაადგილება გამოწვეულია დოპლერის ეფექტით).
ელექტრონის ენერგიის დონეზე გადასვლის შედეგად გამოყოფილი ან შთანთქმული ფოტონის ტალღის სიგრძის ან სიხშირის დასადგენად, პირველ რიგში გამოთვალეთ ენერგიის სხვაობა ორ ენერგეტიკულ დონეს შორის:
\ დელტა E = -13,6 \ bigg (\ frac {1} {n_f ^ 2} - \ frac {1} {n_i ^ 2} \ bigg)
შემდეგ ეს ენერგიის სხვაობა შეიძლება გამოყენებულ იქნას ფოტონის ენერგიის განტოლებაში,
\ დელტა E = hf = \ frac {hc} {\ lambda}
სადაც h არის პლანკის მუდმივა, f არის სიხშირე, ხოლო λ არის გამოყოფილი ან გაწოვილი ფოტონის ტალღის სიგრძე და c არის სინათლის სიჩქარე.
შთანთქმის სპექტრა
როდესაც გრილ (დაბალენერგეტიკულ) გაზზე ხდება უწყვეტი სპექტრი, ამ გაზის ატომები შთანთქავენ მათი შემადგენლობისთვის დამახასიათებელ სინათლის ტალღის სპეციფიკურ სიგრძეს.
გაზს ტოვებს შუქის მიღებით და სპექტროგრაფიის გამოყენებით ხდება მისი გამოყოფა სპექტრში ტალღის სიგრძეები, ბნელი შთანთქმის ხაზები გამოჩნდება, რომლებიც არის ხაზები, სადაც არ იყო ამ ტალღის სიგრძის შუქი გამოვლენილი. ეს ქმნისშთანთქმის სპექტრი.
ამ ხაზების ზუსტი განთავსება დამახასიათებელია გაზის ატომური და მოლეკულური შემადგენლობისთვის. მეცნიერებს შტრიხ-კოდის მსგავსად შეუძლიათ წაიკითხონ ხაზები, რომლებშიც ეუბნებიან, თუ რას წარმოადგენს გაზი.
ემისიის სპექტრები
ამის საწინააღმდეგოდ, ცხელი გაზი ატომებისა და მოლეკულებისგან არის აღგზნებულ მდგომარეობაში. ელექტრონები ამ გაზის ატომებში გადაინაცვლებენ ქვედა ენერგეტიკულ მდგომარეობებს, რადგან გაზი ასხივებს მის ჭარბი ენერგიას. ამით, სინათლის ძალიან სპეციფიკური ტალღის სიგრძე გამოიყოფა.
ამ სინათლის მიღებით და სპექტროსკოპიის გამოყენებით ტალღის სიგრძეების სპექტად გამოყოფისთვის, გამოყოფენ მკვეთრ გამოსხივებას როგორც ჩანს, მხოლოდ სპეციფიკურ ტალღურ სიგრძეებზე, რომლებიც შეესაბამება ელექტრონებს, რომლებიც გამოყოფენ ელექტრონებს ქვედა ენერგიაზე აცხადებს. ეს ქმნის ემისიის სპექტრს.
ისევე, როგორც შთანთქმის სპექტრის შემთხვევაში, ამ ხაზების ზუსტი განთავსება ახასიათებს აირის ატომურ და მოლეკულურ შემადგენლობას. მეცნიერებს შტრიხ-კოდის მსგავსად შეუძლიათ წაიკითხონ ხაზები, რომლებშიც ეუბნებიან, თუ რას წარმოადგენს გაზი. ასევე, დამახასიათებელი ტალღის სიგრძეები ერთნაირია სპექტრის ორივე ტიპისთვის. შთანთქმის სპექტრის მუქი ხაზები იმავე ადგილებში იქნება, რაც გამონაბოლქვის ხაზებში გამონაბოლქვის ხაზებში.
კირხოფის სპექტრული ანალიზის კანონები
1859 წელს გუსტავ კირჩოფმა შეაჯამა სპექტრები სამ ლაკონურ წესში:
კირხოფის პირველი კანონი:შუქმფენი მყარი, თხევადი ან მაღალი სიმკვრივის გაზი აწარმოებს უწყვეტ სპექტრს. ეს ნიშნავს, რომ იგი ასხივებს ყველა ტალღის სიგრძეს. ამის იდეალურ მაგალითს შავი სხეული ეწოდება.
კირხოფის მეორე კანონი:დაბალი სიმკვრივის ცხელი აირი წარმოქმნის ემისიის ხაზის სპექტრს.
კირჩოვის მესამე კანონი:უწყვეტი სპექტრის წყარო, რომელიც განიხილება მაგარი დაბალი სიმკვრივის გაზის საშუალებით, წარმოქმნის შთანთქმის ხაზის სპექტრს.
Blackbody Radiation
თუ ობიექტი აბსოლუტურ ნულზე მეტია, ის გამოსხივებას გამოყოფს. შავი სხეული არის თეორიული იდეალური ობიექტი, რომელიც შთანთქავს სინათლის ყველა ტალღის სიგრძეს და ასხივებს სინათლის ყველა ტალღის სიგრძეს. იგი გამოყოფს სინათლის სხვადასხვა ტალღის სიგრძეს სხვადასხვა ინტენსივობით, ხოლო ინტენსივობის განაწილებას ეწოდება შავი სხეულის სპექტრი. ეს სპექტრი დამოკიდებულია მხოლოდ შავი სხეულის ტემპერატურაზე.
სხვადასხვა ტალღის სიგრძის ფოტონებს აქვთ სხვადასხვა ენერგია. შავი სხეულის სპექტრისათვის გარკვეული ტალღის სიგრძის მაღალი ინტენსივობის გამოყოფა ნიშნავს, რომ იგი გამოყოფს ამ კონკრეტული ენერგიის ფოტონებს მაღალი სიჩქარით. ამ მაჩვენებელს ასევე უწოდებენნაკადი. ყველა ტალღის ნაკადი გაიზრდება, როდესაც შავი სხეულის ტემპერატურა იზრდება.
ასტრონომებისთვის ხშირად მოსახერხებელია ვარსკვლავების მოდელირება, როგორც შავკანიანები. მიუხედავად იმისა, რომ ეს ყოველთვის არ არის ზუსტი, ის ხშირად იძლევა ვარსკვლავის ტემპერატურის კარგ შეფასებას, თუ დავაკვირდებით რა ტალღის სიგრძეა ვარსკვლავის შავი სხეულის სპექტრი (სინათლის ტალღის სიგრძე, რომელიც ყველაზე მაღლა ასხივებს) ინტენსივობა).
შავი სხეულის სპექტრის პიკი ტალღის სიგრძეში ამცირებს, რადგან შავი სხეულის ტემპერატურა იზრდება. ეს ცნობილია როგორც ვიენის გადაადგილების კანონი.
შავი სხეულების კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი კავშირი არის სტეფან-ბოლცმანის კანონი, სადაც ნათქვამია, რომ საერთო შავი სხეულის მიერ გამოყოფილი ენერგია მისი აბსოლუტური ტემპერატურის პროპორციულია მეოთხე ხარისხამდე: E თ4.
წყალბადის ემისიისა და შთანთქმის სერიები
წყალბადის სპექტრის ხაზები ხშირად იყოფა "სერიებად" იმის მიხედვით, თუ რა არის მათი გარდამავალი ენერგიის დაბალი დონე.
ლიმანის სერია არის ყველაზე დაბალი ენერგეტიკული მდგომარეობის ან მიწის მდგომარეობისკენ გადასვლის სერია. ამ გადასვლების შესაბამის ფოტონს აქვს ტალღის სიგრძე სპექტრის ულტრაიისფერ ნაწილში.
ბალმერის სერია არის პირველი აღგზნებული მდგომარეობიდან ან პირველიდან აღმავალი მდგომარეობის გადასვლის სერია, მიწის დონიდან ერთი დონის ზემოთ. (ამასთან, იგი არ ითვლის გადასვლას მიწის პირველ და პირველ აღგზნებულ მდგომარეობას შორის, რადგან ეს გარდამავალი ნაწილია ლიმანის სერია.) ამ გადასვლების შესაბამის ფოტონს აქვს ტალღის სიგრძე ხილულ ნაწილში სპექტრი.
მეორე აღგზნებულ მდგომარეობაში გადასვლას ან გადასვლას პასჩენის სერიას უწოდებენ, ხოლო მესამე აღგზნებულ მდგომარეობაში გადასვლას ბრაკეტის სერიას. ეს სერიები ძალზე მნიშვნელოვანია ასტრონომიული კვლევისთვის, რადგან წყალბადის ყველაზე გავრცელებული ელემენტია სამყაროში. ეს ასევე არის ძირითადი ელემენტი, რომელიც ქმნის ვარსკვლავებს.