Wiele informacji, które otrzymujesz o wszechświecie, pochodzi z promieniowania elektromagnetycznego lub światła, które otrzymujesz z odległych zakątków wszechświata. Dzięki analizie tego światła można na przykład określić skład mgławic. Informacje uzyskane z tego promieniowania elektromagnetycznego mają postać widm lub wzorów świetlnych.
Te wzorce powstają dzięki mechanice kwantowej, która dyktuje, że elektrony krążące wokół atomów mogą mieć tylko określone energie. Pojęcie to można zrozumieć za pomocą usingModel Bohraatomu, który przedstawia atom jako elektrony krążące wokół centralnego jądra na bardzo określonych poziomach energii.
Promieniowanie elektromagnetyczne i fotony
W atomach elektrony mogą mieć tylko dyskretne wartości energii, a konkretny zestaw możliwych wartości energii jest unikalny dla każdego pierwiastka atomowego. Elektrony mogą poruszać się w górę i w dół poziomu energii, pochłaniając lub emitując foton o bardzo specyficznym długość fali (odpowiadająca określonej ilości energii równej różnicy energii między poziomów).
W rezultacie pierwiastki można zidentyfikować za pomocą wyraźnych linii widmowych, gdzie linie występują na długościach fal odpowiadających różnicom energii między poziomami energii atomowej pierwiastka. Wzór linii widmowych jest unikalny dla każdego elementu, co oznacza, że widma są skutecznym sposobem effectiveidentyfikowanie elementów, zwłaszcza z dużej odległości lub w bardzo małych ilościach.
Widma absorpcyjne uzyskuje się przez bombardowanie elementu światłem o wielu długościach fal i wykrywanie, które długości fal są pochłaniane. Widma emisyjne uzyskuje się przez ogrzewanie elementu w celu wprowadzenia elektronów do stanów wzbudzonych, a następnie wykrywanie, które długości fal światła są emitowane, gdy elektrony spadają z powrotem do niższych stanów energetycznych. Te widma będą często odwrotnością siebie.
Spektroskopia to sposób, w jaki astronomowie identyfikują elementy w obiektach astronomicznych, takich jak mgławice, gwiazdy, planety i atmosfery planet. Widma mogą również powiedzieć astronomom, jak szybko obiekt astronomiczny oddala się lub zbliża do Ziemi oraz o ile widmo danego pierwiastka jest przesunięte ku czerwieni lub niebieskiemu. (To przesunięcie widma wynika z efektu Dopplera.)
Aby znaleźć długość fali lub częstotliwość fotonu emitowanego lub pochłanianego przez zmianę poziomu energii elektronu, najpierw oblicz różnicę energii między dwoma poziomami energii:
\Delta E=-13,6\bigg(\frac{1}{n_f^2}-\frac{1}{n_i^2}\bigg)
Tę różnicę energii można następnie wykorzystać w równaniu na energię fotonów,
\Delta E = hf=\frac{hc}{\lambda}
gdzie h to stała Plancka, f to częstotliwość, a λ to długość fali emitowanego lub absorbowanego fotonu, a c to prędkość światła.
Widma absorpcyjne
Kiedy ciągłe widmo pada na chłodny (niskoenergetyczny) gaz, atomy w tym gazie będą absorbować określone długości fal światła charakterystyczne dla ich składu.
Biorąc światło, które opuszcza gaz i używając spektrografu, aby podzielić je na widmo długości fal, pojawią się ciemne linie absorpcyjne, czyli linie, w których nie było światła o tej długości fali wykryto. To tworzywidmo absorpcji.
Dokładne rozmieszczenie tych linii jest charakterystyczne dla składu atomowego i molekularnego gazu. Naukowcy mogą odczytywać linie jak kod kreskowy, mówiąc im, z czego składa się gaz.
Widma emisji
Natomiast gorący gaz składa się z atomów i cząsteczek w stanie wzbudzonym. Elektrony w atomach tego gazu przeskoczą do niższych stanów energetycznych, gdy gaz wypromieniuje nadmiar energii. W ten sposób uwalniane są bardzo specyficzne długości fal światła.
Biorąc to światło i używając spektroskopii do rozdzielenia go na spektrum długości fal, jasne linie emisyjne będą pojawiają się tylko przy określonych długościach fal odpowiadających fotonom emitowanym, gdy elektrony skaczą do niższej energii państw. To tworzy widmo emisyjne.
Podobnie jak w przypadku widm absorpcyjnych, dokładne rozmieszczenie tych linii jest charakterystyczne dla składu atomowego i molekularnego gazu. Naukowcy mogą odczytywać linie jak kod kreskowy, mówiąc im, z czego składa się gaz. Również charakterystyczne długości fal są takie same dla obu typów widm. Ciemne linie w widmie absorpcyjnym będą leżeć w tych samych miejscach, co linie emisyjne w widmie emisyjnym.
Prawa Kirchoffa analizy spektralnej
W 1859 Gustav Kirchoff podsumował widma w trzech zwięzłych regułach:
Pierwsze prawo Kirchoffa:świecące ciało stałe, ciecz lub gaz o dużej gęstości daje ciągłe widmo. Oznacza to, że emituje światło o wszystkich długościach fal. Idealnym tego przykładem jest ciało doskonale czarne.
Drugie prawo Kirchoffa:Gorący gaz o niskiej gęstości wytwarza widmo linii emisyjnej.
Trzecie Prawo Kirchoffa:Ciągłe źródło widma oglądane przez chłodny gaz o niskiej gęstości wytwarza widmo w linii absorpcyjnej.
Promieniowanie ciała doskonale czarnego
Jeśli obiekt ma temperaturę powyżej zera bezwzględnego, emituje promieniowanie. Ciało doskonale czarne to teoretycznie idealny obiekt, który pochłania wszystkie długości fal światła i emituje wszystkie długości fal światła. Będzie emitować różne długości fal światła o różnych natężeniach, a rozkład natężenia nazywa się widmem ciała doskonale czarnego. To widmo zależy tylko od temperatury ciała doskonale czarnego.
Fotony o różnych długościach fal mają różne energie. Aby widmo ciała doskonale czarnego miało wysoką intensywność emisji o określonej długości fali, oznacza to, że emituje fotony o określonej energii z dużą szybkością. Ta stawka jest również nazywanastrumień. Wraz ze wzrostem temperatury ciała doskonale czarnego wzrośnie strumień o wszystkich długościach fal.
Astronomom często wygodnie jest modelować gwiazdy jako ciała doskonale czarne. Chociaż nie zawsze jest to dokładne, często zapewnia dobre oszacowanie temperatury gwiazdy, obserwując przy jaka długość fali osiąga szczyty widma ciała doskonale czarnego gwiazdy (długość fali światła, które jest emitowane z najwyższą intensywność).
Długość fali piku widma ciała doskonale czarnego zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury ciała doskonale czarnego. Jest to znane jako prawo przemieszczenia Wien.
Inną ważną relacją dla ciał czarnych jest prawo Stefana-Boltzmanna, które mówi, że energia emitowana przez ciało doskonale czarne jest proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej przyjętej do potęgi czwartej: E T4.
Seria emisji i absorpcji wodoru
Linie w widmie wodoru są często dzielone na „serie” w zależności od tego, jaki jest niższy poziom energii w ich przejściu.
Seria Lymana to seria przejść do lub z najniższego stanu energetycznego lub stanu podstawowego. Fotony odpowiadające tym przejściom mają zwykle długości fal w ultrafioletowej części widma.
Seria Balmera to seria przejść do lub z pierwszego stanu wzbudzonego, jeden poziom powyżej stanu podstawowego. (Nie uwzględnia jednak przejścia między stanem podstawowym a pierwszym stanem wzbudzonym, ponieważ przejście to jest częścią serii Lymana). Fotony odpowiadające tym przejściom mają zwykle długości fal w widocznej części widmo.
Przejścia do lub z drugiego stanu wzbudzonego nazywane są szeregiem Paschena, a przejścia do lub z trzeciego stanu wzbudzonego nazywane są szeregiem Bracketta. Serie te są bardzo ważne dla badań astronomicznych, ponieważ wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem we wszechświecie. Jest to również podstawowy pierwiastek, z którego składają się gwiazdy.
