Evren hakkında edindiğiniz bilgilerin çoğu, evrendeki uzak mesafelerden aldığınız elektromanyetik radyasyondan veya ışıktan gelir. Örneğin, bulutsuların bileşimini bu ışığı analiz ederek belirleyebilirsiniz. Bu elektromanyetik radyasyondan elde edilen bilgiler, spektrum veya ışık desenleri şeklinde gelir.
Bu modeller, atomların yörüngesindeki elektronların yalnızca belirli enerjilere sahip olabileceğini belirleyen kuantum mekaniği nedeniyle oluşur. Bu kavram kullanılarak anlaşılabilir.Bohr modeliatomu, çok özel enerji seviyelerinde merkezi bir çekirdeğin etrafında dönen elektronlar olarak tasvir eden atomun.
Elektromanyetik Radyasyon ve Fotonlar
Atomlarda, elektronlar yalnızca ayrık enerji değerlerine sahip olabilir ve belirli olası enerji değerleri kümesi her atomik elemente özgüdür. Elektronlar, çok özel bir fotonu emerek veya yayarak enerji seviyesinde yukarı ve aşağı hareket edebilirler. dalga boyu (arasındaki enerji farkına eşit belirli bir enerji miktarına karşılık gelir) seviyeleri).
Sonuç olarak, elementler, çizgilerin elementin atomik enerji seviyeleri arasındaki enerji farklılıklarına karşılık gelen dalga boylarında meydana geldiği farklı spektral çizgilerle tanımlanabilir. Spektral çizgilerin deseni, her element için benzersizdir; bu, spektrumların etkili bir yol olduğu anlamına gelir.tanımlayıcı unsurlar, özellikle uzak mesafeden veya çok küçük miktarlarda.
Absorpsiyon spektrumları, bir elementi birçok dalga boyunda ışıkla bombardıman ederek ve hangi dalga boylarının absorbe edildiğini tespit ederek elde edilir. Emisyon spektrumları, elektronları uyarılmış durumlara zorlamak için elementin ısıtılmasıyla elde edilir ve daha sonra elektronlar daha düşük enerji durumlarına geri düşerken hangi dalga boylarında ışığın yayıldığını tespit etmek. Bu spektrumlar genellikle birbirinin tersi olacaktır.
Spektroskopi, gökbilimcilerin bulutsular, yıldızlar, gezegenler ve gezegen atmosferleri gibi astronomik nesnelerdeki öğeleri nasıl tanımladığıdır. Spektrum ayrıca gökbilimcilere bir astronomik nesnenin Dünya'ya doğru ne kadar hızlı hareket ettiğini ve belirli bir elementin tayfının ne kadar kırmızıya veya maviye kaydığını söyleyebilir. (Spektrumun bu kayması Doppler etkisinden kaynaklanmaktadır.)
Bir elektron enerji seviyesi geçişi yoluyla yayılan veya soğurulan bir fotonun dalga boyunu veya frekansını bulmak için önce iki enerji seviyesi arasındaki enerji farkını hesaplayın:
\Delta E=-13,6\bigg(\frac{1}{n_f^2}-\frac{1}{n_i^2}\bigg)
Bu enerji farkı daha sonra foton enerjisi denkleminde kullanılabilir,
\Delta E = hf=\frac{hc}{\lambda}
h Planck sabiti, f frekans, λ yayılan veya soğurulan fotonun dalga boyu ve c ışık hızıdır.
Absorpsiyon Spektrumu
Soğuk (düşük enerjili) bir gaz üzerinde sürekli bir spektrum meydana geldiğinde, bu gazdaki atomlar, bileşimlerinin karakteristik özelliği olan belirli dalga boylarında ışık emer.
Gazdan çıkan ışığı alarak ve onu bir tayf tayfına ayırmak için bir spektrograf kullanarak dalga boylarında, o dalga boyundaki ışığın olmadığı çizgiler olan karanlık absorpsiyon çizgileri görünecektir. tespit edildi. Bu biremilim spektrumu.
Bu çizgilerin tam olarak yerleştirilmesi, gazın atomik ve moleküler bileşiminin karakteristiğidir. Bilim adamları, gazın neyden oluştuğunu söyleyen bir barkod gibi satırları okuyabilirler.
Emisyon spektrumu
Sıcak bir gaz, aksine, uyarılmış haldeki atomlardan ve moleküllerden oluşur. Bu gazın atomlarındaki elektronlar, gaz fazla enerjisini yayarken daha düşük enerji durumlarına atlayacaktır. Bunu yaparken, çok spesifik ışık dalga boyları serbest bırakılır.
Bu ışığı alarak ve onu bir dalga boyu spektrumuna ayırmak için spektroskopiyi kullanarak, parlak emisyon çizgileri, sadece elektronlar daha düşük enerjiye sıçradığında yayılan fotonlara karşılık gelen belirli dalga boylarında görünürler. devletler. Bu bir emisyon spektrumu oluşturur.
Absorpsiyon spektrumunda olduğu gibi, bu çizgilerin tam olarak yerleştirilmesi gazın atomik ve moleküler bileşiminin karakteristiğidir. Bilim adamları, gazın neyden oluştuğunu söyleyen bir barkod gibi satırları okuyabilirler. Ayrıca, karakteristik dalga boyları her iki spektrum türü için de aynıdır. Absorpsiyon spektrumundaki koyu çizgiler, emisyon spektrumundaki emisyon çizgileriyle aynı yerlerde olacaktır.
Kirchoff'un Spektral Analiz Kanunları
1859'da Gustav Kirchoff, spektrumları üç kısa kuralla özetledi:
Kirchoff'un Birinci Yasası:parlak bir katı, sıvı veya yüksek yoğunluklu gaz sürekli bir spektrum üretir. Bu, tüm dalga boylarında ışık yaydığı anlamına gelir. Bunun ideal bir örneğine kara cisim denir.
Kirchoff'un İkinci Yasası:Sıcak, düşük yoğunluklu bir gaz, bir emisyon çizgisi spektrumu üretir.
Kirchoff'un Üçüncü Yasası:Soğuk, düşük yoğunluklu bir gazdan görüntülenen sürekli bir spektrum kaynağı, bir absorpsiyon çizgisi spektrumu üretir.
Siyah vücut radyasyonu
Bir nesne mutlak sıfırın üzerinde bir sıcaklıktaysa, radyasyon yayar. Kara cisim, ışığın tüm dalga boylarını emen ve ışığın tüm dalga boylarını yayan teorik ideal nesnedir. Farklı yoğunluklarda farklı dalga boylarında ışık yayar ve yoğunlukların dağılımına kara cisim spektrumu denir. Bu spektrum sadece kara cismin sıcaklığına bağlıdır.
Farklı dalga boylarındaki fotonların farklı enerjileri vardır. Bir kara cisim spektrumunun belirli bir dalga boyunda yüksek yoğunluklu emisyona sahip olması, o belirli enerjinin fotonlarını yüksek oranda yayması anlamına gelir. Bu oran aynı zamandaakı. Kara cismin sıcaklığı arttıkça tüm dalga boylarının akısı artacaktır.
Gökbilimciler için yıldızları kara cisimler olarak modellemek genellikle uygundur. Bu her zaman doğru olmasa da, genellikle yıldızın sıcaklığına ilişkin iyi bir tahmin sağlar. yıldızın kara cisim tayfı hangi dalga boyunda doruğa ulaşır (en yüksek dalga boyu ile yayılan ışığın dalga boyu) yoğunluk).
Kara cisim tayfının tepe noktası, kara cismin sıcaklığı arttıkça dalga boyunda azalır. Bu, Wien'in Yer Değiştirme Yasası olarak bilinir.
Kara cisimler için bir diğer önemli ilişki, toplamın olduğunu belirten Stefan-Boltzmann Yasasıdır. bir kara cismin yaydığı enerji, dördüncü güce göre alınan mutlak sıcaklığıyla orantılıdır: E ∝ T4.
Hidrojen Emisyon ve Soğurma Serisi
Hidrojenin spektrumundaki çizgiler, geçişlerindeki düşük enerji seviyesinin ne olduğuna bağlı olarak genellikle "serilere" ayrılır.
Lyman serisi, en düşük enerji durumuna veya temel duruma geçiş serisidir. Bu geçişlere karşılık gelen fotonlar, spektrumun morötesi kısmında dalga boylarına sahip olma eğilimindedir.
Balmer serisi, temel durumun bir seviye üzerinde, ilk uyarılmış duruma veya bu durumdan geçişler serisidir. (Ancak, temel durum ile ilk uyarılmış durum arasındaki geçişi saymaz, çünkü bu geçiş, Lyman serisi.) Bu geçişlere karşılık gelen fotonlar, görüntünün görünür kısmında dalga boylarına sahip olma eğilimindedir. spektrum.
İkinci uyarılmış duruma veya durumdan geçişlere Paschen serisi, üçüncü uyarılmış duruma veya durumdan geçişlere Brackett serisi denir. Bu seriler astronomik araştırmalar için çok önemlidir, çünkü hidrojen evrendeki en yaygın elementtir. Aynı zamanda yıldızları oluşturan birincil unsurdur.