- Typy spekter
- Záření černých těles
- Výroba čárových spekter
Typy spekter
Spektra lze zjednodušeně rozdělit na jeden ze tří základních typů. Jednoduché příklady ve viditelných vlnových pásmech jsou uvedeny níže.
| Typ spektra | Fotografický příklad |
|---|---|
| Kontinuální (nebo spojité) |  |
| Absorpce (tmavá čára) |  |
| Emisní (jasná čára) |  |
Jedním ze způsobů, jak lze vytvořit spojité spektrum, je tepelná emise z černého tělesa. To má význam zejména v astronomii a je o tom pojednáno v následující části. Astronomická spektra mohou být kombinací absorpčních a emisních čar na spojitém spektru pozadí. Konkrétními příklady se zabýváme na jiné stránce.
Záření černého tělesa
Čím vzniká spojité spektrum? Představte si, že zahříváte pevnou ocelovou kouli letlampou. Když hořák vyjmete, ucítíte, jak koule znovu vyzařuje teplo. Opětovným přiložením hořáku dodáte kouli více energie – rozžhaví se. Nakonec začne slabě zářit. Při dalším zahřívání se koule rozzáří nejprve červeně, pak oranžově, žlutě a nakonec bíle. Pokud se vám ji podařilo zahřívat dostatečně dlouho, může dokonce žhnout modře. Tato koule se blíží tomu, čemu fyzikové říkají černé těleso.
Zářič černého tělesa je teoretický objekt, který zcela pohlcuje veškerou tepelnou energii, která na něj dopadá, neodráží tedy žádné světlo, takže se jeví jako černý. Při pohlcování energie se zahřívá a energii znovu vyzařuje jako elektromagnetické záření.
V reálném světě se některé objekty chování černých těles blíží. Musí to být zdroje tepelné energie a musí být dostatečně neprůhledné, aby světlo interagovalo s materiálem uvnitř zdroje. Příkladem takových objektů jsou wolframová vlákna žárovek a jádra hvězd. Spojité spektrum produkované černým tělesem je charakteristické a lze jej znázornit jako graf závislosti intenzity na vyzařované vlnové délce. Tento graf se nazývá křivka černého tělesa nebo Planckova křivka podle německého fyzika Maxe Plancka, který jako první postuloval kvantování elektromagnetického záření. Následující graf ukazuje Planckovu křivku pro objekt s efektivní teplotou 6 000 K, což je stejná teplota, jakou má Slunce.
Pokud se na křivku podíváte pozorně, všimnete si, že objekt vyzařuje nějaké záření v každé vlnové délce včetně ultrafialového a infračerveného pásma. Měli byste si také všimnout, že množství vyzařované energie není pro všechny vlnové délky stejné a že v tomto případě spadá vrchol vlnové délky do oblasti viditelného světla. Co se nyní stane, pokud je teplota zdroje černého tělesa jiná? Následující graf ukazuje Planckovy křivky pro objekt o čtyřech různých teplotách od 6 000 K do 4 000 K. Všimněte si, že vlnová délka je zde vyjádřena v jednotkách Ångström. 1 Ångström = 0,1 nanometru.
Jak se křivky porovnávají? Měly by být zřejmé dva klíčové body. Zaprvé, horký objekt vyzařuje na každé vlnové délce více energie než chladnější objekt. Za druhé, čím je objekt teplejší, tím kratší je vlnová délka vrcholu křivky. Objekt o teplotě 6 000 K má zřetelný vrchol ve viditelné části spektra, zatímco vrchol objektu o teplotě 4 000 K hraničí s viditelnou a infračervenou oblastí. Jak již bylo zmíněno, hvězdy se blíží objektům černých těles a jejich efektivní teplota se může pohybovat od přibližně 2 000 K do zhruba 30 000 K. Pokud byste se pokusili vynést intenzitu dvou hvězd s těmito extrémy na graf, jako je ten výše, bylo by velmi obtížné zobrazit je na stejné lineární stupnici. Pokud bychom chtěli pouze porovnat vrcholové vlnové délky, můžeme je vykreslit pomocí normalizovaného energetického výkonu, v němž vrcholová vlnová délka pro každou z nich odpovídá intenzitě = 1,0. To je znázorněno níže pro šest různých teplot.
Z grafu je jasně vidět, že hvězda o teplotě 10 000 K by měla vrchol vlnové délky v ultrafialové části emisního spektra, zatímco hvězda o teplotě 3 000 K by vyzařovala většinu svého záření v infračervené části. Tvar křivky určuje nejen relativní intenzitu jednotlivých složek spojitého spektra produkovaného hvězdou, ale také barvu hvězdy. Hvězda o teplotě 10 000 K se jeví jako modrobílá, zatímco hvězda o teplotě 3 000 K jako červená.
Tvorba čárových spekter
Čárová spektra se objevují ve dvou podobách, absorpční spektra s tmavými čarami na světlém pozadí a emisní spektra s jasnými čarami na tmavém nebo černém pozadí. Tyto dva typy spolu ve skutečnosti souvisejí a vznikají v důsledku kvantově mechanických interakcí mezi elektrony obíhajícími kolem atomů a fotony světla. Každý z fotonů světla má určitou frekvenci. Energie fotonu je funkcí jeho frekvence a je určena vztahem:
E = hf, kde f je frekvence fotonu, E je energie a h je Planckova konstanta (= 6,626 x 10-34J.s)
.