- A spektrumok típusai
- Fekete testek sugárzása
- A vonalspektrumok előállítása
A spektrumok típusai
A spektrumok három alapvető típusra egyszerűsíthetők. Az alábbiakban egyszerű példákat mutatunk a látható hullámtartományokban.
| A spektrum típusa | Fotografikus példa |
|---|---|
| Folyamatos (vagy kontinuum) |  |
| Abszorpció (sötét vonal) |  |
| Emisszió (fényes vonal) |  |
A folytonos spektrum előállításának egyik módja a fekete testek hőemissziója. Ez különösen fontos a csillagászatban, és a következő szakaszban tárgyaljuk. A csillagászati spektrumok lehetnek abszorpciós és emissziós vonalak kombinációja egy folytonos háttérspektrumon. Konkrét példákat egy másik oldalon tárgyalunk.
Fekete testek sugárzása
Miből keletkezik folytonos spektrum? Képzeljük el, hogy egy tömör acélgömböt hevítünk egy forrasztólámpával. Amikor levesszük a fáklyát, érezzük, hogy a gömb visszasugározza a hőt. A fáklya újbóli felhelyezése több energiát juttat a gömbbe – az egyre forróbb lesz. Végül halványan izzani kezd. Ahogy tovább melegíted, a gömb először vörös, majd narancssárga, sárga, végül fehéren izzik. Ha tovább tudtad eléggé hevíteni, akkor akár kéken is izzhat. Ez a gömb megközelíti azt, amit a fizikusok fekete testnek neveznek.
A fekete test sugárzó egy olyan elméleti tárgy, amely teljesen elnyeli a ráeső hőenergiát, így nem ver vissza fényt, tehát feketének tűnik. Ahogy elnyeli az energiát, felmelegszik, és az energiát elektromágneses sugárzás formájában visszasugározza.
A valóságban néhány tárgy megközelíti a fekete testek viselkedését. Ezeknek hőenergiaforrásoknak kell lenniük, és kellően átlátszatlanoknak kell lenniük ahhoz, hogy a fény kölcsönhatásba lépjen a forrás belsejében lévő anyaggal. Ilyen objektumok például az izzólámpák volfrámszálai és a csillagok magjai. A fekete testek által keltett folyamatos spektrum jellegzetes, és az intenzitás intenzitásának és a kibocsátott hullámhossznak a függvényében ábrázolható. Ezt a grafikont feketetestgörbének vagy Planck-görbének nevezik Max Planck német fizikus után, aki először tételezte fel, hogy az elektromágneses sugárzás kvantált. Az alábbi ábra egy 6000 K effektív hőmérsékletű objektum Planck-görbéjét mutatja, amely megegyezik a Nap hőmérsékletével.
Ha jobban megnézzük a görbét, észrevehetjük, hogy az objektum minden hullámhosszon bocsát ki némi sugárzást, beleértve az ultraibolya és az infravörös hullámsávot is. Azt is észre kell venned, hogy a kibocsátott energia mennyisége nem minden hullámhosszon azonos, és hogy ebben az esetben a maximális hullámhossz a látható fény tartományába esik. Mi történik most, ha a fekete test forrásának hőmérséklete eltérő? Az alábbi ábra Planck-görbéket mutat egy tárgyra négy különböző hőmérsékleten 6000 K és 4000 K között. Vegyük észre, hogy a hullámhossz itt Ångström egységben van kifejezve. 1 Ångström = 0,1 nanométer.
How do the curves compare? Két kulcsfontosságú pontnak nyilvánvalónak kell lennie. Először is, egy forróbb objektum minden hullámhosszon több energiát bocsát ki, mint egy hűvösebb. Másodszor, minél forróbb az objektum, annál rövidebb a görbe csúcsának hullámhossza. A 6000 K-s objektum csúcsa egyértelműen a spektrum látható részén van, míg a 4000 K-s objektum csúcsa a látható és az infravörös tartomány határán van. Mint már említettük, a csillagok közelítenek a fekete test objektumokhoz, és effektív hőmérsékletük körülbelül 2000 K és körülbelül 30 000 K között változhat. Ha megpróbálnánk két ilyen szélsőértékkel rendelkező csillag intenzitását egy olyan diagramon ábrázolni, mint a fenti, rendkívül nehéz lenne ugyanazon a lineáris skálán ábrázolni őket. Ha csak a csúcshullámhosszakat szeretnénk összehasonlítani, akkor egy olyan normált energiakibocsátás segítségével ábrázolhatjuk őket, amelyben a csúcshullámhossz mindegyiknél 1,0 intenzitásnak felel meg. Ez az alábbiakban hat különböző hőmérsékletre látható.
A grafikonon jól látható, hogy egy 10 000 K-s csillag hullámhosszának csúcsa az em spektrum ultraibolya részében van, míg egy 3000 K-s csillag a sugárzása nagy részét az infravörös tartományban bocsátja ki. A görbe alakja nemcsak a csillag által kibocsátott folytonos spektrum különböző összetevőinek relatív intenzitását határozza meg, hanem a csillag színét is. Egy 10 000 K-s csillag kék-fehérnek, míg egy 3 000 K-s csillag vörösnek tűnik.
Vonalas spektrumok előállítása
A vonalas spektrumok két formában jelennek meg: abszorpciós spektrumok, amelyek világos háttéren sötét vonalakat mutatnak, és emissziós spektrumok, amelyek sötét vagy fekete háttéren világos vonalakat tartalmaznak. E két típus valójában összefügg, és az atomok körül keringő elektronok és a fény fotonjai közötti kvantummechanikai kölcsönhatások következtében jön létre. A fényfotonok mindegyike meghatározott frekvenciával rendelkezik. A foton energiája a frekvencia függvénye, és a következő módon határozható meg:
E = hf ahol f a foton frekvenciája, E az energia és h a Planck-állandó (= 6,626 x 10-34J.s)
.