- スペクトルの種類
- 黒体放射
- 線スペクトルの生成
スペクトルの種類
スペクトルは3種類の基本スペクトルに簡略することができる。 以下に可視域の簡単な例を示します。
| スペクトルの種類 | 写真の例 |
|---|---|
| 連続スペクトル |  |
| 吸収（暗線） |  |
| 発光（輝線） |  |
連続スペクトルを作り出す方法の1つは黒体からの熱放射である。 これは特に天文学に関連しており、次のセクションで説明する。 天体観測のスペクトルは、連続した背景スペクトルに吸収線と輝線が混在していることがあります。 具体的な例については、別のページで紹介します。 固体鋼球をトーチで加熱することを想像してください。 トーチを外すと、球体から熱が再放射されているのが感じられます。 再びトーチを当てると、より多くのエネルギーが球体に入り、球体はより熱くなる。 やがて球体はぼんやりと光り始めます。 さらに加熱を続けると、球体はまず赤く、次にオレンジ、黄色、そして白く熱く輝きます。 さらに加熱を続けると、青く光ることもある。 この球体は物理学者がブラックボディと呼ぶものに近いのです。 エネルギーを吸収すると発熱し、そのエネルギーを電磁波として再放射する。
現実の世界でも、黒体の振る舞いに近い物体があります。 これらは熱エネルギーの源でなければならず、光が源内部の物質と相互作用するように十分に不透明でなければなりません。 例えば、白熱電球のタングステンや星の中心部などがそうです。 黒体が作り出す連続スペクトルは特徴的で、放射波長に対する強度のプロットとして示すことができる。 このプロットは、電磁波が定量化されることを最初に提唱したドイツの物理学者マックス・プランクの名をとって、黒体曲線またはプランク曲線と呼ばれています。 下の図は、実効温度が6000Kで、太陽と同じ温度の物体に対するプランク曲線です。 Horrell
曲線をよく見ると、この天体は紫外線や赤外線を含むすべての波長で何らかの放射線を出していることが分かります。 また、放出されるエネルギー量はすべての波長で同じではなく、この場合、ピーク波長は可視光の領域にあることに気づくはずです。 では、黒体の光源の温度が異なるとどうなるのでしょうか？ 下のプロットは、6,000Kから4,000Kまでの4種類の温度の物体に対するプランクカーブです。ここでの波長はÅngstromsの単位で表されていることに注意してください。 1オングストローム＝0.1ナノメートルです。
曲線をどう比較しているか？ 二つの重要な点が明らかになるはずです。 まず、高温の天体は低温の天体に比べて、どの波長でもより多くのエネルギーを放射しています。 次に、高温の物体ほど、曲線のピークの波長が短くなります。 6,000Kの天体は明らかに可視域にピークを持つのに対し、4,000Kの天体は可視域と赤外域の境目にピークがあります。 すでに述べたように、星は黒体天体に近く、実効温度は2,000Kから30,000K程度まで変化する。このような極端な2つの星の強度を上のようなプロットにしようとすると、同じ直線スケールで表すことは極めて困難であろう。 ピーク波長を比較するだけなら、それぞれのピーク波長が強度=1.0に対応するように、規格化したエネルギー出力でプロットすることができます。
このプロットから、1万キロの星は紫外線にピーク波長を持ち、3千キロの星は赤外線にほとんどの放射を持つことがよくわかります。 曲線の形状は、星が発する連続スペクトルの異なる成分の相対的な強度を決定するだけでなく、星の色も決定する。 1万Kの星は青白く見え、3千Kの星は赤く見える。
線スペクトルの生成
線スペクトルには、明るい背景に暗い線を示す吸収スペクトルと、暗いまたは黒い背景に明るい線を示す発光スペクトルの2種類があります。 この2つのタイプは実は関連していて、原子の周りを回る電子と光の光子の間の量子力学的な相互作用によって生じるものである。 光の光子はそれぞれ特定の周波数を持っています。 光子のエネルギーは周波数の関数であり、次の式で求められます：
E = hf ここで f は光子の周波数、E はエネルギー、h はプランク定数 (= 6.626 x 10-34J.s)