- Typy widm
- Promieniowanie ciała czarnego
- Produkcja widm liniowych
Rodzaje widm
Widma można uprościć do jednego z trzech podstawowych typów. Proste przykłady w zakresie fal widzialnych pokazane są poniżej.
| Rodzaj widma | Przykład fotograficzny |
|---|---|
| Widmo ciągłe (lub continuum) |  |
| Absorpcja (ciemna linia) |  |
| Emisja (jasna linia) |  |
Jednym ze sposobów, dzięki któremu można uzyskać widmo ciągłe, jest emisja termiczna z ciała czarnego. Jest to szczególnie istotne w astronomii i jest omówione w następnym rozdziale. Widma astronomiczne mogą być kombinacją linii absorpcyjnych i emisyjnych na ciągłym widmie tła. Konkretne przykłady są omówione na innej stronie.
Promieniowanie ciała doskonale czarnego
Co daje początek widmu ciągłemu? Wyobraź sobie, że podgrzewasz solidną stalową kulę za pomocą palnika. Kiedy wyjmiesz palnik, możesz poczuć ciepło ponownie wypromieniowane przez kulę. Ponowne przyłożenie palnika wprowadza więcej energii do kuli – staje się ona jeszcze gorętsza. W końcu zaczyna świecić słabo. W miarę dalszego podgrzewania kula jarzy się najpierw na czerwono, potem na pomarańczowo, żółto, a następnie biało. Jeśli byłbyś w stanie ogrzać ją wystarczająco mocno, mogłaby nawet świecić na niebiesko. Ta kula jest zbliżona do tego, co fizycy nazywają ciałem czarnym.
Ciało czarne to teoretyczny obiekt, który jest całkowicie pochłaniający całą energię cieplną, która na niego pada, dlatego nie odbija żadnego światła, więc wydaje się czarny. Pochłaniając energię nagrzewa się i ponownie wypromieniowuje energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego.
W świecie rzeczywistym niektóre obiekty zbliżone są do zachowania ciał czarnych. Muszą to być źródła energii cieplnej i muszą być wystarczająco nieprzezroczyste, aby światło oddziaływało z materiałem wewnątrz źródła. Przykładami takich obiektów są wolframowe żarniki lamp żarowych oraz jądra gwiazd. Widmo ciągłe wytwarzane przez ciało czarne jest charakterystyczne i może być przedstawione jako wykres intensywności w zależności od długości emitowanej fali. Wykres ten nazywany jest krzywą ciała doskonale czarnego lub krzywą Plancka, od nazwiska niemieckiego fizyka Maxa Plancka, który jako pierwszy stwierdził, że promieniowanie elektromagnetyczne jest skwantyfikowane. Poniższy wykres przedstawia krzywą Plancka dla obiektu o temperaturze efektywnej 6000 K, czyli takiej samej jak temperatura Słońca.
Jeśli przyjrzysz się uważnie krzywej zauważysz, że obiekt emituje jakieś promieniowanie na każdej długości fali, w tym w pasmach ultrafioletu i podczerwieni. Powinieneś również zauważyć, że ilość emitowanej energii nie jest taka sama dla wszystkich długości fal i że w tym przypadku szczytowa długość fali mieści się w obszarze światła widzialnego. Co się stanie, jeśli temperatura źródła światła czarnego będzie inna? Poniższy wykres przedstawia krzywe Plancka dla obiektu w czterech różnych temperaturach od 6000 K do 4000 K. Zwróć uwagę, że długość fali jest tu wyrażona w jednostkach Ångstremów. 1 Ångstrem = 0,1 nanometra.
Jak wypadają te krzywe? Dwa kluczowe punkty powinny być widoczne. Po pierwsze, gorętszy obiekt emituje więcej energii na każdej długości fali niż chłodniejszy. Po drugie, im gorętszy obiekt, tym krótsza jest długość fali szczytu krzywej. Obiekt o temperaturze 6000 K wyraźnie osiąga szczyt w widzialnej części widma, podczas gdy szczyt obiektu o temperaturze 4000 K znajduje się na granicy zakresu widzialnego i podczerwonego. Jak już wspomniano, gwiazdy są zbliżone do ciał czarnych i ich temperatury efektywne mogą się różnić od około 2 000 K do około 30 000 K. Gdybyśmy próbowali nanieść intensywność świecenia dwóch gwiazd o tak skrajnych temperaturach na wykres jak ten powyżej, byłoby niezwykle trudno przedstawić je w tej samej skali liniowej. Gdybyśmy chcieli tylko porównać szczytowe długości fal, możemy je wykreślić przy użyciu znormalizowanego wydatku energetycznego, w którym szczytowa długość fali dla każdej z nich odpowiada intensywności = 1,0. Jest to pokazane poniżej dla sześciu różnych temperatur.
Wyraźnie widać na wykresie, że gwiazda o temperaturze 10 000 K będzie miała szczytową długość fali w ultrafioletowej części widma, podczas gdy gwiazda o temperaturze 3 000 K będzie emitowała większość swojego promieniowania w części podczerwonej. Kształt krzywej nie tylko określa względne natężenie różnych składników widma ciągłego wytwarzanego przez gwiazdę, ale także określa jej kolor. Gwiazda o temperaturze 10 000 K wydaje się niebiesko-biała, podczas gdy gwiazda o temperaturze 3 000 K wydaje się czerwona.
Produkcja widm liniowych
Widma liniowe występują w dwóch postaciach, widm absorpcyjnych, pokazujących ciemne linie na jasnym tle, oraz widm emisyjnych z jasnymi liniami na ciemnym lub czarnym tle. Te dwa typy są w rzeczywistości powiązane i powstają z powodu kwantowo-mechanicznych oddziaływań pomiędzy elektronami krążącymi wokół atomów i fotonami światła. Każdy z fotonów światła ma określoną częstotliwość. Energia fotonu jest funkcją jego częstotliwości i jest określona przez:
E = hf gdzie f jest częstotliwością fotonu, E jest energią, a h jest stałą Plancka (= 6.626 x 10-34J.s)
.