- Tipuri de spectre
- Radiația corpului negru
- Producția spectrelor de linie
Tipuri de spectre
Spectrele pot fi simplificate la unul din cele trei tipuri de bază. Exemple simple în benzile de undă vizibile sunt prezentate mai jos.
| Exemplu fotografic | |
|---|---|
| Spectru continuu (sau continuum) |  |
| Absorbție (linie întunecată) |  |
| Emisie (linie luminoasă) |  |
Un mijloc prin care se poate produce un spectru continuu este emisia termică a unui corp negru. Acest lucru este deosebit de relevant în astronomie și este discutat în secțiunea următoare. Spectrele astronomice pot fi combinații de linii de absorbție și de emisie pe un spectru de fond continuu. Exemple specifice sunt discutate pe o altă pagină.
Radiația corpului negru
Ce dă naștere unui spectru continuu? Imaginați-vă că încălziți o sferă solidă de oțel cu o lampă de sudură. Când îndepărtați flacăra puteți simți căldura care este re-radiată de sferă. Dacă aplicați din nou flacăra puneți mai multă energie în sferă – aceasta se încălzește și mai tare. În cele din urmă, aceasta începe să strălucească slab. Pe măsură ce continuați să o încălziți, sfera strălucește mai întâi în roșu, apoi în portocaliu, galben și apoi în alb. Dacă ați reușit să continuați să o încălziți suficient, s-ar putea să strălucească chiar și în albastru. Această sferă se apropie de ceea ce fizicienii numesc un corp negru.
Un corp negru radiant este un obiect teoretic care absoarbe în totalitate toată energia termică care cade pe el, astfel că nu reflectă nicio lumină, deci pare negru. Pe măsură ce absoarbe energie, se încălzește și re-radiază energia sub formă de radiație electromagnetică.
În lumea reală, unele obiecte se apropie de comportamentul corpurilor negre. Acestea trebuie să fie surse de energie termică și trebuie să fie suficient de opace pentru ca lumina să interacționeze cu materialul din interiorul sursei. Exemple de astfel de obiecte includ filamentele de tungsten ale lămpilor cu incandescență și miezul stelelor. Spectrul continuu produs de un corp negru este caracteristic și poate fi prezentat sub forma unui grafic al intensității în funcție de lungimea de undă emisă. Această diagramă se numește curba corpului negru sau curba Planck, după numele fizicianului german Max Planck, care a postulat pentru prima dată că radiația electromagnetică este cuantificată. Graficul de mai jos arată o curbă Planck pentru un obiect cu o temperatură efectivă de 6.000 K, aceeași temperatură ca și cea a Soarelui.
Dacă vă uitați cu atenție la curbă veți observa că obiectul emite o anumită radiație la fiecare lungime de undă, inclusiv în benzile de undă ultraviolete și infraroșii. De asemenea, ar trebui să observați că cantitatea de energie emisă nu este aceeași pentru toate lungimile de undă și că, în acest caz, lungimea de undă maximă se încadrează în regiunea luminii vizibile. Ce se întâmplă acum dacă temperatura sursei corpului negru este diferită? Graficul de mai jos prezintă curbele Planck pentru un obiect la patru temperaturi diferite, de la 6.000 K la 4.000 K. Rețineți că lungimea de undă este exprimată aici în unități de Ångstroms. 1 Ångstrom = 0,1 nanometri.
Cum se compară aceste curbe? Două puncte cheie ar trebui să fie evidente. În primul rând, un obiect mai fierbinte emite mai multă energie la fiecare lungime de undă decât unul mai rece. În al doilea rând, cu cât obiectul este mai cald, cu atât lungimea de undă a vârfului curbei este mai scurtă. Obiectul de 6.000 K atinge clar vârful în partea vizibilă a spectrului, în timp ce vârful obiectului de 4.000 K se află la granița dintre vizibil și infraroșu. După cum s-a menționat deja, stelele se apropie de obiectele de corp negru și pot varia în ceea ce privește temperaturile lor efective de la aproximativ 2.000 K la aproximativ 30.000 K. Dacă ați încerca să reprezentați intensitatea a două stele cu aceste extreme pe un grafic precum cel de mai sus, ar fi extrem de dificil să le arătați pe aceeași scară liniară. Dacă am dori doar să comparăm lungimile de undă de vârf, le putem reprezenta grafic folosind un randament energetic normalizat în care lungimea de undă de vârf pentru fiecare corespunde unei intensități = 1,0. Acest lucru este prezentat mai jos pentru șase temperaturi diferite.
Puteți vedea clar din grafic că o stea de 10.000 K ar avea lungimea de undă maximă în partea ultravioletă a spectrului em, în timp ce o stea de 3.000 K ar emite cea mai mare parte a radiației sale în partea infraroșie. Nu numai că forma curbei determină intensitatea relativă a diferitelor componente ale spectrului continuu produs de stea, dar determină și culoarea stelei. O stea de 10.000 K apare alb-albastră, în timp ce o stea de 3.000 K apare roșie.
Producerea spectrelor de linie
Spectrele de linie apar în două forme, spectre de absorbție, care prezintă linii întunecate pe un fond luminos, și spectre de emisie cu linii luminoase pe un fond întunecat sau negru. Aceste două tipuri sunt de fapt legate între ele și apar datorită interacțiunilor mecanice cuantice dintre electronii care orbitează în jurul atomilor și fotonii de lumină. Fotonii de lumină au fiecare o frecvență specifică. Energia unui foton este o funcție de frecvența sa și este determinată de:
E = hf unde f este frecvența fotonului, E este energia și h este constanta lui Planck (= 6,626 x 10-34J.s)
.