- Typer av spektrum
- Svartkroppsstrålning
- Produktion av linjespektrum
Typer av spektrum
Spektrum kan förenklat beskrivas till en av tre grundläggande typer. Enkla exempel i de synliga våglängderna visas nedan.
| Typ av spektrum | Fotografiskt exempel |
|---|---|
| Kontinuerligt (eller kontinuum) |  |
| Absorption (mörk linje) |  |
| Emission (ljus linje) |  |
Ett sätt att producera ett kontinuerligt spektrum är genom termisk emission från en svart kropp. Detta är särskilt relevant inom astronomin och diskuteras i nästa avsnitt. Astronomiska spektrum kan vara en kombination av absorptions- och emissionslinjer på ett kontinuerligt bakgrundsspektrum. Specifika exempel diskuteras på en annan sida.
Strålning från svarta kroppar
Vad ger upphov till ett kontinuerligt spektrum? Föreställ dig att du värmer en solid stålsfär med en blåslampa. När du tar bort facklan kan du känna hur värmen återstrålar från klotet. Om du sätter på ficklampan igen så förs mer energi in i klotet – det blir varmare. Till slut börjar den glöda svagt. När du fortsätter att värma upp den lyser klotet först rött, sedan orange, gult och slutligen vitglödande. Om du kan fortsätta att värma upp den tillräckligt mycket kan den till och med glöda blått. Denna sfär närmar sig vad fysikerna kallar en svart kropp.
En svartkroppsstrålare är ett teoretiskt objekt som är helt absorberande för all värmeenergi som faller på den, den reflekterar alltså inget ljus och framstår därför som svart. När den absorberar energi värms den upp och återstrålar energin som elektromagnetisk strålning.
I den verkliga världen finns vissa objekt som närmar sig svartkropparnas beteende. Dessa måste vara källor till värmeenergi och måste vara tillräckligt ogenomskinliga för att ljuset ska interagera med materialet inuti källan. Exempel på sådana objekt är volframtrådarna i glödlampor och stjärnornas kärnor. Det kontinuerliga spektrum som produceras av en svart kropp är utmärkande och kan visas som en intensitetsplott av intensiteten mot den emitterade våglängden. Denna kurva kallas svartkroppskurvan eller Planckkurvan, efter den tyske fysikern Max Planck som först postulerade att elektromagnetisk strålning kunde kvantifieras. Plotten nedan visar en Planckkurva för ett objekt med en effektiv temperatur på 6 000 K, samma temperatur som solen.
Om du tittar noga på kurvan kommer du att märka att objektet avger en viss strålning vid varje våglängd, inklusive i de ultravioletta och infraröda våglängderna. Du bör också lägga märke till att mängden energi som avges inte är densamma för alla våglängder och att den högsta våglängden i det här fallet ligger inom området för synligt ljus. Vad händer nu om temperaturen på den svarta kroppens källa är annorlunda? Diagrammet nedan visar Planckkurvor för ett objekt vid fyra olika temperaturer från 6 000 K till 4 000 K. Observera att våglängden här är uttryckt i enheter av Ångström. 1 Ångström = 0,1 nanometer.
Hur är kurvorna i jämförelse? Två viktiga punkter bör vara uppenbara. För det första avger ett varmare objekt mer energi vid varje våglängd än ett kallare objekt. För det andra, ju varmare objektet är, desto kortare är våglängden för kurvans topp. Objektet på 6 000 K har en tydlig topp i den synliga delen av spektrumet, medan toppen för objektet på 4 000 K gränsar mellan det synliga och det infraröda området. Som redan nämnts är stjärnor ungefär som svarta kroppar och deras effektiva temperatur kan variera från cirka 2 000 K till cirka 30 000 K. Om man försökte plotta intensiteten hos två stjärnor med dessa ytterligheter på en kurva som den ovan skulle det vara extremt svårt att visa dem på samma linjära skala. Om vi bara vill jämföra toppvåglängderna kan vi plotta dem med hjälp av en normaliserad energiutgång där toppvåglängden för var och en motsvarar en intensitet = 1,0. Detta visas nedan för sex olika temperaturer.
Du kan tydligt se i diagrammet att en stjärna på 10 000 K skulle ha sin högsta våglängd i den ultravioletta delen av spektrumet medan en stjärna på 3 000 K skulle avge det mesta av sin strålning i den infraröda delen. Kurvans form bestämmer inte bara den relativa intensiteten av de olika komponenterna i det kontinuerliga spektrum som stjärnan producerar, den bestämmer också stjärnans färg. En 10 000 K stjärna är blåvit medan en 3 000 K stjärna är röd.
Produktion av linjespektrum
Linjespektrum förekommer i två former, absorptionsspektrum, som visar mörka linjer på en ljus bakgrund, och emissionsspektrum med ljusa linjer på en mörk eller svart bakgrund. Dessa två typer är i själva verket besläktade och uppstår på grund av kvantmekaniska interaktioner mellan elektroner som kretsar runt atomer och fotoner av ljus. Ljusfotoner har var och en en specifik frekvens. En fotons energi är en funktion av dess frekvens och bestäms av:
E = hf där f är fotonens frekvens, E är energin och h är Plancks konstant (= 6,626 x 10-34J.s)
.