Спектральный анализ и его применение в астрономии. Доклад: Спектр и спектральный анализ

Спектральный анализ - главный метод определения химического состава удалённых светящихся объектов, например, звёзд. Первыми элементами, открытыми посредством этого метода, стали цезий и рубидий. А вскоре обнаружился и гелий, причём, на Солнце его открыли на 27 лет раньше, чем на Земле.

Всем известны семь основных цветов, распознаваемых нашим глазом, но ещё есть оттенки в переходе от одного цвета к другому. Свет – это смесь электромагнитных колебаний, и каждое колебание имеет свою длину волны, и, соответственно, свой цвет. Пропуская свет от объекта через призму, его разлагают на спектры. От получившейся картины (спектрограммы) и делают выводы о характеристиках испустившего свет объекта . Пример из жизни - радуга после дождя. Капли дождя разлагают свет, летящий от солнца на семь основных цветов. Единица измерения длин волн – Ангстремодна стомиллионная часть сантиметра

Все спектры, которые возможно наблюдать, подразделяются на три класса:

1. Линейчатый спектр излучения. Эмиссионные линии испускаются нагретым газом, находящимся в разреженном состоянии.
2. Непрерывный спектр. Эти виды спектров получаются у твёрдых тел, жидкостей, а также горячих непрозрачных газов.
3. Линейчатый спектр поглощения. Спектр образуется, если излучение от горячего тела, обладающего непрерывным спектром, проходит сквозь разреженную холодную среду.

Применение в астрономии

Спектральный анализ очень широко применяется в современной астрономии. Это метод, способный выдавать самые подробные и уникальные сведения об объектах космоса.

Анализируя излучения объекта, можно очень точно установить его основные характеристики.

Распространение света имеет вид электромагнитных волн. Для каждого цвета характерна длина волны определённой величины. Длина волны уменьшается в спектре от 7000 Ангстрем до 4000 Ангстрем, от красных лучей – к фиолетовым. После фиолетовых лучей располагаются ультрафиолетовые лучи. Они не улавливаются глазом, но фиксируются приборами. После ультрафиолетового идут рентгеновские лучи - они имеют еще меньшую длину волны.

Другая сторона спектра, красная, продолжается инфракрасными лучами, также невидимыми человеческому глазу, но улавливаемыми специально подготовленными фотопластинками. Спектральные наблюдения – это исследования лучей в диапазоне цветов от ультрафиолетового до инфракрасного.Насыщенность спектральных линий определяет количество молекул и атомов, излучающих или поглощающих энергию. Количество атомов тем больше, чем ярче линия в излучаемом спектре и темнее в поглощаемом. Для и всех остальных звёзд характерно наличие . Излучение, проходящее через атмосферу, проявляется тёмными линиями поглощения на непрерывном спектре видимой поверхности. Для таких объектов – это спектры поглощения. Спектральный анализ, базирующийся на , позволяет определять скорости движения небесных тел относительно нашей планеты по лучу зрения. У Приближающегося к наблюдателю источника света укорачиваются длины волн, а если источник удаляется, то длины волн будут увеличиваться. Если тело движется на Земле, то его скорость вызывает ничтожные в спектре. И даже скорости небесных тел, имеющие значения десятков и сотен км./сек., видимы в настолько малых смещениях, что наблюдение их на спектрограммах реально только помощи микроскопа. Полученная спектрограмма светила сравнивается с эталонами, которыми служат спектрограммы земных источников излучения, например, неоновой лампы. Относительно неподвижного спектра в эталонах определяется сдвиг спектральных линий наблюдаемого объекта. Этот сдвиг очень мал, и величина его исчисляется десятыми и сотыми долями миллиметра.

Значение для космологии

В настоящее время все спектры химических элементов определены и сведены в специальные таблицы. Спектральный анализ позволил открыть некоторые неизвестные элементы, например, рубидий и цезий. И эти новые элементы иногда получали названия, соответствующие цветам преобладающих линий спектра: рубидий даёт тёмно-красные линии, а цезий (небесно-голубой) – голубые. Только спектральный анализ помог определить химический состав нашего светила и других звёзд. Использование иных методов для достижения этой цели не представляется возможным. Как оказалось, и на нашей планете, и на далёких звёздах присутствуют одинаковые химические элементы. Астрофизика, используя спектральный анализ, узнаёт характеристики, которыми обладают звёзды, газовые облака и другие объекты. Это химический состав, температура, скорость движения, магнитная индукция, давление. Все эти величины определяются только анализом спектральных линий космических объектов. Приняв на вооружение эффект Доплера, стало возможным измерение лучевых скоростей тысяч звёзд, газовых туманностей и других внегалактических объектов. Определились закономерности движения отдельных светил и вращения звёздных систем. Были установлены величины масс галактик и звёздных скоплений. Используя эффект, открытый голландским физиком Зееманом, можно определять параметры космических магнитных полей. Сильные магнитные поля расщепляют линии спектра. Такой эффект создаёт и поле электрическое, которое может возникать в звезде на непродолжительное время (эффект Штарка).

Спектр излучения — это электромагнитное излучение всякого нагретого тела, наблюдаемое с помощью спектральных приборов.

Спектр поглощения — спектр, получающий при прохождении и поглощении электромагнитного излучения в веществе.

Спектральный анализ — метод исследования химического состава и физических характеристик небесных объектов, основанный на изучении их спектров.

Спектрограмма — фотографический снимок спектра небесного тела или график зависимости интенсивного изучения в зависимости от длины волны или частоты.

2. Закончите предложения

Непрерывный (сплошной) спектр испускают все твёрдые тела, расплавленные металлы, светящиеся газы и пары, находящиеся под очень большим давлением.

Линейчатый спектр образуется при нахождении газа в атомарном состоянии и когда его давление мало отличается от нормального.

Спектральными линиями называют узкие участки спектра, на которых интенсивность излучения усилена либо ослаблена.

3. Вычеркните неправильные утверждения о применении спектрального анализа в астрономии

• а) по спектру можно определить температуру звезды;
• б) по спектру можно определить химический состав звезды;
• в) по спектру можно определить характер рельефа поверхности планеты;
• г) по спектру можно определить звёздную величину и светимость звезды.

4. Перед тем как отправится в космос, свет фотосферы звезды должен пройти через её атмосферу. Какая из этих областей образует непрерывный спектр и спектр поглощения?

Непрерывный спектр образует фотосфера , спектр поглощения — атмосфера .

5. Вставьте пропущенные слова и закончите предложения

Закон смещения Вина записывается в виде формулы:

где буквами обозначены: λ — длина волны, которой соответствует максимум в распространении энергии; T — абсолютная температура; b — постоянная Вина.

Закон Вина можно применять не только для оптического диапазона электромагнитного излучения, но и для любого другого диапазона волн .

Мощность излучения абсолютно чёрного тела определяется законом Стефана—Больцмана, который записывается следующим образом:

где буквами обозначены: ε — мощность излучения единицы поверхности нагретого тела; σ — постоянная Стефана—Больцмана; T — абсолютная температура.

При движении источника излучения относительно относительно наблюдателя возникает эффект Доплера. Сущность эффекта состоит в следующем: если источник излучения движется по лучу зрения наблюдателя со скоростью v (лучевая скорость), то вместо длины волны λ(0) (её излучает источник) наблюдатель фиксирует длину волны λ.

Лучевой скоростью называют проекцию пространственной скорости небесного объекта на луч зрения (на направление от объекта к наблюдателю).

Лучевая скорость связана со сдвигом спектральных линий формулой

Спектральный анализ - мощнейшее орудие изучения космических объектов.

Прибор для получения спектра - спектроскоп состоит из коллиматора, призмы и зрительной трубы (рис.). В передней части коллиматора, обращенной к источнику света, установлена узкая щель. От нее внутрь трубки коллиматора идет расходящийся пучок лучей. Щель располагают в главном фокусе объектива коллиматора, так что из коллиматора выходит параллельный пучок лучей.

Что произойдет, если мы направим этот пучок лучей в объектив третьей составной части спектроскопа - зрительной трубы?

Ее объектив соберет лучи в своем главном фокусе и здесь образуется изображение щели; мы можем его рассматривать в окуляр и увидим четкое изображение входной щели спектроскопа.

Между объективами коллиматора и зрительной трубы помещают трехгранную стеклянную призму таким образом, чтобы ее преломляющее ребро было параллельно щели. Призма преломляет падающий на нее из объектива коллиматора параллельный поток лучей, отклоняя его к своему основанию. При этом лучи различного цвета отклоняются по-разному, в зависимости от длины волны, как это следует из формулы (3.2). Таким образом, призма разлагает свет на совокупность одноцветных (монохроматических) пучков лучей. Вместо одного изображения щели в фокальной плоскости зрительной трубы спектроскопа образуется множество разноцветных изображений щели, примыкающих друг к другу и распределенных в соответствии с изменением длин волн, т. е. радужная полоска спектра. То направление, в котором вытянут спектр, называется направлением дисперсии. Понятно, почему щель спектроскопа должна быть достаточно узкой. Если мы расширим щель, то соседние монохроматические изображения належатся друг на друга и спектр «замоется».

При визуальных наблюдениях в спектроскоп мы видим радужную полоску спектра. Если же вместо окуляра поместить в фокальной плоскости зрительной трубы кассету, то зрительная труба превратится в фотографическую камеру, а спектроскоп в спектрограф - прибор, широко используемый астрофизиками. Правда, при его помощи получают черно-белое изображение спектра, но это нисколько не мешает получению богатейшей информации о небесных светилах.

Рис. Устройство спектроскопа

Спектр излучения, испускаемого накаленным твердым телом или нагретой до свечения жидкостью,- сплошной. Если посмотреть через спектроскоп на нить электрической лампочки, то можно увидеть яркую радужную полоску, которая называется непрерывным спектром. Существуют способы, которые дают возможность измерять интенсивность излучения в различных длинах волн. Тогда, отложив на горизонтальной оси длины волны Я, а на вертикальной оси - интенсивность излучения (энергию) Е\, получим график, который называется кривой распределения энергии в спектре (рис. 74). Вид этой кривой зависит главным образом от температуры излучателя. Для лучей, обладающих малой длиной волны, энергия Еλ мала. По мере увеличения длины волны энергия возрастает и при некоторой длине волны λ макс достигает максимума; при дальнейшем увеличении длины волны энергия излучения убывает. Оказывается, что температура Т и λ, макс связаны между собой формулой

Т х λ Макс = постоянной величине.

Эта формула выражает закон Вина (В формулу входит абсолютная температура Г, отсчитываемая от температуры t = -273° по шкале Цельсия. ) Из нее следует, что мало нагретые тела излучают длинноволновые (инфракрасные) лучи, в то время как сильно нагретые сильнее всего излучают синие и даже фиолетовые лучи. Изучая распределение энергии в спектре, можно определять температуру звезд. В этом состоит одна из задач, которые ставит перед собой астроспектроскопия.

Однако спектральные исследования дают возможность получать гораздо более богатую информацию о небесных светилах. Дело в том, что нагретый, доведенный до свечения разреженный газ излучает не непрерывный спектр, а линейчатый, состоящий из определенного набора узких, почти монохроматических спектральных линий. Яркие линии называются эмиссионными. Так, например, если ввести в пламя горелки обычную поваренную соль, то оно окрасится в интенсивный желтый цвет. В спектроскоп мы увидим две яркие желтые эмиссионные спектральные линии, обозначаемые D 1 и D 2 , испускаемые нагретыми парами натрия, который входит в состав поваренной соли. Особенно богат линиями спектр железа, превращенного при высокой температуре в газообразное состояние.

Составлены подробные атласы и каталоги спектральных линий химических элементов, и это помогает производить спектральный анализ вещества, узнавать, какие химические элементы в нем присутствуют.

Надо иметь в виду, что помимо эмиссионных линий наблюдаются также абсорбционные, темные линии поглощения, которые занимают те же места в спектре. Их легко пронаблюдать в лаборатории, если проделать такой опыт. Наблюдая в спектроскоп непрерывный спектр накаленного твердого тела, поместим на пути лучей, между этим телом и щелью спектроскопа, пламя горелки, насыщенной парами натрия. На месте двух ярких желтых эмиссионных линий натрия мы увидим на фоне непрерывного спектра две темные линии D 1 и D 2 , так как пары и газы способны поглощать те же самые излучения, которые они сами испускают.

Вид линейчатого спектра, длины волн спектральных линий зависят от свойств данного атома. Как известно, атом любого химического элемента состоит из центрального, положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Наименее прочно связанный с ядром электрон легче поддается внешним воздействиям - его называют оптическим электроном. Этот электрон способен поглощать падающую на атом извне энергию излучения; «запасаясь» дополнительной энергией, он изменяет свое движение, приходя в возбужденное состояние. Он может также прийти в возбужденное состояние и в результате столкновений атома с другим атомом или электроном, которые неизбежны при тепловом движении.

Атомная физика установила, что у каждого атома существуют свои определенные дискретные энергетические уровни, и электрон, при своих переходах может «задерживаться» только на них. Каждому из уровней можно приписать определенный номер-главное квантовое число; чем выше расположен этот уровень, тем больше его энергия. Обозначим энергию, соответствующую квантовому числу k, через Е k , а квантовому числу i - через Е i и допустим, что E k больше, чем E i . Пусть, далее, оптический электрон возбужден до состояния E k . По законам атомной физики электрон не может долго оставаться в возбужденном состоянии (за исключением некоторых уровней энергии) и через миллионные доли секунды самопроизвольно, как говорят, спонтанно, должен перейти в другое состояние, обладающее меньшей энергией.

Допустим, что он перешёл и состояние с энергией Е i . Этот переход сопровождается излучением фотона, энергия которого равна разности ек - ei. Фотон будет иметь частоту vfti, которая вычисляется по формуле

Hν ki = E k - E i (3.5)

Где h - постоянная Планка, равная 6,6 X 10-27 эрг" х сек. Фотон имеет не только частоту, но и длину волны λ = с: ν, где через с обозначена скорость света.

Таким образом, в результате этого перехода оптический электрон испустит дискретную спектральную линию, обладающую длиной волны λ ki . Так, из различных переходов оптического электрона образуется линейчатый эмиссионный спектр.

В нормальном, невозбужденном состоянии электрон обладает энергией самого глубокого уровня, которую мы обозначим через Е±. Теперь допустим, что на атом падает извне излучение самых разнообразных частот v. Может ли оптический электрон поглотить излучение любой частоты, т. е. любой длины волны? Конечно, нет, и вот почему.

У данного атома имеются следующие «дозволенные» уровни энергии, которые мы выписываем в порядке ее возрастания:

Е 1 ,Е 2 ,Е 3 ,...Е i ,...,Е k ,...,Е ∞

Электрон может поглощать излучения только тех частот, которые соответствуют переходам

Е 2 - Е 1 = hν 21 , Е 3 - Е 1 = hν 31 , Е 4 - Е 1 = hν 41 и т. д.

Все эти переходы соответствуют дискретным спектральным линиям с длинами волн

λ 21 ,λ 31 ,λ 41 и т.д.,

Которые все вместе образуют серию спектральных линий, соответствующих поглощению излучения электроном при его переходе с одного и того же уровня энергии Е 1 .

Если перед тем, как поглотить энергию излучения, оптический электрон уже был возбужденным и находился, например, в состоянии с энергией E 2 , то он может поглощать порции энергии

Е 3 - Е 2 = hν 32 , Е 4 - Е 2 = hν 42 , Е 5 - Е 2 = hν 52

Т. е. опять набор дискретных частот (следовательно, дискретных длин волн), но на этот раз другой серии, у которой нижний уровень энергии Е2.

Обобщая сказанное, заметим, что серий спектральных линий у данного атома бесконечно много, так как они могут начинаться с любого из уровней энергии. На практике приходится встречаться только с небольшим числом серий, потому что по мере увеличения квантового числа, соответствующего наиболее низкой энергии уровня, определяющего данную серию, вся серия сдвигается в инфракрасную часть спектра тем дальше, чем больше «начальное» квантовое число данной серии.

Но не следует думать, что один атомов результате единичного акта поглощения энергии одним электроном может поглотить все доступные для него излучения соответствующих длин волн. В результате единичного акта поглощения образуется только одна спектральная линия. Однако если атомов много и они помещены в поле излучения, обладающего самыми разнообразными частотами, то в непрерывном спектре этого излучения появятся все линии поглощения, объединяемые описанными выше сериями. В то же время, излучение с промежуточными длинами волн поглощаться не может, и для него «облако» атомов прозрачно. Для того чтобы наглядно разобраться в систематике спектральных линий данного химического элемента, свойственные ему дозволенные уровни энергии располагаются в виде схемы. Такая схема для атомов водорода изображена на рис. Чем больше запас энергии оптического электрона, тем выше расположен уровень. Поэтому переходы с нижних уровней на верхние соответ-ствуют актам поглощения, т. е. образованию абсорбционной линии (т. е. линии поглощения). При переходах же сверху вниз происходит излучение эмиссионной спектральной линии.

Слева от каждого уровня отмечены главные квантовые числа-номера уровней 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Следующие, более высокие уровни надо нумеровать 7, 8, 9 и т. д. до бесконечности. При росте квантовых чисел уровни сближаются, и уровень энергии, помеченный знаком оо, соответствует бесконечно большому квантовому числу. Если электрон, находящийся в невозбужденном состоянии Е 1 , поглотит соответствующую этому уровню энергию, то он теряет связь с атомом и уходит от него в пространство, а атом ионизуется, приобретая при этом избыточный электрический заряд. Подсчитаем эту энергию и частоту поглощаемого излучения ν∞ 1 . Тогда по формуле (3.5) hν∞ 1 = Е ∞ - Е 1 . Частота ν∞ 1 называется частотой «головы» серии. Ей соответствует длина волны ν∞ 1 .

Пусть теперь оптический электрон уже был возбужден до состояния Е 2 . Тогда для ионизации атома надо, чтобы электрон поглотил энергию

Е ∞ - Е 2 = hν∞ 2 ,

Которой соответствуют частота ν∞ 2 и длина волны λ∞ 2 . Это длина волны головы второй серии. Таким образом, каждая из серий имеет свою голову.

Но электрон может поглощать и большую энергию, т. е. еще более жесткое излучение, обладающее меньшей длиной волны.

Тогда он покинет атом с остаточной энергией 1/2 mυ 2 , которую можно вычислить по формуле

1/2 mυ 2 = hν - (Е ∞ - Е i) , (3.6)

Где через E i обозначена энергия того уровня, на котором находился электрон в момент поглощения фотона.

Таким образом, помимо линейчатого спектра, образуется и непрерывный.

Водород - один из наиболее распространенных во Вселенной химических элементов, и с его свойствами нам придется встретиться в дальнейшем не раз. Поэтому рассмотрим его несколько подробнее.

Находясь в нормальном состоянии Ег, оптический электрон может поглотить излучение, имеющее длину волны 1216 ангстрем (Ангстрем - единица длины, равная 10 -8 см. Обозначается буквой А. ). Образуется абсорбционная линия серии Лаймана, называемая линией Лайман-альфа (L α). Электрон же переходит в возбужденное состояние, соответствующее уровню энергии Е 2 .

При поглощении энергии Е 3 - Е 1 электрон переходит на третий уровень: образуется линия, имеющая длину волны 1026 А и называемая линией Лайман-бета (Lβ). Ее длина волны меньше, чем у L α . При переходе с первого уровня на четвертый поглощается спектральная линия L γ , с длиной волны 973 А. Дальнейшие переходы из состояния Е 1 приводят к появлению всей серии Лаймана, которая сгущается к своей голове с длиной волны 912 А. С этой длины во^ны в сторону более коротких волн вступает в свои права область непрерывного поглощения. При поглощении более жесткого излучения атом водорода ионизуется.

В земных условиях серия Лаймана в спектрах небесных светил наблюдаться не может, так как коротковолновый участок спектра с длинами волн меньшими 3200 А полностью поглощается земной атмосферой. Таким образом, серию Лаймана можно наблюдать в лабораториях или вне земной атмосферы со спутников и орбита-тальных обсерваторий. Это одна из задач внеатмосферной астрономии.

Переходы электрона со второго (возбужденного) уровня на более высокие порождают знаменитую серию Бальмера, которая не поглощается атмосферой. Ее хорошо видно в спектрах многих звезд.

При переходе оптического электрона со второго уровня на третий образуется линия поглощения Н α , расположенная в красной области спектра. Линия поглощения Нр образуется при переходе электрона со второго уровня на четвертый; она обладает меньшей длиной волны, чем Н α . Далее следует H γ , Н δ и т. д. Вся серия Бальмера сходится к своей голове, которая имеет длину волны, равную 3646 А. При более коротких длинах волн мы снова встречаем область непрерывного поглощения, приводящего к ионизации атома. На этот раз электрон покидает атом со второго уровня, из возбужденного состояния.

При переходах электрона с третьего уровня на высшие образуется серия спектральных линий Пашена - Бака, расположенная в инфракрасной области спектра.

До сих пор мы имели дело с атомарным спектром поглощения. Все сказанное можно применить и к эмиссионным спектрам излучения. Если электрон находится в верхнем возбужденном состоянии с энергией E k , то он может, как мы говорили, испустить фотон частоты ν ki , возвращаясь на более низкий энергетический уровень E i . В спектре появится яркая линия - эмиссионная. При этом часто возникает «размен» одного фотона на несколько, обладающих меньшими частотами. Приведем конкретный пример. Допустим, что в результате поглощения излучения оптический электрон атома водорода перешел с нормального уровня Е 1 на уровень с энергией Е 4 . Это соответствует поглощению спектральной линии L γ . После этого у возбужденного оптического электрона могут быть четыре возможности спонтанного перехода на уровни меньшей энергии:

1) переход с четвертого уровня на первый, при котором излучается та же спектральная линия L γ ;

2) переход с четвертого уровня на второй, а затем со второго -на первый; излучаются две спектральные линии Н β и L α ;

3) переход с четвертого уровня на третий, а затем с третьего - на первый; излучаются две спектральные линии: Пашена - Бака α и Н β ;

4) переход с четвертого уровня на третий, далее с третьего -на второй, и затем со второго на первый; излучаются три спектральные линии Пашена - Бака α, Н α и L α .

Такое явление наблюдается в космическом разреженном газе. Заметим, что при разделении одного фотона на несколько каждая из возникших спектральных линий имеет большую длину волны по сравнению с поглощенной.

Более детальное исследование атомных спектров и строения электронных оболочек атомов привело к выводу, что каждый энергетический уровень E k , отвечающий главному квантовому числу k , состоит из нескольких подуровней. Они характеризуются, кроме главного квантового числа, еще побочными квантовыми числами и несколько отличаются друг от друга величиной энергии; теперь у них различные энергии, группирующиеся около E k . По законам атомной физики не всякие переходы между подуровнями могут осуществляться, или, как говорят, разрешены. Бывают случаи, когда возбужденный оптический электрон после излучения разрешенной спектральной линии попадает на такой подуровень, из которого нет разрешенного выхода в сторону более глубоких уровней энергии, и он застревает в этом состоянии надолго. Тогда говорят, что электрон попал на сверхустойчивый, метастабильный уровень.

Однако законы атомной физики не знают абсолютных запрещений. Если переход из метастабильного уровня путем излучения запрещен, то это еще не означает, что он не может осуществиться. Дело в том, что время пребывания электрона на метастабильном уровне гораздо продолжительнее, чем на нормальном. Если за это время никакая внешняя причина (например, столкновение с другим атомом либо дополнительное поглощение фотона) не вы-ведет^электрон с метастабильного уровня, то он придет в нормальное состояние, испустив «запрещенную» спектральную линию.

Для осуществления такого перехода нужно, чтобы газ был очень разреженным и внешнее излучение было достаточно слабым. Это осуществляется, например, у планетарных туманностей и в солнечной короне.

У атома водорода самый глубокий уровень энергии Е 1 состоит из двух подуровней, которые отличаются двумя возможными различными направлениями вращения электрона вокруг оси. Хотя эти уровни мало отличаются по энергии, один из них несколько выше и является метастабильным. Небольшая разность значений энергии приводит, в согласии с формулой (3.5), к тому, что в случае излучения запрещенной линии ее частота должна быть малой, а следовательно, длина волны - большой. Действительно, атом водорода, находясь в условиях космического пространства, излучает «радиолинию» с длиной волны, равной 21 см.

Теперь перейдем к описанию молекулярных спектров поглощения. Они состоят из более или менее широких полос, размещенных в характерных для данной молекулы участках спектра. Каждая из полос состоит из очень большого числа спектральных линий, столь тесно расположенных друг к другу, что их можно разделить только при помощи спектральных приборов, обладающих огромной дисперсией.

Молекулярные спектры хорошо изучены в земных лабораториях, и это дает возможность судить по виду спектра о химическом составе поглощающей свет среды, сквозь которую проходит излучение. Молекулы образуются и становятся устойчивыми при сравнительно низких температурах, например, в оболочках холодных (красных) звезд и в атмосферах планет.

Теперь надо упомянуть еще об одном явлении, на котором основаны многие важные выводы астрофизики. Речь идет о принципе Доплера, согласно которому при движении источника света вдоль луча зрения длины волн спектральных линий изменяются пропорционально скорости. Если нормальная (лабораторная) длина волны какой-либо спектральной линии равна А,0, а наблюдаемая длина волны λ, то справедлива формула

В ней через с обозначена скорость света, а через υ r - лучевая скорость, равная проекции пространственной скорости на луч зрения. Если источник света удаляется, то длины волн увеличиваются, а если он приближается, то длины волн уменьшаются. Как нетрудно видеть из формулы (3. 7), у удаляющегося источника света лучевые скорости положительны, а у приближающегося -отрицательны.

До сих пор мы говорили главным образом о лабораторных исследованиях спектров. При изучении спектров небесных тел нужно учитывать некоторые особые условия.

Звезды, в том числе и Солнце,- огромные скопления газообразного, нагретого до высокой температуры вещества. В их внешних частях плотность и давление газа малы, но они быстро возрастают по мере углубления в недра. Быстро растет и температура. Достаточно сказать, что если во внешних слоях Солнца температура близка к шести тысячам градусов, то вблизи его центра она доходит до нескольких миллионов градусов. Скорость теплового движения газа здесь столь велика, что столкновения атомов приводят к их полной ионизации. Расчеты показывают, что такое вещество мало прозрачно для излучения. При подъеме в наружные слои непрозрачность уменьшается и, наконец, мы встречаемся с таким слоем, от которого к нам идет наблюдаемое нами излучение. Этот слой называется фотосферой.

Фотосфера испускает тепловое излучение, имеющее непрерывный спектр; оно возникает за счет хаотических тепловых движений заряженных частиц - электронов и ионов.

Над фотосферой расположены более разреженные и более холодные слои, в которых поглощается идущее от фотосферы излучение. Здесь образуется описанный выше спектр поглощения. Таким образом, изучая химический состав звезд по их спектрам, мы исследуем состав звездных атмосфер, но не звездных недр.

Точно так же, изучая дополнительные спектральные линии, возникающие в спектре той или иной планеты, по сравнению со спектром Солнца, мы изучаем химический состав ее атмосферы.

Кроме того, не надо забывать, что и земная атмосфера частично поглощает те или иные спектральные линии и полосы, которые называются теллурическими. Особенно сильно поглощение, производимое молекулами кислорода и водяными парами.

Доступны ли любителю астрономии исследования спектров небесных светил?

Конечно, многие задачи, такие, например, как определение лучевых скоростей, требующие применения очень сложного, мощного и дорогого оборудования, любитель решать не может. Вместе с тем некоторые спектральные наблюдения можно выполнять, пользуясь весьма скромными, подчас самодельными инструментами.

Спектральный анализ в астрономии

В 17 веке английский учёный Исаак Ньютон, наблюдая за звёздами в телескоп, заметил радужную окраску на изображениях. Исследовав явление, он открыл световую дисперсию, которая стала основой современного спектрального анализа. Он основан на изучении распределения интенсивности излучения в зависимости от длины волны. Для этого применяются специальные приборы - фотометры и спектрографы. Благодаря этому методу человечество узнало о масштабах вселенной, эволюции звёзд и перестало ограничивать космос видимым небом.

Виды спектра

Световые волны являются частью огромного диапазона излучений. За видимой границей синей части спектра находятся ультрафиолетовая и рентгеновская зоны. За красным краем распределения лежит тепловая часть длин волн. Гигантские раскалённые тела обычно дают ровный линейный спектр. Нагретые разреженные газы и пары излучают наборы ярких линий определённых цветов. Свет прошедший через облака газов даёт спектр поглощения. Неизлучающие твёрдые тела и жидкости такими методами изучить невозможно. Их состав определяют с помощью фотометров, например модели В-1200 , работающей в диапазонах от инфракрасного до ультрафиолетового.

Анализ космических объектов

Для изучения астрономических тел спектрографию начали применять ещё в 19 веке. Сначала линии поглощения нашли в излучении Солнца. Впоследствии выяснилось, что собственным оригинальным набором полос обладают Сириус, Вега и другие звёзды. К настоящему времени составлен обширный каталог спектрограмм космических объектов. Он позволяет определить химический состав их атмосфер, анализируя линии поглощения.

Другой интересный способ применения спектрометрии в астрофизике разработал в середине 19 века австриец Кристиан Допплер. Он основан на эффекте искажения длины волны для наблюдателя от движущегося источника. При удалении она увеличивается, а при приближении уменьшается. Таким образом, появился способ определять скорость объектов по отношению к Земле. В настоящее время приборы спектрального анализа установлены на множестве космических аппаратах, что даёт новые возможности для астрономов из-за отсутствия влияния атмосферы на результаты исследований.

Спектральный анализ

© Знания-сила

Понятие о спектральном анализе

Сегодня спектральный анализ является одним из основных средств изучения астрономических объектов в астрофизике. С его помощью получены сведения о природе светил, их движении, развитии и химическом составе.

Спектральный анализ основан на свойстве света разлагаться на составляющие его цветовые лучи, т.е. в спектр. По зрительному ощущению мы различаем в спектре семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, но в действительности наблюдается переход от одного цвета к другому через промежуточные оттенки. Почему цвета в спектре располагаются в строго определенном порядке, установлено исследованием природы света. Было выяснено, что свет представляет собой распространяющуюся в пространстве смесь электромагнитных колебаний, каждое из которых имеет свой период и соответствующую ему длину волны. Длины волн в спектре принято измерять в специальных единицах - ангстремах (Å), составляющих одну стомиллионную часть сантиметра. В видимом спектре длины волн уменьшаются от красных (около 7000 Å ) до фиолетовых (около 4000 Å ). Длины волн остальных цветов заключены между ними. К видимым лучам примыкают невидимые: короче 4000 Å - ультрафиолетовые и длиннее 7000 Å - инфракрасные.

Разлагают свет в спектр спектральные приборы, важнейшая деталь которых - стеклянная призма или дифракционная решетка. Свет в призме преломляется, причем лучи с большей длиной волн отклоняются от первоначального направления меньше, чем лучи с короткой длиной волны. Разделившиеся лучи попадают в зрительную трубу или фотокамеру.

Спектральные исследования небесных тел основаны на законах излучения. При разогревании тел повышается их температура. У твердых тел она представляет собой меру колебательной энергии их атомов, а у жидких и газообразных - меру кинетической энергии свободных атомов и молекул. У нагретых твердых и жидких тел излучение имеет плавный, непрерывный по длинам волн спектр. Яркость того или иного участка спектра характеризует количество излучаемой телом энергии на этой длине волны.

Например, у тел, нагретых до 1000 К , наиболее ярким будет красный участок спектра, а по мере дальнейшего повышения температуры ярче его становятся последовательно другие участки спектра. У тел, нагретых выше 7000 К , излучение всего ярче в ультрафиолетовых лучах. Глаз не различает эти лучи, зато их чувствуют фотоэлементы и фотоэмульсии. Например, обычные фотопластинки воспринимают излучения с длинами волн от 2000 Å . Но имеются специальные сорта фотопластинок и так называемые фотосопротивления, которые воспринимают инфракрасные излучения, а еще более длинноволновые излучения измеряются термоэлементами и радиоприемными аппаратами.

Спектральные классы

Сплошные спектры излучают только твердые и жидкие накалё́нные тела. У газообразных тел спектры совсем иного характера. Дело в том, что нагретый газ излучает свет в узких участках спектра, имеющих вид ярких линий, называемых спектральными. Это очень важное свойство спектров газов, позволившее разносторонне исследовать газообразные небесные тела - звёзды, туманности и атмосферы планет. Почему газы излучают спектральные линии, объяснила квантовая теория излучения. Атомы поглощают и отдают (излучают) энергию строго определенными порциями - квантами. Чем больше порция, тем в более возбуждённом состоянии оказывается атом, поглотивший энергию. Напомним, что сам атом, как известно из физики, представляет собой систему, состоящую из ядра и облака электронов. Процесс поглощения порции энергии состоит в том, что её получает один самый удаленный от ядра электрон. Чем больше квант энергии, тем независимее ведёт себя этот электрон по отношению к атому. Тот и другой находятся, как говорят, в возбужденном состоянии. Если квант, захваченный электроном, достаточно велик, то электрон может совсем оторваться от атома: происходит ионизация. Атом, потеряв электрон, становится положительно заря́женным ионом (один раз ионизо́ванным), а электрон - свободным. В остальны́х случаях энергии кванта на ионизацию атома не хватает и через считанные доли секунды атом (его электрон) отдаёт порцию энергии в виде излучения. Энергия может отдаваться одной большой порцией или несколькими малыми, которым соответствуют определенные длины волн, т.е. спектральные линии. Эти линии мы и исследуем в спектрах газообразных тел.

Итак, наблюдаемые спектры делятся на три класса:

Три класса спектров:

Обычный (1, без линий), непрерывный спектр.
Такой спектр дают твердые тела, жидкости или плотный непрозрачный газ в нагретом состоянии. Длина волны́, на которую приходится максимум излучения, зависит от температуры.

Эмиссионный (2, с блестящими линиями на темном фоне)
линейчатый спектр излучения. Нагретый разреже́нный газ испускает яркие эмиссионные линии.

И абсорбционный (3, с черными линиями).
линейчатый спектр поглощения. На фоне непрерывного спектра заметны темные линии поглощения. Линии поглощения образуются, когда излучение от более горячего тела, имеющего непрерывный спектр, проходит через холодную разреженную среду.

Распределение энергии излучения по непрерывному спектру и его зависимость от температуры излучающего тела устанавливаются законом Планка . График выражаемой им зависимости для нескольких температур и график распределения энергии в спектре Солнца приведены на рисунке . С законом Планка тесно связан закон Стефана , определяющий соотношение между температурой источника и полным количеством энергии, проходящим через квадратный сантиметр его излучающей поверхности (эта величина носит название полного потока излучения). Полный поток излучения согласно закону Стефана пропорционален четвертой степени температуры излучающего тела.

Но действительные закономерности излучения небесных светил более сложны, чем закон Планка. Во внутренних слоях звёзд этот закон соблюдается неуклонно, но излучение оттуда к нам прямо не приходит, а поглощается атомами наружных слоев звезды. Величина же этого поглощения в сильной степени зависит от химического состава и температуры излучающих слоев звезды.

И хотя распределение по спектру выходящей из звезды энергии отличается от закона Планка, мы можем по нему найти значение полного потока излучения и с помощью закона Стефана вычислить соответствующую этому потоку температуру. Эта температура носит название эффективной температуры и характеризует нагрев излучающей звездной поверхности.

Ещё один важный закон связывает излучение и поглощение света газами. Если газ поместить перед более горячим источником с непрерывным спектром излучения, то на фоне яркого сплошного спектра появятся темные спектральные линии поглощения нашего газа - те же самые, что ранее были видны в спектре газа как яркие спектральные линии (закон Кирхгофа ). Поэтому обнаружение тех или иных линий поглощения в спектре звезды указывает на присутствие в ней химических элементов, которым они принадлежат. Правда, отсутствие спектральных линий того или иного элемента еще не означает, что его нет в звездной оболочке. Просто в звезде могут быть такие условия, что линии элемента весьма слабы и поэтому незаметны.

С помощью закона Кирхгофа астрономы анализируют строение звездных оболочек и их химический состав.

Интенсивность спектральных линий поглощения зависит не только от числа атомов данного элемента, но и от температуры и плотности слоев звездной атмосферы, где они образуются. По интенсивности линий можно установить температуру, плотность и другие характеристики звездных атмосфер.

Эффект Доплера

Очень важную роль в спектральном анализе играет эффект Доплера . Он заключается в том, что если источник излучения движется к нам, то длины волн спектральных линий в его спектре уменьшаются, а если удаляется, то увеличиваются. Смещение спектральных линий, таким образом, характеризует скорость движения источника по направлению луча зрения. Эту скорость называют лучевой скоростью светила v .

Выраженная в километрах в секунду, она пропорциональна смещению длины волны́ наблюдаемой линии λ по сравнению с её длиной волны́ λ о при неподвижном источнике: v=с(λ-λ о)/λ о , где с - скорость света.

Смещение линий в спектре звезды относительно спектра сравнения в красную сторону говорит о том, что звезда удаляется от нас, смещение в фиолетовую сторону спектра – что звезда приближается к нам. Вследствие обращения Земли вокруг Солнца со скоростью V = 30 км/с , линии в спектрах звёзд, удаляющихся от Земли, смещены в красную сторону на Δλ/λ о = V/c = 10 –4 . Для линии λ о = 500 нм смещение составит 0,05 нм (0,5 Å ) . Для звёзд, приближающихся к Земле, линии будут смещены на такую же величину в фиолетовую сторону.

Эффект Доплера дает возможность оценить также и скорость вращения звезд. Например, вследствие вращения Солнца западный край Солнца удаляется от нас, а восточный край – приближается к нам. Поэтому наибольшая линейная скорость вращения Солнца, которая наблюдается на экваторе, равная 2 км/с , дает до́плеровское смещение линии l = 500 нм (5000 Å) в Δl = 0,035Å . При этом на полюса́х Солнца до́плеровское смещение линий уменьшается до нуля.

Даже когда излучающий газ не имеет относительного движения, спектральные линии, излучаемые отдельными атомами, будут смещаться относительно лабораторного значения из-за беспорядочного теплового движения. Для общей массы газа это будет выражаться в ушире́нии спектральных линий. При этом квадрат до́плеровской ширины спектральной линии пропорционален температуре: T ~ (Δl) 2 . Поэтому особенно сильно линии уширя́ются в спектрах горячих звезд. Таким образом, по ширине спектральной линии можно судить о температуре излучающего газа. Линии могут уширя́ться не только за счет эффекта Доплера. Не менее важной причиной является столкновение атомов.

Используя эффект Доплера, астрономы измерили тысячи лучевых скоростей звёзд, газовых туманностей и их деталей, внегалактических объектов, выяснили закономерности движений звезд и вращения звездных систем, нашли массы звездных скоплений и галактик. Кроме того, исследование лучевых скоростей далеких галактик играет важную роль в изучении общих закономерностей Вселенной в целом.

Эффект Зеемана

В 1896 году́ нидерландским физиком Зееманом был открыт эффект расщепления линий спектра в сильном магнитном поле. С помощью этого эффекта стало возможно «измерять» космические магнитные поля. Похожий эффект (он называется эффектом Штарка ) наблюдается в электрическом поле. Он проявляется, когда в звезде кратковременно возникает сильное электрическое поле.

Уважаемые посетители!