Спектральный анализ
Методом, дающим ценные и наиболее разнообразные сведения о небесных светилах, является спектральный анализ. Он позволяет установить из анализа света качественный и количественный химический состав светила, его температуру, наличие и напряженность магнитного поля, скорость движения по лучу зрения и т. д.
Спектральный анализ основан на том, что сложный свет при переходе из одной среды в другую, например из воздуха в стекло, разлагается на составные части. Если пучок этого света пустить на боковую грань трехгранной призмы, то, преломляясь в стекле по-разному, составляющие белый свет лучи дадут на экране радужную полоску, называемую спектром. В спектре все цвета расположены всегда в определенном порядке.
Как известно, свет распространяется в виде электромагнитных волн. Каждому цвету соответствует определенная длина электромагнитной волны. Длина волны в спектре уменьшается от красных лучей к фиолетовым примерно от 700 до 400 ммк. За фиолетовыми лучами спектра лежат ультрафиолетовые лучи, не видимые глазом, но действующие на фотопластинку.
Еще более короткую длину волны имеют рентгеновские лучи, применяемые в медицине. Рентгеновское излучение небесных светил, важное для понимания их природы, атмосфера Земли задерживает. Только недавно оно стало доступно для изучения посредством запусков высотных ракет, поднимающихся выше основного слоя атмосферы. Наблюдения в рентгеновских лучах производят также автоматические приборы, установленные на космических межпланетных станциях.
За красными лучами спектра лежат инфракрасные лучи. Они невидимы, но и они действуют на специальные фотопластинки. Под спектральными наблюдениями понимают обычно наблюдения в интервале от инфракрасных до ультрафиолетовых лучей.
Для изучения спектров применяют приборы, называемые спектроскопом и спектрографом. В спектроскоп спектр рассматривают, в спектрографе его фотографируют. Фотография спектра называется спектрограммой.
Существуют следующие виды спектров.
Сплошной, или непрерывный, спектр в виде радужной полоски дают твердые раскаленные тела (раскаленный уголь, нить электролампы) и находящиеся под большим давлением громадные массы газа. Линейчатый спектр излучения дают разреженные газы и пары при сильном нагревании или под действием электрического разряда. Каждый газ излучает набор ярких линий определенных цветов. Их цвет соответствует определенным длинам волн. Они находятся всегда в одних и тех же местах спектра. Изменения состояния газа или условий его свечения, например нагрев или ионизация, вызывают определенные изменения в спектре данного газа.
Составлены таблицы с перечнем линий каждого газа и с указанием яркости каждой линии. Например, в спектре натрия особенно ярки две желтые линии. Установлено, что спектр атома или молекулы связан с их строением н отражает определенные изменения, происходящие в них в процессе свечения.
Линейчатый спектр поглощения дают газы и пары, когда за ними находится яркий и более горячий источник, дающий непрерывный спектр. Спектр поглощения состоит из непрерывного спектра, перерезанного темными линиями, которые находятся втех самых местах, где должны быть расположены яркие линии, присущие данному газу. Например, две темные линии поглощения натрия расположены в желтой части спектра.
Сказанное выше позволяет производить анализ химического состава паров, излучающих свет или поглощающих его, находятся ли они в лаборатории или на небесном светиле. Количество атомов или молекул, лежащих на нашем луче зрения, излучающих или поглощающих, определяется по интенсивности линий. Чем больше атомов, тем ярче линия или тем она темнее в спектре поглощения. Солнце и звезды окружены газовыми атмосферами. Непрерывный спектр их видимой поверхности перерезан темными линиями поглощения, возникающими при прохождении света через атмосферу звезд. Поэтому спектры Солнца и звезд — это спектры поглощения.
Надо помнить, что спектральный анализ позволяет определять химический состав только самосветящихся или поглощающих излучение газов. Химический состав твердого или жидкого тела при помощи спектрального анализа определить нельзя.
Когда тело раскалено докрасна, в его сплошом спектре ярче всего красная часть. При дальнейшем нагревании наибольшая яркость в спектре переходит в желтую, потом в зеленую часть и т. д. Теория излучения света, проверенная на опыте, показывает, что распределение яркости «вдоль сплошного спектра зависит от температуры тела. Зная эту зависимость, можно установить температуру Солнца и звезд. Температуру планет и температуру звезд определяют еще при помощи термоэлемента, помещенного в фокусе телескопа. При нагревании термоэлемента в нем возникает электрический ток, характеризующий количество теплоты, приходящее от светила.
Источник
Спектральный анализ
Спектральный анализ – способ определения химического состава излучающих свет далеких объектов, как правило, звезд. Именно с его помощью когда-то были открыты цезий и рубидий, а за ними и гелий. Забавно, что последний нашли сначала на Солнце, а уже потом на Земле, спустя почти 30 лет.
Существует семь цветов (уверен, что вы легко сможете назвать, каких) и их оттенки, которые может распознавать человеческий глаз. Свет – это волна… или частица? Неважно, корпускулярно-волновой дуализм уже давно признал и то, и другое двумя сторонами одной медали в рамках квантовых полей, так что размусоливать эту тему не вижу смысла. Поэтому свет – это волна, а точнее электромагнитное излучение с разной длиной волны, которая и отвечает за цвет.
Проходя через призму, свет разлагается на спектры, что позволяет узнать о характеристиках объекта, испускающего его. Самый простой пример – радуга. Свет, поступающий от Солнца разлагается каплями дождя на те самые семь основных цветов. Поздравляю, вы только что узнали, откуда берется радуга.
Единицей измерения длины волны в СИ является метр, однако в России-Матушке все еще используется Ангстрем, который равен одной стомиллионной сантиметра, и давным-давно устарел во всем мире.
Применение в астрономии
В астрономии спектральный анализ является незаменимым. С его помощью мы узнаем полезную информацию о различных небесных телах дальнего космоса.
Как вы уже знаете, каждый цвет имеет свою длину волны, красный – самую большую, фиолетовый – самую малую. Далее идут ультрафиолетовое излучение, которое мы уже не способны увидеть своими глазами, а после них – рентгеновское, с еще меньшей длиной волны.
А что идет после красного? Если вы еще не догадались, то инфракрасное излучение, которое человеческий глаз также не улавливает. Спектральный анализ проводит исследование излучений в спектре от ультрафиолетового до инфракрасного. Также он позволяет рассчитать и скорость удаленных объектов относительно Земли. Если источник света приближается к нам, длина волны уменьшается, и наоборот. Если таким образом вы захотите измерить скорость тела, движущегося на нашей планете, подготовьте микроскоп, потому что изменения длины волны исходящего от него света будет настолько несущественным, что вы захотите бросить эту затею.
Использование в космологии
Каждый спектр химического элемента, вычисленный с помощью спектрального анализа, заносится в специальные таблицы. С его помощью были открыты даже новые элементы, о которых я рассказывал в самом начале. Благодаря ему мы знаем полный состав нашего Солнца и многих других небесных светил. Спектральный анализ позволяет узнать информацию не только о звездах, но и газовых облаках и прочих объектах дальнего космоса. Он помог установить массу звезд, скоплений и даже целых галактик, а также их лучевые скорости.
Источник
Урок 18
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.
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.
- 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.
Непрерывный спектр образует фотосфера, спектр поглощения — атмосфера.
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
где λ0 — длина волны, которую излучает источник; Δλ — разность между λ и λ0; υr — лучевая скорость; c — скорость света.
Источник
Спектральный анализ в астрономии
Задумывались ли вы над тем, откуда мы знаем о свойствах далёких небесных тел?
Новый взгляд на Вселенную
Наверняка вам известно о том, что таким знаниям мы обязаны спектральному анализу. Однако нередко мы недооцениваем вклад этого метода в само понимание Вселенной . Появления спектрального анализа перевернуло многие устоявшиеся парадигмы о строении и свойствах нашего мира.
Благодаря спектральному анализу мы имеем представление о масштабе и величии космоса. Благодаря нему мы перестали ограничивать Вселенную Млечным Путём. Спектральный анализ открыл нам великое разнообразие звезд, рассказал об их рождении, эволюции и смерти. Этот метод лежит в основе практически всех современных и даже грядущих астрономических открытий.
Узнать о недосягаемом
Ещё два столетия назад было принято считать, что химических состав планет и звезд навсегда останется для нас загадкой. Ведь в представлении тех лет космические объекты всегда останутся для нас недоступными. Следовательно, мы никогда не получим пробного образца какой-либо звезды или планеты и никогда не узнаем об их составе. Открытие спектрального анализа полностью опровергло это заблуждение.
Спектральный анализ позволяет дистанционно узнать о многих свойствах далёких объектов. Естественно, без такого метода современная практическая астрономия просто бессмысленна.
Линии на радуге
Темные линии на спектре Солнца заметил ещё в 1802 году изобретатель Волластон. Однако сам первооткрыватель особо не зациклился на этих линиях. Их обширное исследование и классификацию произвел в 1814 году Фраунгофер. В ходе своих опытов он заметил, что своим набором линий обладает Солнце, Сириус, Венера и искусственные источники света. Это означало, что эти линии зависят исключительно от источника света. На них не влияет земная атмосфера или свойства оптического прибора.
Природу этих линий в 1859 открыл немецкий физик Кирхгоф вместе с химиком Робертом Бунзеном. Они установили связь между линиями в спектре Солнца и линиями излучения паров различных веществ. Так они сделали революционное открытие о том, что каждый химический элемент обладает своим набором спектральных линий. Следовательно, по излучению любого объекта можно узнать о его составе. Так был рождён спектральный анализ.
В ходе дальнейших десятилетий благодаря спектральному анализу были открыты многие химические элементы. В их число входит гелий, который был сначала обнаружен на Солнце, за что и получил своё название. Поэтому изначально он считался исключительно солнечным газом, пока через три десятилетия не был обнаружен на Земле.
Три вида спектра
Пример линейного спектра поглощения
Чем же объясняется такое поведение спектра? Ответ кроется в квантовой природе излучения. Как известно, при поглощении атомом электромагнитной энергии, его внешний электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Аналогично при излучении – на более низкий. Каждый атом имеет свою разницу энергетических уровней. Отсюда и уникальная частота поглощения и излучения для каждого химического элемента.
Именно на этих частотах излучает и испускает газ. В тоже время твёрдые и жидкие тела при нагревании испускают полный спектр, независящий от их химического состава. Поэтому получаемый спектр подразделяется на три типа: непрерывный, линейчатый спектр и спектр поглощения. Соответственно, непрерывный спектр излучают твёрдые и жидкие тела, линейчатый – газы. Спектр поглощения наблюдается тогда, когда непрерывное излучение поглощается газом. Другими словами, разноцветные линии на тёмном фоне линейчатого спектра будут соответствовать тёмным линиям на разноцветном фоне спектра поглощения.
Именно спектр поглощения наблюдается у Солнца, тогда как нагретые газы испускают излучение с линейчатым спектром. Это объясняется тем, что фотосфера Солнца хоть и является газом, она не прозрачна для оптического спектра. Похожая картина наблюдается у других звёзд. Что интересно, во время полного солнечного затмения спектр Солнца становится линейчатым. Ведь в таком случае он исходит от прозрачных внешних слоёв её атмосферы .
Принципы спектроскопии
Оптический спектральный анализ относительно прост в техническом исполнении. В основе его работы лежит разложение излучения исследуемого объекта и дальнейший анализ полученного спектра. Используя стеклянную призму, в 1671 году Исаак Ньютон осуществил первое «официальное» разложение света. Он же и ввёл в слово «спектр» в научный обиход. Собственно, раскладывая таким же образом свет, Волластон и заметил чёрные линии на спектре. На этом принципе работают и спектрографы.
Разложение света может также происходить с помощью дифракционных решёток. Дальнейший анализ света можно производить самыми различными методами. Изначально для этого использовалась наблюдательная трубка, затем – фотокамера. В наши дни получаемый спектр анализируется высокоточными электронными приборами.
До сих пор речь шла об оптической спектроскопии. Однако современный спектральный анализ не ограничивается этим диапазоном. Во многих областях науки и техники используется спектральный анализ практически всех видов электромагнитных волн – от радио до рентгена. Естественно, такие исследования осуществляются самыми различными методами. Без различных методов спектрального анализа мы бы не знали современной физики, химии, медицины и, конечно же, астрономии.
Спектральный анализ в астрономии
Как отмечалось ранее, именно с Солнца началось изучение спектральных линий. Поэтому неудивительно, что исследование спектров сразу же нашло своё применение в астрономии.
Разумеется, первым делом астрономы принялись использовать этот метод для изучения состава звезд и других космических объектов. Так у каждой звезды появился свой спектральный класс, отражающий температуру и состав их атмосферы. Также стали известны параметры атмосферы планет солнечной системы. Астрономы приблизились к пониманию природы газовых туманностей, цефеид , а также комет , колец Сатурна , полярного сияния и многих других небесных объектов и явлений.
Однако с помощью спектрального анализа можно узнать не только о качественном составе объектов.
Измерить скорость
Эффект Доплера был теоретически разработан австрийским физиком в 1840 году, в честь которого он и был назван. Этот эффект можно пронаблюдать, прислушиваясь к гудку проезжающего мимо поезда. Высота гудка приближающегося поезда будет заметно отличаться от гудка отдаляющегося. Примерно таким образом Эффект Доплера и был доказан теоретически. Эффект заключается в том, что для наблюдателя длина волны движущегося источника искажается. Она увеличивается при удалении источника и уменьшается при приближении. Аналогичным свойством обладают и электромагнитные волны.
При отдалении источника всё темные полосы на спектре его излучения смещаются к красной стороне. Т.е. все длины волн увеличиваются. Точно также при приближении источника они смещаются к фиолетовой стороне. Таким образом эффект Доплера стал отличным дополнением к спектральному анализу. Теперь по линиям в спектре можно было узнать то, что раньше казалось невозможным. Измерить скорости космических объекта, рассчитать орбитальные параметры двойных звёзд, скорости вращения планет и многое другое. Особую роль эффект «красного смещения» произвёл в космологии.
Открытие американского учёного Эдвина Хаббла сравнимо с разработкой Коперником гелиоцентрической системы мира. Исследуя яркость цефеид в различных туманностях, он доказал, что многие из них расположены намного дальше Млечного Пути. Сопоставив полученные расстояния с красным смещением спектров галактик, Хаббл открыл свой знаменитый закон. Согласно нему, расстояние до галактик пропорционально скорости их удаления от нас. Хотя его закон несколько разнится с современными представлениями, открытие Хаббла расширило масштабы Вселенной.
Спектральный анализ и современная астрономия
Сегодня без спектрального анализа не происходит практически ни одного астрономического наблюдения. С его помощью открывают новые экзопланеты и расширяют границы Вселенной. Спектрометры несут на себе марсоходы и межпланетные зонды, космические телескопы и исследовательские спутники. Фактически без спектрального анализа не было бы современной астрономии. Мы так и дальше бы вглядывались пустой безликий свет звёзд, о котором не знали бы ничего.
Источник