Законы Кирхгофа и спектроскопия

1. Спектры поглощения
2. Попробуй это!
3. Спектры излучения
4. Несколько последствий

Дополнительное чтение от www.astronomynotes.com

Изучение излучения черного тела является полезным упражнением. Однако я несколько раз подчеркивал, что излучение черного тела испускается только «идеальным» или «идеальным» излучателем. В действительности, немногие объекты излучают точно спектр черного тела. Например, рассмотрим два спектра, которые вы просматривали на предыдущей странице: солнце и голубая звезда-бродяга. Напомним, что излучение черного тела является непрерывным без разрывов. Если вы посмотрите на два спектра звезд, вы увидите черные полосы на изображении спектра Солнца и области на графике, где интенсивность приближается к нулю или почти равна нулю в спектре синего отставшего. Эти промежутки в спектре, где нет испускаемого света, называются линиями поглощения . Обнаружено, что другие астрономические источники (а также источники света, которые вы можете проверить в лаборатории) создают спектры, которые показывают небольшую интенсивность на большинстве длин волн, но несколько точных длин волн, где видна большая интенсивность. Они упоминаются как эмиссионные линии.

В первые дни спектроскопии эксперименты показали, что существует три основных типа спектров. Различия в этих спектрах и описание того, как их создавать, были обобщены в трех законах спектроскопии Кирхгофа:

1. Светящийся твердый, жидкий или плотный газ излучает свет всех длин волн.
2. Горячий газ низкой плотности, видимый на более холодном фоне, излучает спектр ЯРКОЙ ЛИНИИ или ЭМИССИОННОЙ ЛИНИИ.
3. Холодный газ низкой плотности перед более горячим источником непрерывного спектра создает спектр ТЕМНОЙ ЛИНИИ или АБСОРБЦИОННОЙ ЛИНИИ.

Вы также можете суммировать законы Кирхгофа в виде диаграммы, например:

Рис. 3.6. Три условия, которые дают начало трем законам Кирхгофа для создания непрерывного спектра поглощения и излучения.

Кредит: Penn State Астрономия & Астрофизика

Как и законы движения Кеплера, это эмпирические законы. То есть они были сформулированы на основе экспериментов. Чтобы понять происхождение линий поглощения и излучения и спектры, которые содержат эти линии, нам нужно сначала потратить некоторое время на атомную физику. В частности, рассмотрим модель Бора для атома.

Всякий раз, когда вы изучаете свет от астрономического объекта, помните, что есть три вещи, которые необходимо учитывать:

1. испускание света источником,
2. процессы, которые влияют на свет во время его перемещения от источника к наблюдателю, и
3. процесс обнаружения света наблюдателем.

Мы наблюдаем линии поглощения, когда свет от фонового источника проходит через холодный газ. Каким-то образом именно газ вызывает появление линий поглощения в том, что в противном случае представляло бы собой непрерывный спектр. Итак, что происходит внутри газа?

Облако газа состоит из атомов, которые являются наименьшими компонентами элемента, которые сохраняют все свойства этого элемента. Типичное облако газа в космосе, вероятно, содержит много водорода и гелия и следовые количества более тяжелых элементов, таких как кислород, азот, углерод и, возможно, железо. Атомы внутри газового облака состоят из ядра положительно заряженных протонов и нейтронов, которые не имеют заряда. Вокруг ядра находятся один или несколько отрицательно заряженных электронов. Вот изображение мультфильма, которое я собрал из атома гелия:

Рисунок 3.7: Атом гелия с нейтронами, протонами и электронами

Кредит: Penn State Астрономия & Астрофизика

Частицы, помеченные n, являются нейтронами, p - протонами, а e - электронами.

Возвращаясь к атомной физике и спектроскопии, именно электроны являются основной причиной линий поглощения, которые мы видим в звездных спектрах. Бор предложил простую модель для атомов, которая требовала, чтобы электроны занимали «орбиты» вокруг ядра. Важнейшей частью его модели является понимание того, что электроны могут существовать только на этих конкретных орбитах, а не между ними. Каждая орбита имеет определенную энергию, связанную с ней, то есть когда электрон находится на определенной орбите, он имеет определенное количество энергии. Таким образом, орбиты также можно назвать уровнями энергии . Если электрон точно поглощает разницу энергии между уровнем, на котором он находится, и любым более высоким уровнем, он может переместиться на более высокий уровень. Как только электрон окажется на более высоком уровне, он в конечном итоге упадет обратно на более низкий уровень (либо сразу все обратно на уровень 1, либо на несколько шагов вниз до уровня 1), и каждый раз, когда он падает с одного уровня к более низкому он испускает фотон, который несет точно количество энергии, равное разнице в энергии между начальным энергетическим уровнем и конечным энергетическим уровнем электрона. Это показано ниже. На верхней панели электроны падают с более высоких уровней на более низкие и испускают фотоны. На нижней панели электроны поглощают фотоны, заставляя их прыгать на более высокие уровни со своих более низких уровней.

Рисунок 3.8. Энергетические уровни электронов в модели Бора и их соответствие длинам волн линии поглощения или излучения в спектре объекта.

Кредит: Penn State Астрономия & Астрофизика

Напомним, что энергия, переносимая фотоном, определяется как E = h ν. Это уравнение не воспроизводится должным образом из-за несовместимого браузера. Посмотрите Технические Требования в Ориентации для списка совместимых браузеров. , Таким образом, если энергия электрона на уровне 2 определяется E 2, это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Посмотрите Технические Требования в Ориентации для списка совместимых браузеров. и энергия, которая соответствует уровню 1, дается E 1. Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Посмотрите Технические Требования в Ориентации для списка совместимых браузеров. , тогда разница в энергии между этими уровнями может быть показана как Δ E = E 2 - E 1 Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Посмотрите Технические Требования в Ориентации для списка совместимых браузеров. , Таким образом, если электрон находится в E 2, это уравнение не отображается правильно из-за несовместимого браузера. Посмотрите Технические Требования в Ориентации для списка совместимых браузеров. Уровень энергии и падает до E 1 Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Посмотрите Технические Требования в Ориентации для списка совместимых браузеров. уровень энергии, он будет излучать фотон с частотой, определяемой как:

E = h ν Это уравнение не отображается правильно из-за несовместимого браузера. Посмотрите Технические Требования в Ориентации для списка совместимых браузеров. ,

Итак, ν = E / h Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Посмотрите Технические Требования в Ориентации для списка совместимых браузеров. ,

и в этом случае E = Δ E = E 2 - E 1 Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Посмотрите Технические Требования в Ориентации для списка совместимых браузеров.

давая нам ν = (E 2 - E 1) / ч. Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Посмотрите Технические Требования в Ориентации для списка совместимых браузеров.

На верхней панели выше есть электрон, падающий с уровня 2 на уровень 1 и испускающий фотон с энергией, равной разности энергий между этими двумя уровнями. Таким образом, астроном, изучающий свет от этого облака газа, увидит линию излучения в спектре этого облака с желтым цветом, помеченную "2 - 1" в спектре справа.

Давайте свяжем эту идею движения электронов между уровнями энергии обратно к наблюдаемым спектрам астрономических объектов.

Спектры поглощения

Непрерывный источник света излучает фотоны со всеми различными энергиями. Когда эти фотоны проходят через облако (или облака) газа на переднем плане, они могут встретить атомы в этом газе, каждый из которых имеет набор электронов с определенными энергетическими уровнями. Те фотоны, которые имеют точно правильную энергию, чтобы пнуть электрон в атоме газа до более высокого уровня, могут быть поглощены. Все те фотоны, которые не имеют точного количества энергии для возбуждения электрона, проходят через облако без поглощения. Таким образом, то, что мы видим после того, как свет от черного тела (то есть от непрерывного источника) проходит через облако газа, состоит в том, что большинство фотонов в узком диапазоне частот (или цвета) не делают его, что приводит к разрывам, или линии поглощения, в остальном непрерывном спектре источника света. Все линии поглощения точно соответствуют длинам волн или частотам, которые определяются разностью энергий между энергетическими уровнями электронов в атомах, составляющих облако. Итак, снова обращаясь к приведенной выше диаграмме уровня энергии, когда электрон переходит с уровня 1 на уровень 2, поглощая фотон, астроном будет наблюдать линию поглощения на частоте, которая соответствует этой разнице уровней энергии 1 - 2.

Попробуй это!

На веб-сайте для интерактивных симуляций PhET у них есть симуляция, которая позволяет исследовать модели атома водорода.

1. Перейти к Моделирование атома водорода.
2. Нажмите на кнопку воспроизведения в верхней части изображения симуляции, чтобы начать симуляцию. (Примечание. Ваш компьютер / браузер может потребовать загрузки, а не воспроизведения в браузере).
3. В симуляции используйте селектор в левом верхнем углу, чтобы выбрать «Предсказание».
4. Выберите «Бор».
5. Включите питание электронной пушки (нажмите красную кнопку на чертеже) и наблюдайте за симуляцией.

Что происходит с фотонами, которые не имеют правильной энергии? Что происходит с фотонами, которые имеют правильную энергию, когда они сталкиваются с электроном? Что происходит, когда электрон падает обратно на более низкий энергетический уровень?

Спектры излучения

Если у вас есть облако газа низкой плотности, которое нагревается каким-то процессом, электроны в атомах в этом облаке газа не будут находиться на самом низком уровне - они будут на более высоких уровнях. Таким образом, когда они каскадно спускаются до уровня земли, они излучают фотоны с точными частотами, создавая линии излучения. Неоновые огни, которые вы видите в витринах магазинов, содержат газ низкой плотности, и электроны возбуждаются, когда вы пропускаете ток через колбу. Когда электроны каскадно спускаются до уровня земли (уровень 1), они испускают эмиссионные линии в красной части спектра. Вот изображение неоновой лампы и спектр, который она создает, когда вы пропускаете свет через призму:

Рисунок 3.9: Свет от неоновой лампы

Рисунок 3.10: Спектр от неоновой лампы

Несколько последствий

Наконец, давайте закончим это обсуждение спектров несколькими последствиями приведенной выше физики:

• Энергетические уровни электронов в атоме похожи на отпечатки пальцев - никакие два элемента не имеют одинаковый набор энергетических уровней, поэтому атомы двух элементов не создают одинаковую картину линий поглощения или эмиссии. Это означает, что если мы наблюдаем линии поглощения, вызванные облаком газа, мы можем сказать, какие элементы составляют это облако, по длинам волн или частотам линий поглощения. Существуют таблицы, в которых перечислены все известные длины волн линий от конкретного элемента, измеренные в лаборатории.
• Звезда создаст спектр линии поглощения, потому что непрерывный спектр, испускаемый плотным, непрозрачным газом, который составляет большую часть звезды, проходит через более прохладную, прозрачную атмосферу звезды.
• Электроны в газовых облаках, которые создают линии поглощения, также должны в конечном итоге упасть обратно на уровень земли, поэтому они также должны излучать фотоны с точно такими же длинами волн, что и линии поглощения. Они делают это, но причина, по которой мы все еще наблюдаем линии поглощения, состоит в том, что переизлучаемые фотоны могут излучаться в любом направлении, тогда как поглощение происходит только вдоль нашей линии обзора.
• Когда вы наблюдаете спектр поглощения астрономического объекта, любое облако газа между нами и объектом может поглощать свет. Таким образом, в типичной звезде вы видите линии поглощения из атмосферы объекта, вы можете видеть линии поглощения, вызванные газовыми облаками, находящимися между нами и этой звездой, и, наконец, атмосфера Земли также будет поглощать часть света звезды.

Похожие

Комментарии