Original: http://loke.as.arizona.edu/~ckulesa/camp/spectroscopy_intro.html

Спектроскопія відноситься до дисперсії світла об’єкта на складові кольору (тобто енергії). Виконуючи цю розсічення і аналіз світла об’єкта, астрономи можуть вивести фізичні властивості цього об’єкта (наприклад, температура, маса, світність і композиції).

Але перш ніж ми мчати стрімголов в дикий і шерстистого області спектроскопії, нам потрібно, щоб спробувати відповісти на деякі, здавалося б, прості запитання, наприклад, що таке світло? І як воно діє? Ці питання можуть здатися простими для вас, але вони представили деякі з найбільш складних концептуальних проблем в довгій історії фізики. Воно лише в цьому столітті, зі створенням квантової механіки, які ми отримали кількісне розуміння того, як світло і працювати атоми. Ви бачите, питання, які ми не уявляють завжди легко, але, щоб зрозуміти і вирішити їх відкриє новий спосіб дивитися на наш Всесвіт.

Природа світла

Для того, щоб зрозуміти процеси, що відбуваються в астрономії, які генерують світло, ми повинні розуміти, перш за все, що світло діє як хвиля. Світло має частіцеподобние властивості теж, так що це насправді досить викривлений звір (який, чому треба було так багато років, щоб з’ясувати). Але зараз, давайте просто досліджувати світ як хвилі.

Уявіть себе пробираючись навколо на березі океану на мить, і дивитися багато хвиль на воді з приголомшливим повз вас. Хвилі обурення, хвилі на воді, і вони мають певної висоти (амплітуда), з певною кількістю хвиль, які мчать повз вас кожну хвилину (частота) і все, що рухається з характерною швидкістю по воді (швидкість хвилі). Зверніть увагу на відстань між послідовними хвилями? Це називається довжиною хвилі.

Маючи на увазі цю аналогію, давайте залишимо березі океану на деякий час і думати про світло, як хвиля. Швидкість хвилі світлової хвилі просто швидкість світла, а також різні довжини хвиль світла проявляються у вигляді різних кольорів! Енергія світлової хвилі обернено пропорційна довжині хвилі; іншими словами, низькоенергетичні хвилі мають довгі довжини хвиль, і високоенергетичний світлові хвилі мають короткі довжини хвиль.

Електромагнітний спектр

Фізики класифікують світлові хвилі від їх енергій (довжин хвиль). Маркований в збільшенні енергії, ми могли б зробити весь електромагнітний спектр, як показано на малюнку нижче:

Електромагнітний спектр. Зверніть увагу на те, яка мала видима область спектра, в порівнянні з усім діапазоном довжин хвиль.

Зверніть увагу на те, що радіо, телебачення та мікрохвильові сигнали все світлові хвилі, вони просто лежать на довжинах хвиль (енергії), що ваше око не реагує на. На іншому кінці шкали, остерігайтеся високої енергії УФ, рентгенівського і гамма-фотонів! Кожен з них несе в собі багато енергії в порівнянні з їх видимими і радіохвилі братів. Вони причини ви повинні носити сонцезахисний крем, наприклад.

Коли ми дивимося на Всесвіт в інший “світ”, тобто на “без видимих” довжинах хвиль, ми досліджуємо різні види фізичних умов – і ми можемо побачити нові види об’єктів! Наприклад, високоенергетичні гамма-випромінювання і рентгенівських телескопів, як правило, щоб побачити найбільш енергійні динамо в космосі, таких як активні галактики, залишки від масивних зірок вмираючи, акреції речовини навколо чорних дір і так далі. Видиме світло телескопи кращий пробника світло, що випромінюється зірками. Довші довжини хвилі телескопи кращий зонд темному, прохолодному, затінені структури у Всесвіті: пилові областей зореутворення, темні холодні молекулярні хмари, початкове випромінювання, що випускається при утворенні Всесвіту незабаром після Великого вибуху. Тільки через вивчення астрономічних об’єктів у багатьох різних довжинах хвиль астрономи здатні воєдино цілісну, комплексну картину того, як працює Всесвіт!

Основні типи спектрів

Як правило, можна спостерігати дві відмінні класи спектрів: безперервний і дискретний. Для безперервного спектра, світло складається з широкого, безперервного спектра кольорів (енергій). З дискретним спектром, один бачить тільки світлі або темні лінії на дуже різних і різко певних кольорів (енергій). Як ми дізнаємося найближчим часом, дискретні спектри з яскравими лініями називаються спектри випромінювання, ті, з темними лініями називаються спектри поглинання.

Безперервний спектр

Безперервні спектри виникають з щільних газів або твердих предметів, які випромінюють тепло їх геть за рахунок виробництва світла. Такі об’єкти випромінюють світло в широкому діапазоні довжин хвиль, при цьому видимий спектр, здається гладкою і безперервного. Зірки випромінюють світло в основному (але не повністю!) Безперервного спектра. Іншими прикладами таких об’єктів є лампи розжарювання, електрична піч пальника, полум’я, вогонь охолодження вуглини та… ви. Так, ви, прямо в цю хвилину, випускають безперервний спектр – але світлові хвилі ви випромінюють невидимі – вони лежать в інфрачервоному діапазоні (тобто менших енергій і більш довгих хвиль, ніж навіть червоне світло). Якби ви інфрачервоні чутливі очі, ви могли бачити, як люди за допомогою безперервного радиації вони випромінюють!

Дискретний спектр

Дискретні спектри є спостережуваний результат фізики атомів. Є два типи дискретних спектрів, спектрів випромінювання (яскрава лінія) і поглинання (спектри темна лінія). Давайте спробуємо зрозуміти, де ці два типи дискретних спектрів.

Лінійний спектр випромінювання

На відміну від безперервного джерела спектра, який може мати будь-яку енергію він хоче (всі, що вам потрібно зробити, це змінити температуру), електронні хмари, що оточують ядра атомів можуть мати тільки дуже специфічні енергії, які диктуються квантової механіки. Кожен елемент в періодичній таблиці має свій власний набір можливих енергетичних рівнів, а також з деякими винятками рівні різняться ідентифікувати.
Атоми також мають схильність до осадження до найнижчого рівня енергії (в жаргоні спектроскопіста, це називається основний стан). Це означає, що збуджений атом в більш високий енергетичний рівень повинен “скинути” деяку енергію. Шлях атом “відвалів”, що енергія, випускаючи хвилі світла з цієї точної енергії.

На наведеній нижче схемі, атом водню падає з 2-го рівня енергії на 1-й, випускаючи хвилі світла з енергією, що дорівнює різниці енергії між рівнями 2 і 1. Ця енергія відповідає певному кольору, або довжині хвилі світло – і, таким чином, ми бачимо яскраву лінію на цій точної довжини хвилі! ... Спектр випромінювання народжується, як показано нижче:

Збуджений атом водню розслабляється з рівня 2 на рівень 1, отримуючи фотон. Це призводить до яскравої лінії випромінювання.

Найдрібніші зміни енергії в атомі генерують фотони з малими енергіями і довгих хвиль, таких як радіохвилі! Крім того, великі зміни енергії в атомі означатиме, що з високою енергією, короткохвильові фотони (УФ, рентгенівського випромінювання, гамма-промені) викидаються.

Лінійний спектр поглинання

З іншого боку, що станеться, якщо ми спробували повернути назад цей процес? Тобто, що б сталося, якби ми випустили цей спеціальний фотон назад в стан атома землі? Це вірно, атом може поглинути, що “спеціально енергійну” фотон і буде порушуватися, стрибаючи з основного стану на більш високий енергетичний рівень. Якщо зірка з “безперервного спектра” світить на атомі, довжини хвиль, що відповідають можливих переходів енергії в межах цього атома буде поглинатися, і тому спостерігач не побачить їх. Таким чином, спектр поглинання темно-лінія народжується, як показано нижче:

Атом водню в основному стані порушується фотоном точно “правої” енергії, необхідної, щоб відправити його на рівень 2, поглинаючи фотон в цьому процесі. Це призводить до темної лінії поглинання.