Як виходить спектр поглинання Сонця

Спектр поглинання

Спектри, що випускаються нагрітими речовинами, - це спектри випромінювання. Існує ще один тип спектрів – спектри поглинання. Поговоримо про них докладніше.

Види спектрів

Світло, з яким мали справу перші дослідники, починаючи з І. Ньютона, було світлом нагрітих предметів - Сонця або вогню.

Ньютон показав, що біле світло є сумішшю різних кольорів, які можуть бути розкладені в спектр - в райдужну смужку кольору, що безперервно змінюється.

Пізніше було встановлено, що така райдужна смужка характерна випромінювання нагрітих твердих і рідких речовин. Спектр такого типу було названо безперервним.

Проте, нагріті гази за невисоких тисків – дають зовсім іншу картину. Спектри нагрітих газів дають не кольорову смугу, що безперервно змінюється, а ряд вузьких ліній, між якими майже немає випромінювання. Такі спектри було названо лінійчастими.

Мал. 2. Приклади лінійних спектрів.

Особливим видом лінійних спектрів є смугасті спектри. Якщо газ знаходиться під великим тиском, або складається з багатоатомних молекул, то його спектр є не вузькими лініями, а широкими смугами. Такі спектри були названі смугастими.

Спектри поглинання

Вид спектрів було пояснено моделі атома М. Бора. Теплове випромінювання випромінює кванти світла (фотони) будь-яких довжин хвиль біля якогось середнього значення, діапазон виходить безперервним. Атоми збудженого газу випромінюють лише за переходах електронів з одного енергетичного рівня в інший. Тому на спектрі присутні лише вузькі смужки.Якщо гази перебувають під великим тиском, їх атоми починають взаємодіяти, і електрони можуть переходити між сусідніми атомами, енергія таких переходів лежить у ширшому діапазоні, у результаті в спектрі виходять широкі смуги. Те саме відбувається, якщо атоми перебувають у складі молекул.

Теорія М. Бора передбачала як випромінювання під час переходу з вищого рівня нижчий. Електрони можуть переходити з нижчого рівня на вищий, якщо вони поглинають певну кількість енергії. Таким чином, якщо газ опромінюватиме білим світлом з безперервним спектром, то фотони, що володіють енергією переходу з більш низького рівня на більш високий, поглинатимуться електронами. У складі спектра енергії цієї довжини хвилі буде менше, у спектрі з'являться темні смуги.

Проведені експерименти підтвердили це припущення. Якщо біле світло пропускати через холодний газ, а потім розкладати у спектр – то в безперервному спектрі з'являються темні смуги якраз у тих місцях, де кванти світла поглиналися атомами газу. Такі спектри було названо спектрами поглинання.

Мал. 3. Приклади спектрів поглинання.

Спектри поглинання газів бувають тих самих типів, що й спектри випромінювання – лінійчасті та смугасті. Перші утворюють гази за низьких тисків. Другі – це спектри газів за високих тисків або молекулярні спектри поглинання.

Саме спектр поглинання дозволяє досліджувати хімічний склад Сонця. Нагріта поверхня Сонця випромінює безперервний спектр, а зовнішні шари сонячної атмосфери вибірково поглинають світло, утворюючи спектр поглинання, який можна досліджувати. За такого дослідження було відкрито елемент гелій.

Що ми дізналися?

Відповідно до теорії М.Бори, електрони атомів випромінюють світло, переходячи з більш високих на нижчі енергетичні рівні. При переходах більш високий рівень, електрони поглинають світло. Таким чином, якщо опромінювати газ безперервним спектром – у ньому з'являться темні лінії поглинання. Такий спектр називається спектром поглинання.

Типи оптичних спектрів. Поглинання та випромінювання світла атомами.
план-конспект уроку з фізики (9 клас)

Мета уроку – познайомити учнів із спектрами випромінювання і поглинання, з урахуванням уявлень учнів про будову атома пояснити існування лінійчастих спектрів, розглянути механізми збудження атомів, види спектрів. Завдання уроку – Сформувати поняття про спектр, види спектрів, спектральне аналіє, походження лінійчастих спектрів, поглинання та випромінювання світла атомами. Розвивати усне мовлення учнів через організацію діалогічного спілкування під час уроку, формувати вміння висловлювати свої думки граматично правильної формі. Формувати позитивну мотивацію до навчання та підвищення інтересу до знань. Заплановані результати - Пояснювати поглинання та випромінювання світла атомами.

Завантажити:

Попередній перегляд:

Тема уроку – Типи оптичних спектрів. Поглинання та випромінювання світла атомами.

22.03.2018р. вчитель МОУ Юрцовська ЗОШ: Абрамова Ю.О.

Назва предмета – фізика

УМК – Фізика. 9 кл.: Підручник/А.В. Перишкін, Е.М. Гутник. - М: Дрофа, 2017.

Рівень навчання – базовий

Сформувати поняття про спектр, види спектрів, спектральне аналіє, походження лінійчастих спектрів, поглинання та випромінювання світла атомами.

Розвивати усне мовлення учнів через організацію діалогічного спілкування під час уроку, формувати вміння висловлювати свої думки граматично правильної формі.

Формувати позитивну мотивацію до навчання та підвищення інтересу до знань.

Пояснювати поглинання та випромінювання світла атомами.

Технічне забезпечення уроку – комп'ютер, мультимедійний проектор.

Додаткове методичне та дидактичне забезпечення уроку (можливі посилання на інтернет-ресурси) – презентація до уроку з диска «Фізика 9 клас» від VIDEOUROKI.NET https://videouroki.net/look/diski/fizika9/index.html

1. Організаційний етап

Взаємне вітання вчителя та учнів; перевірка відсутніх у журналі.

2. Актуалізація суб'єктного досвіду учнів

Тест «Дисперсія світла»

Розташуйте кольори в тому порядку, в якому вони йдуть у спектрі в порядку зменшення показника заломлення.

Червоний, синій, жовтий, помаранчевий, фіолетовий, зелений.

Коли біле світло розкладається на складові, промінь якого кольору найсильніше відхиляється від початкового напрямку?
1. Червоний.
2. Жовтий.
3. Фіолетовий.
4. Зелений.
Промені якого кольору мають найбільший показник заломлення у призмі?
1. Помаранчевий.
2. Фіолетовий.
3. Червоний.
4. Синій.
Безперервний спектр білого світла є наслідком …

1. Розсіювання білого світла.
2. Розкладання білого світла.
3. Відображення білого світла від стін призми.
4. Змішування різних кольорів.

Щоб розкласти біле світло у спектр, потрібно використовувати …
1 . Плоский дзеркало.
2. Призму.
3. Увігнуте дзеркало.
4. Скляне півколо.
Побачити веселку під час дощу можна, коли …
1. Виблискує блискавка.
2. Дме сильний вітер.
3. Сонце стоїть високо над обрієм.
4. Сонце стоїть невисоко над горизонтом.
Не всі кольори монохроматичними. Виберіть зі списку кольори, які не є такими.

Білий, червоний, жовтий, сірий, синій, помаранчевий, чорний, зелений.

3
Фіолетовий, синій, зелений, жовтий, помаранчевий, червоний.
Фіолетовий.
Фіолетовий.
Розкладання білого світла.
Призму, скляне півколо.
Сонце стоїть невисоко над горизонтом.
Білий, чорний, сірий.

3. Вивчення нових знань та способів діяльності (робота зі слайдами презентації)

Сьогодні на уроці ми з вами поговоримо про типи оптичних спектрів. Розглянемо, як відбувається поглинання та випромінювання світла атомами. А також поговоримо про походження лінійних спектрів.

Епіграфом до уроку виберемо слова Ґете.

Всесвіт осягаючи, все пізнай, не відбираючи:

Що – всередині, у зовнішньому знайдеш.

Так прийміть без оглядки

Миру виразні загадки.

Але перш ніж приступити до вивчення нового матеріалу, давайте згадаємо, що ми говорили на попередньому уроці.

Ми з вами познайомилися з таким поняттям, як дисперсія світла.

Нагадаємо, що дисперсія світла - це залежність показника заломлення середовища та швидкості світла в ньому від частоти світлової хвилі.

У 1664–1668 pp. Ісаак Ньютон провів серію дослідів із вивчення сонячного світла та причин виникнення квітів за допомогою скляної призми. При розкладанні з допомогою тригранної призми білого світла, тобто. світла у видимому діапазоні, що містить довжини хвиль у діапазоні 380 - 760 нанометрів, виникає райдужна смужка, яку Ньютон назвав спектром.

В даний час для точного дослідження спектрів такі прості пристрої, як вузька щілина, що обмежує світловий пучок, і призма (які використовував Ньютон) вже недостатні. Необхідні прилади, що дають чіткий спектр, тобто прилади, що добре розділяють хвилі різної довжини і не допускають перекриття окремих ділянок спектру. Такі пристрої називають спектральними апаратами. Найчастіше основною частиною спектрального апарату є призма. Розглянемо схему пристрою призменного спектрального апарату.

Досліджуване випромінювання надходить спочатку частина приладу, звану колиматором. Коліматор є трубою, на одному кінці якої є ширма з вузькою щілиною, а на іншому - лінза, що збирає. Щілина знаходиться на фокусній відстані від лінзи. Тому світловий пучок, що розходиться, потрапляє на лінзу зі щілини, виходить з неї паралельним пучком і падає на призму, яка може бути виготовлена не тільки зі скла, але і кварцу, солі і т.п.

Так як різним частотам відповідають різні показники заломлення, то з призми виходять паралельні пучки, що не збігаються у напрямку. Вони падають на лінзу. На фокусній відстані цієї лінзи розташовується екран - матове скло або фотопластинка. Лінза фокусує паралельні пучки променів на екрані, і замість одного зображення щілини виходить цілий ряд зображень. Кожній частоті (вузькому спектральному інтервалу) відповідає своє зображення. Всі ці зображення разом утворюють спектр. Описаний пристрій називається спектрографом.

Якщо замість другої лінзи та екрану використовується зорова труба для візуального спостереження спектрів, то пристрій називається спектроскопом.

Спектральний склад випромінювань різних речовин дуже різний.Але численні спостереження і фотографії спектрів показують, що всі спектри можна розділити на три типу, що відрізняються один від одного, які визначаються станом світиться об'єкта.

У досвіді Ньютона при пропусканні сонячного світла через призму отримували спектр у вигляді суцільної смуги. У ній були представлені всі кольори, які плавно переходять один в інший. Такий спектр називається суцільним чи безперервним спектром.

Суцільні спектри випромінюються розпеченими твердими та рідкими речовинами, а також газами, що знаходяться під великим тиском. Це вказує на те, що вид безперервного спектру і сам факт його існування визначаються не лише властивостями окремих випромінюючих атомів, а й сильно залежить від взаємодії атомів один з одним. Основну роль випромінюванні грає збудження атомів і молекул при хаотичному русі цих частинок, обумовлене високою температурою. Сонце дає суцільний спектр, оскільки його оболонка складається із плазми високої щільності.

Другий тип спектрів – це лінійчасті спектри.

Лінійчастим називають спектр, що складається з окремих різко окреслених кольорових ліній, відокремлених один від одного широкими темними проміжками.

Наприклад, якщо внести в полум'я газового пальника шматочок кухонної солі, то полум'я пофарбується в жовтий колір, а в спектрі буде видно дві близько розташовані жовті лінії, характерні для спектру парів натрію.

Наявність лінійчастого спектра означає, що речовина випромінює світло лише цілком певних довжин хвиль (точніше, у певних дуже вузьких спектральних інтервалах). Кожна лінія має кінцеву ширину.

Такі спектри виходять від атомних газів або парів, що світяться.І тут світло випромінюють атоми, які мало взаємодіють друг з одним. Це найбільш фундаментальний, основний тип спектрів.

Лінійчасті спектри різних хімічних елементів відрізняються кольором, положенням і числом окремих ліній, що світяться.

І останній тип спектрів – це смугасті спектри.

Вони складаються із окремих смуг, розділених темними проміжками. За допомогою дуже гарного спектрального апарату можна виявити, що кожна смуга є сукупністю великої кількості дуже тісно розташованих ліній.

Смугасті спектри випромінюються окремими збудженими молекулами (молекулярний газ). Випромінювання викликано як електронними переходами в атомах, і коливальними рухами самих атомів у молекулі.

Усі описані вище спектри називаються спектрами випромінювання, тобто. спектрами, одержуваними при розкладанні світла, випромінюваного тілами, що самосвітяться.

Однак, крім спектрів випромінювання, існують ще так звані спектри поглинання.

Спектри поглинання отримують, пропускаючи світло від джерела, що дає суцільний спектр, через речовину, атоми та молекули якого перебувають у незбудженому стані.

Спектри поглинання твердих і рідких тіл зазвичай мають вигляд широких темних смуг, що закривають частину суцільного спектра джерела, а у разі атомарних газів або пар вони складаються з окремих чорних ліній, видимих на тлі суцільного спектра. Пропустивши, наприклад, світло від електричної лампи через посудину з парами натрію, ми отримаємо на суцільному спектрі лампи дві вузькі чорні лінії в жовтій області спектру саме в тому місці, де розташовані жовті лінії спектру випромінювання натрію. Іншими словами, лінії поглинання атомів натрію точно відповідають його лініям випромінювання.

Збіг частот ліній випромінювання та поглинання можна спостерігати і в спектрах інших елементів, наприклад водню та гелію.

У 1859 року з урахуванням експериментальних даних німецький вчений Густав Роберт Кірхгоф сформулював закон оборотності спектральних ліній: лінії поглинання відповідають лініям випромінювання, тобто. атоми менш нагрітої речовини поглинають із суцільного спектру саме ті частоти, які вони в інших умовах випромінюють.

Спектр атомів кожного хімічного елемента є унікальним. Як не буває двох людей з однаковим дактилоскопічним візерунком, або забарвленням райдужної оболонки очей, або двох китів з однаковим забарвленням хвостового плавця, так і немає двох хімічних елементів, атоми яких випромінювали однаковий набір спектральних ліній.

Завдяки цьому стала можливою поява методу спектрального аналізу, розробленого 1859 року Кірхгофом та його співвітчизником німецьким фізиком Бунзеном.

Спектральним аналізом називають метод дослідження хімічного складу різних речовин щодо їх спектрів.

Аналіз, що проводиться за спектрами випромінювання, називають емісійним, а за спектрами поглинання - абсорбційним спектральним аналізом.

В основі емісійного спектрального аналізу лежать такі факти:

Перше. Кожен елемент має свій спектр (відрізняється кількістю ліній, їх розташуванням та довжинами хвиль), який не залежить від способів збудження.

Друге. Інтенсивність спектральних ліній залежить від концентрації елемента у цій речовині.

Для виконання спектрального аналізу речовини з невідомим хімічним складом необхідно здійснити дві операції: змусити якимось чином атоми цієї речовини випромінювати світло з лінійчастим спектром, потім розкласти це світло в спектр і визначити довжини хвиль ліній, що спостерігаються в ньому. Порівнюючи отриманий лінійний спектр з відомими спектрами хімічних елементів таблиці Менделєєва, можна визначити, які хімічні елементи є у складі досліджуваного речовини. Шляхом порівняння інтенсивності різних ліній спектру можна визначити і відносний вміст різних елементів у цій речовині.

Спектральний аналіз вигідно відрізняється від хімічного аналізу своєю простотою, високою чутливістю, а також можливістю визначати хімічний склад віддалених тіл, наприклад, зірок. Він використовується для контролю складу речовини у металургії, машинобудуванні та атомній індустрії. Цей метод застосовується також у геології, археології, криміналістиці та багатьох інших сферах діяльності. В астрономії методом спектрального аналізу визначають хімічний склад атмосфер планет та зірок, температуру зірок та магнітну індукцію їх полів.

У процесі вивчення та застосування лінійчастих спектрів виникли різні питання, які не можна було пояснити у рамках класичної механіки Ньютона. Як, наприклад, пояснити, чому атоми кожного хімічного елемента мають свій індивідуальний набір спектральних ліній? Чому збігаються лінії випромінювання та поглинання у спектрі даного елементи? Чим зумовлені відмінності у спектрах атомів різних елементів? Відповіді на ці та багато інших питань вдалося знайти лише на початку ХХ ст. завдяки виникненню нової фізичної теорії - квантової механіки.Одним із основоположником цієї теорії був датський фізик Нільс Бор. Бор дійшов висновку, що світло випромінюється атомами речовини. У зв'язку з цим у 1913 р. він сформулював два постулати.

Перший постулат (його називають постулатом стаціонарних станів) свідчить, що атомна система може бути лише у спеціальних стаціонарних (квантових) станах, кожному у тому числі відповідає певна енергія, перебуваючи у яких атом не випромінює і поглинає енергії.

Стаціонарним станам відповідають стаціонарні орбіти, якими рухаються електрони. При русі стаціонарними орбітами електрони не випромінюють електромагнітні хвилі, незважаючи на прискорений рух. У кожному стаціонарному стані атом має певне квантове значення енергії.

Другий постулат (або правило частот) свідчить, що при переході атома з одного стаціонарного стану до іншого випромінюється або поглинається квант енергії.

Атоми випромінюють і поглинають енергію дискретними порціями — квантами, значення яких дорівнює різниці енергії тих стаціонарних станів, між якими відбувається перехід.

Стан атома, у якому електрони перебувають на стаціонарних орбітах з найменшою можливою енергією, називається основним. Решта стану атома називаються збудженими. Атоми кожного хімічного елемента мають свій характерний набір енергетичних рівнів. Тому переходу з більш високого енергетичного рівня на нижчий будуть відповідати характерні лінії спектру випромінювання, відмінні від ліній спектру іншого елемента.

Збіг ліній випромінювання і поглинання в спектрах атомів даного хімічного елемента пояснюється тим, що частоти хвиль, відповідних цим лінію а спектрі, визначаються одними і тими ж енергетичними рівнями. Тому атоми можуть поглинати світло лише тих частот, які здатні випромінювати.

4. Закріплення матеріалу

5.Узагальнення та систематизація

Згадаймо і повторимо головне, що ми дізналися на сьогоднішньому уроці.

Всі спектри випромінювання можна розділити на три типи, що сильно відрізняються один від одного, які визначаються станом світиться об'єкта.

Суцільний спектр. Суцільний спектр є суцільною смугою, в якій всі кольори, плавно переходять один в інший.

Лінійчастий спектр. Лінійчастим називають спектр, що складається з окремих різко окреслених кольорових ліній, відокремлених один від одного широкими темними проміжками.

Смугастий спектр. Смугастий спектр складається з окремих смуг, розділених темними проміжками.

Для вивчення спектрів використовую спеціальні прилади, які називаються спектральними - це прилади, що добре розділяють хвилі різної довжини і не допускають перекриття окремих ділянок спектру.

З досвіду випливає, що атоми можуть поглинати світло лише тих частот, які здатні випромінювати. Це твердження має назву закону оборотності спектральних ліній.

Спектральний аналіз - це метод дослідження хімічного складу різних речовин за їх спектрами.

У процесі вивчення та застосування лінійчастих спектрів виникли різні питання, відповіді на які дав Нільс Бор у 1913 році, сформулювавши два постулати.

Перший постулат (постулат стаціонарних станів) свідчить, що атомна система може бути лише у спеціальних стаціонарних станах, кожному у тому числі відповідає певна енергія, перебуваючи у яких атом не випромінює і поглинає енергії.

6. Домашнє завдання §50-51

Сонячний спектр

Перед вами - видима частина сонячного спектру в інтервалі від 4000 до 7000 Å (ангстрем - це позасистемна одиниця довжини, що дорівнює 10 -10 м, тобто 10 Å = 1 нм). спектрографа обсерваторії McMath-Pierce Solar Observatory, розташованої в пустелі Сонора (штат Арізона, США).

Це суцільна, безперервна стрічка переходу від червоного до фіолетового, розбита на 50 смуг по 60 ангстрем. елементів, атоми яких поглинають світло певних частотах. Тому у місцях спектра, відповідних цим частотам, утворюються темні провали.

При погляді на Сонце неозброєним оком ми бачимо його яскравим жовтим чи білим розжареним диском. до фіолетового. Насправді діапазон сонячного випромінювання, звичайно, набагато ширший.Видимий нами світло - це вузька частина електромагнітного спектру, що тягнеться від гамма-випромінювання до багатокілометрових радіохвиль (докладніше можна подивитися на нашому інтерактивному плакаті).

На цій схемі добре видно, наскільки малий фрагмент із усього різноманіття електромагнітних хвиль здатний побачити людина. Видимий світло укладено між ультрафіолетовим та інфрачервоним ділянками електромагнітного спектру. Вгорі вказана частота в герцах, тобто коливаннях в секунду. Наприклад, частота 1010 Гц, що відповідає мікрохвильовому діапазону, означає, що хвиля за одну секунду встигає зробити 10 мільярдів коливань. Внизу сірої стрічки підписано довжини хвиль за метри. Тобто тому ж мікрохвильовому діапазону відповідають сантиметрові хвилі. Оскільки швидкість світла у вакуумі постійна, довжина хвилі та її частота пов'язані: їхній твір завжди дає швидкість світла. Справді, світло за секунду проходить 300 000 000 м, а хвиля робить 10 мільярдів коливань, отже, за час одного коливання вона встигає пройти 0,03 метра, або 3 сантиметри, що відповідає діапазону сантиметрових хвиль. Зображення із сайту ru.wikipedia.org

Сонце світить, не обмежуючи себе вузькою смугою видимого світла: позаатмосферні спостереження зафіксували випромінювання в діапазоні від 0,001 до 1 км (атмосфера поглинає частину сонячного випромінювання). Сонце випромінює і в рентгені, і в інфрачервоній області, і в ультрафіолеті, і навіть в області радіохвиль.

Графік залежності потужності сонячного випромінювання (у ВАТ на квадратний метр) від довжини хвилі. Зовнішній, напівпрозорий контур, демонструє спектр сонячного випромінювання у космосі, поза земної атмосфери. Він йде, поступово знижуючи інтенсивність, далеко вправо - до значень мільйони нм.У цьому діапазоні сконцентрована практично вся енергія, що випромінюється Сонцем. Далі, до радіохвиль кілометрової довжини, про які йшлося вище, інтенсивність різко знижується. Внутрішній контур - Це спектр на рівні моря, з урахуванням поглинання частини випромінювання атмосферою. Райдужна вертикальна смуга відповідає видимому світлу. Зображення із сайту fondriest.com

Сонячний діапазон, як видно на головному фото, суцільний, але перекривається чорними провалами ліній поглинання. Що це означає? Будь-яка речовина, як ми знаємо з часів Демокріту, складається з атомів. Самі ж атоми, чого не знав Демокріт, складаються з ядра та електронів і мають свої енергетичні рівні — фіксовані значення енергії, які можуть мати електрони, що знаходяться навколо ядра. Перехід електрона з рівня на рівень супроводжується випромінюванням (або поглинанням) енергії у вигляді світла.

Розглянемо цей процес з прикладу атома водню. Переходи можуть відбуватися і з другого рівня на перший і з п'ятого на третій. Усі можливі переходи з вищих рівнів на якийсь один називаються спектральною серією. Так, переходи на перший рівень це серія Лаймана, на другий серія Бальмера і так далі. При цих переходах випромінюються кванти світла (фотони) певної частоти та довжини хвилі.

Спектральні серії водню. На схемі підписані значення довжин хвиль, що відповідають фотону, що випромінюється при переходах між рівнями (n). Наприклад, у серії Бальмера при переході з шостого рівня на другий випромінюватиметься фотон з довжиною хвилі 410 нм. Зображення із сайту ru.wikipedia.org

Фотони у видимому діапазоні випромінюються лише за переходах з верхніх рівнів на другий рівень.Усі переходи на перший рівень (серія Лаймана) лежать в ультрафіолетовій ділянці, на третій і вище – в інфрачервоній. Чим більша енергія фотона, тим більша його частота і, відповідно, менше довжина хвилі. Перехід з третього рівня на другий випромінює найменше енергії, оскільки різниця між такими близькими рівнями невелика. Тому фотон виходить найнижчим для цієї серії і з найбільшою довжиною хвилі - 6565 Å (або 656,5 нм). Він дає червону смугу в спектрі водню (оскільки 6565 Å - це довжина хвилі червоного кольору). «Падіння» з вищих рівнів будуть давати фотони з дедалі більшим зміщенням у фіолетову частину спектра.

Електрони, що знаходяться всередині атома, «зстрибують» з вищих рівнів на другий, випромінюючи різницю енергії у вигляді фотона певної частоти. Білими стрілками зображено переходи з третього, четвертого, п'ятого та шостого рівнів. Внизу зображений спектр атома водню, що виходить, під ним зазначена довжина хвилі (в ангстремах). Нижнє зображення - з сайту grotrian.nsu.ru

Спектри випромінювання атомів мають, таким чином, чіткі роздільні лінії, що світяться, частота яких відповідає частотам випромінюваних фотонів. Такий спектр називається лінійним. У 1859 році фізик Густав Кірхгоф та хімік Роберт Бунзен показали, що спектрам випромінювання атомів різних речовин відповідають різні набори ліній у спектрах. Іншими словами, лінійний спектр кожного елемента є унікальним, як відбиток пальця, і за цим відбитком його можна ідентифікувати. Так виник спектральний аналіз.

Завдяки цим унікальним портретам атомів стало можливим виявити присутність речовини у будь-якому тілі, суміші рідин чи газів, спектр якого ми отримали та можемо розглянути.Але щоб мати лінійний спектр, речовина повинна складатися з таких окремих атомів, тобто бути розрідженим атомарним газом. Наприклад, у хромосфері (частини атмосфери) Сонця є у вигляді дуже розрідженого газу іонізований кальцій.

Видимий лінійний спектр випромінювання кальцію. Зображення із сайту grotrian.nsu.ru

Якщо ж речовина складається з молекул, а не окремих атомів, його спектри стають більш «розмазаними», що складаються з широких смуг. У молекулах через взаємодію атомів з'являються нові енергетичні рівні з близькими значеннями енергій, і від них виглядає як широкі смуги. У тому ж випадку, коли речовина знаходиться в твердому або рідкому стані або є газом, що знаходиться під високим тиском, його молекули постійно взаємодіють і породжують вже не рівні, а цілі енергетичні зони, переходи між якими і всередині яких дають суцільний спектр випромінювання.

Види спектрів випромінювання: а) лінійний, атомний: складається з окремих вузьких ліній. b) молекулярний: смуги молекулярного газу складаються з безлічі вузьких смуг, таких, як у лінійчастих спектрів, просто вони розташовані дуже щільно один до одного. с) суцільний: випромінювання відбувається на всіх частотах

Ось такий суцільний спектр і у Сонця. Суцільний спектр мають щільні, рідкі або тверді тіла, притому тіла гарячі, нагріті достатньо, щоб теплова взаємодія їх молекул створювала множинні енергетичні зони. Для опису такого теплового випромінювання фізики (а саме, той самий Густав Кірхгофф) запровадили поняття абсолютно чорного тіла (АЧТ) — якогось абстрактного ідеального об'єкта, який всю отриману енергію повертає лише у вигляді теплового випромінювання.Абсолютно чорне тіло не відображає нічого з падаючого на нього випромінювання — жодного кванта в жодному діапазоні. Все, що потрапляє на нього, йде збільшення його внутрішньої енергії. Нагріваючись, АЧТ починає випромінювати саме, даючи цей суцільний спектр нагрітих тіл. Колірна температура, що вказується на деяких освітлювальних приладах, наприклад на лампах (6000 К — «холодне біле світло» і т. д.), — це якраз температура АЧТ, при якій воно випромінює світло того ж кольору (тону), що маркується. прилад (К, кельвін - температурна шкала, запропонована лордом Кельвіном, початок якої збігається з абсолютним нулем, а крок дорівнює градусу за шкалою Цельсія).

У 2014 році був створений штучний матеріал із вуглецевих нанотрубок, що найбільше наближається за своїми властивостями до гіпотетичного АЧТ, — vantablack. У видимому діапазоні він поглинає 99,965% світла, що падає на нього (див. картинку дня Найчорніший матеріал). У минулому році був створений ще більш чорний матеріал з коефіцієнтом поглинання 99,995%, що в 10 разів чорніше за вантуblack.

Наше Сонце за своїм спектром дуже близьке до випромінювання АЧТ, нагрітого до температури 6000 К. Однак природа його випромінювання зовсім інша, ніж у нагрітого твердого тіла. Відповідальність за зображення Сонця, яким його бачимо, несе фотосфера — частина атмосфери Сонця, де й формується безперервний спектр сонячного випромінювання. Це невеликий шар завглибшки близько 300-400 км. Фотосфера є зовсім не твердим тілом - це газ, розпечений і дуже сильно розріджений (щільність фотосфери дорівнює в середньому 10 -9 г/см 3 - одна мільярдна грама на кубічний сантиметр, в мільйон разів менше щільності повітря).Газ цей складається з водню (74%), гелію (25%), а також кисню та інших газоподібних станів (заліза, вуглецю, магнію, сірки та інших), на частку яких припадає приблизно 1% від загальної маси. Проте спектр його випромінювання зовсім не лінійний.

Спектр випромінювання Сонця та спектр абсолютно чорного тіла. Суцільними лініями показані дані, штрихованими - Спектр АЧТ при зазначеній температурі. В області видимого та інфрачервоного випромінювання експериментальні дані добре узгоджуються з лінією АЧТ при температурі 6000 К (у довгохвильовій області температура дорівнює 10 4 До 10 5 К). Зображення із сайту astronet.ru

У фотосфері присутні метали, які дуже легко іонізуються, тобто втрачають електрони із зовнішніх оболонок, слабко пов'язаних з ядром. Температури фотосфери недостатньо, щоб іонізувати гелій або водень, а ось електрони металів, «розігріваючись», одержують достатньо енергії, щоб залишити атом металу та вирушити у вільний політ. Врізаючись в атоми водню, вони "залишаються там жити", породжуючи дуже цікаве явище - негативні іони водню (див. Hydrogen anion). «Вселяючись» на вільні енергетичні рівні, електрони випромінюють різницю між своєю колишньою енергією та енергією свого новонабутого рівня в атомі водню у вигляді кванта світла.

Цей процес подібний до описаного вище випромінювання при переходах між рівнями, однак, оскільки електрон прилітає ззовні і може володіти абсолютно будь-якою енергією, а не тільки строго рівної енергії вищих шарів, випромінювання відбувається не у вузьких лінійчастих діапазонах, що відповідають різницям значень енергії переходу, а в будь-якому діапазоні.Іншими словами, якщо переходи всередині того ж атома водню дають, як ми бачили на зображенні його спектру, набір випромінювань на одному і тому ж наборі частот, то випромінювання кванта від зовнішнього електрона, що «приземлився», може бути яким завгодно і дати лінію в будь-якій частині спектру .

Однак залишається атом у цьому стані недовго. По сотні мільйонів разів на секунду він випускає фотони, переводячи електрони на нижчі енергетичні рівні, стикається з новими електронами, поглинає фотони і таке інше. , стикається з новими, знову випромінює, але вже в іншому місці спектра. Різноманітність таких актів випромінювання, а також через величезну кількість атомів всі довжини хвиль у спектрі випромінювання виявляються зайнятими.

Як ми вже сказали, атом може не тільки випромінювати фотони, але й поглинати. світла. Тоді фотони, що летять, збуджують електрони і «закидають їх нагору», на високоенергетичні рівні. тримаються там недовго і знову зістрибують вниз, проте перевипромінюють вже у всіх можливих напрямках без розбору, через що в напрямку початкового пучка світла променів саме з такою довжиною хвилі вирушить набагато менше, і в цьому місці спектр буде провал.

Спектр натрію. (а) - емісійний, або випромінювальний: дві яскраві смуги на тлі чорного тла, 589,0 нм та 589,59 нм (так званий «дублет натрію»); (b) - Поглинальний (абсорбційний): ті ж дві смуги на тих же точно частотах, але це вже чорні смуги відсутності світла на тлі суцільного спектра. Зображення із сайту Вісконсинського університету astro.wisc.edu

Саме такі провали на головному зображенні і ділять безперервні барвисті смужки сонячного спектру на окремі цеглинки. Виявив їх у 1802 році англійський хімік Вільям Воластон, щоправда не надавши цьому жодного значення. А ось німецький фізик Йозеф Фраунгофер додав і взявся 1814 року за їхнє вивчення. Він описав понад п'ятсот таких темних «провалів» у сонячному спектрі, і вони називаються тепер фраунгоферовими лініями.

Ці лінії дають елементи, що входять до складу фотосфери, причому цікаво, що великий внесок вносять ті, чия присутність дуже невелика, наприклад ті ж метали. Пов'язано це з низькими потенціалами іонізації металів: їх зовнішнім електронам, слабко пов'язаним з ядром, для переходу на інший енергетичний рівень і, для поглинання кванта світла потрібно в кілька разів менше енергії, ніж водню. Водню ж, щоб поглинати у видимому спектрі, необхідно мати електрон не на основному рівні, а на другому. Як ми казали, електрони, спускаючись з вищих рівнів на другий, випромінюють фотони у видимому діапазоні. Це серія Бальмер. І навпаки, щоб поглинути фотон у видимому спектрі атом повинен мати електрон на цьому другому рівні, щоб енергії фотона було достатньо рівно на «закидання» електрона на один з «верхніх рубежів». Але щоб мати електрон на «другому поверсі», атом водню необхідно бути збудженим, чого в умовах фотосфери складно досягти: занадто низька температура.Тому кількість таких збуджених і тому водних атомів, що поглинають, вкрай мала — щодо їх загального числа, звичайно ж.

Таким чином, при температурі фотосфери водень залишається нейтральним (за винятком описаних вище негативних іонів, але таким стає тільки один атом водню на сто мільйонів, і внесок вони вносять у спектр випромінювання фотосфери, а не поглинання), а метали та інші елементи фотосфери іонізуються, поглинаючи для цього фотони, і майже всі їх атоми беруть участь у створенні темних смуг спектру поглинання (докладніший висновок див. в новини Сесілія Пейн - господиня зіркової кухні в розділі «Сонце: кальцій і водень», «Елементи», 27.05.2020).

Спрощена версія головного зображення: лінії поглинання у сонячному спектрі. Кожна з цих темних смуг відповідає будь-якому елементу. У центрі видно лінії дублету натрію. Праворуч - H-α - лінія водню, що домінує у видимій частині спектру (той самий перехід з другого енергетичного рівня на третій з поглинанням фотона з довжиною хвилі 656 нм). Ліворуч залишають слід атоми кальцію, що втратили один електрон (іони Ca II); вони випромінюють і поглинають світло на декількох довжинах хвиль, зокрема, на 396,8 нм та 393,3 нм у фіолетовій області спектру. Це лінії Ca-H і Ca-K (сильніші, тобто інтенсивніші, лінії позначають літерами від A до K) одноразово іонізованого кальцію. Інші чорні лінії відповідають спектрам поглинання інших елементів; встановити, яким, можна за літерними позначеннями, що відповідають фраунгоферовим лініям. Зображення із сайту ru.wikipedia.org

З часів Фраунгофера, який відкрив і описав понад 500 ліній поглинання, їхня кількість зросла більш ніж до 25 000 — це, звичайно, вже у всьому спектрі, не тільки у видимій його частині. За цими спектральними провалами можна робити висновки про будову та склад Сонця (так, наприклад, був відкритий гелій, на честь Сонця і названий).

Збільшена частина головного зображення. Такий вигляд має знайомий нам дублет натрію. Довжина хвилі (в ангстремах) підписана під спектральною стрічкою. Назва елемента, якому належить лінія, над нею. Розглянути весь спектр Сонця в подробицях, де кожну лінію поглинання підписано, можна, завантаживши файл за посиланням

Вивчення Сонця в різних електромагнітних діапазонах дозволяє робити висновки про його активність і процеси, що там відбуваються; власне, це основний спосіб отримання інформації про перетворення енергії, що відбуваються у нашій зірці. Наприклад, в ультрафіолеті отримані картини руху плазми, що супроводжують переєднання магнітних ліній в атмосфері — основного кандидата на пояснення підвищеної температури сонячної корони (див. завдання «Магнітне переєднання»).

Ліворуч — кадр із відеозйомки Сонця в рентгенівському діапазоні, зробленого японським супутником Hinode у січні 2012 року. Сама поверхня Сонця у рентгені майже не випромінює, тому виглядає на знімку як чорна сфера. Рентгенівське випромінювання дає сонячна корона, розігріта до мільйонів градусів (червоний «туман»), та сонячні спалахи (невеликі яскраві плями). Праворуч - Зображення в ультрафіолеті на довжині хвилі 171 Å, отримане Обсерваторією сонячної динаміки також у 2012 році. Яскравими виглядають активні області - спалахи та петлі плазми вздовж ліній магнітних полів. Фото із сайту nasaviz.gsfc.nasa.gov.Обидва кадри спочатку монохромні та розфарбовані. Вважається, що людське око краще сприймає контраст між різнобарвними об'єктами

Лінії поглинання допомагають отримувати інформацію про сонячну структуру з різних верств. З висотою змінюються фізичні характеристики сонячної атмосфери і, відповідно, стан елементів, що позначається їх спектрах. Лінії поглинання дозволяють розглядати Сонце без засліплюючої фотосфери - для цього потрібно використовувати світлофільтр, що має вузьку смугу пропускання саме на частоті лінії поглинання. Так розглядають світло, що йде від хромосфери, зазвичай невидимої у яскравому світлі фотосферного шару.

Василь Дерев'янко