2017-02-01 18:38:00
Тема спектрального анализа достаточно сложная и многосторонняя. Мне было непросто составить общую картину данной темы в голове: все детали не хотели укладываться, оставалось много вопросов. Зачем вообще изучают спектры разных объектов? Что такое эмиссионные линии Фраунгофера? Почему в одном случае спектр представляется в виде полосок на черном фоне, а в другом – черными полосками на фоне «радуги»? Чем вообще отличается непрерывный (сплошной) спектр от дискретного (то есть спектра, который представлен отдельными линиями)? В этой статье я постараюсь как можно понятнее ответить на эти вопросы.
Рис.1. Спектр Солнца в видимом диапазоне.
Представьте себе, что частицы, из которых состоит вещество - это что-то, похожее на очень-очень маленькую губку для мытья посуды. Естественно, эта губка может впитать какое-то количество жидкости – точно так же атом может «впитать» в себя определенное количество энергии. Детально это происходит примерно так: внешнему электрону, который спокойно вращается вокруг ядра на своей орбите, сообщается какое-то количество энергии (подобно тому как губке «сообщается» какое-то количество жидкости), и этот электрон переходит на более высокий орбитальный уровень. Но у подобного процесса «впитывания» есть свои издержки. Например, некоторая губка может принять в себя строго определенное количество жидкости и, соответственно, ровно такое же количество жидкости из себя выжать. А теперь вспомним наше Солнце, которое ежедневно не дает нам погибнуть: его температура примерно равна 6000К – этого более чем достаточно, чтобы начались термоядерные реакции, излучение фотонов (тут стоит сделать оговорку: под фотоном обычно подразумевают частичку, которая и дает видимый свет, однако на самом деле, когда человек говорит «фотон», он может подразумевать абсолютно любой вид электромагнитного излучения). Это излучение как раз и позволяет нам не умереть от холода. Но давайте взглянем на спектр Солнца подробнее (он на фотографии сверху). Всё, как и должно быть: от Солнца исходит сплошной спектр, однако что это за загадочные черные линии? Неужели это история про Солнце, которое не смогло высветить в этом крохотном диапазоне нормальное количество излучения?
Заметим, что некоторые линии излучения натрия и многие линии излучения водорода в точности совпадают с темными полосками в спектре Солнца. Совпадение? Не думаю! Вспомните опять аналогию с губкой: Солнце – это огромный источник брызг различного размера. И все они встречают на своем пути несметное количество губок, которые содержатся в атмосфере Солнца. И, если у губки есть способность поглотить именно то количество жидкости, которое на неё попало (ни больше ни меньше!), то эта жидкость не продолжит свой путь, она останется внутри губки. При этом стоит отметить важнейшее свойство: губка каждого элемента уникальна в своей способности впитывать жидкость – атом каждого элемента способен поглотить только определенное количество энергии, сообщенной излучением некоторого источника (в нашем случае источник – это Солнце). При этом ясно, что губка может как впитывать жидкость, так и выжимать её обратно, то есть атом может как поглощать энергию, так и излучать её. И количество излучаемой энергии будет в точности совпадать с тем количеством, которое атом когда-то поглотил.
Какой же вывод из этого можно сделать?
В атмосфере Солнца несомненно присутствует водород и натрий!
Давайте ещё раз взглянем на спектры, представленные на картинке. Цветные линии характеризуют то количество жидкости, которое выжала из себя губка натрия или губка водорода после того, как их каким-то образом «облили». Это спектр излучения. Иногда ещё ученые называют это эмиссионным спектром. Если сделать точно такую же картинку, но вместо черного фона поставить радугу, а на месте цветных линий черные полоски, то это будет спектр поглощения, и он будет показывать, какую «величину» жидкости не пропустила через себя губка. Но если мы посмотрим на спектр Солнца, то это будет всё же спектр излучения, потому что Солнце светит много и по-разному (излучение происходит на всех длинах волн). Если же спектр Солнца изобразить в виде чёрного фона с цветными полосками, то это будет спектр поглощения, а цветные полоски – линии Фраунгофера, то есть линии поглощения, которые видны в сплошном спектре звёзд. Такая вот терминология.
