5.3: 天文学中的光谱学
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述光的特性
- 解释天文学家如何通过检查气体的光谱线来学习气体的组成
- 讨论各种类型的光谱
电磁辐射携带大量有关恒星和其他天体性质的信息。 但是，要提取这些信息，天文学家必须能够精细地研究我们在不同波长的光下接收的能量。 让我们研究一下如何做到这一点以及我们可以学到什么。
光的特性
光表现出某些行为，这些行为对望远镜和其他仪器的设计很重要。 例如，光可以从表面反射。 如果表面像镜子一样光滑有光泽，则可以通过了解反射表面的形状来精确计算出反射光束的方向。 当光线从一种透明材料传递到另一种透明材料时，比如从空气进入玻璃透镜时，它也会弯曲或折射。
光的反射和折射是使所有光学仪器（帮助我们更好地观察事物的设备）——从眼镜到巨型天文望远镜——成为可能的基本特性。 此类仪器通常是玻璃透镜和曲面反射镜的组合，前者根据折射原理弯曲光线，后者取决于反射特性。 小型光学设备，例如眼镜或双筒望远镜，通常使用镜头，而大型望远镜的主要光学元件几乎完全依赖反射镜。 我们将更全面地讨论天文仪器及其在天文仪器中的用途。 现在，我们转向光的另一种行为，这种行为对于解码光至关重要。
1672年，艾萨克·牛顿爵士在提交给皇家学会的第一篇论文中描述了一项实验，在该实验中，他允许阳光穿过一个小洞，然后穿过棱镜。 牛顿发现，对我们来说看起来像白色的阳光实际上是由彩虹的所有颜色的混合物组成的（图\(\PageIndex{1}\)）。
该图\(\PageIndex{1}\)显示了如何使用棱镜将光线分成不同的颜色，棱镜是一块具有折射表面的三角形形状的玻璃。 进入棱镜的一面后，光的路径会被折射（弯曲），但并非所有颜色都以相同程度弯曲。 光束的弯曲取决于光的波长和材料的特性，因此，不同的波长（或光的颜色）的弯曲量不同，因此穿过棱镜的路径略有不同。 紫光比红光弯曲得更多。 这种现象被称为色散，它解释了牛顿的彩虹实验。
离开棱镜的另一面后，光线会再次弯曲并进一步分散。 如果离开棱镜的光线聚焦在屏幕上，则构成白光的不同波长或颜色会像彩虹一样并排排成一列（图\(\PageIndex{2}\)）。 （实际上，彩虹是由光线通过雨滴分散而形成的；参见 “彩虹” 功能框。） 由于这种颜色阵列是光谱，因此用于分散光线并形成光谱的仪器称为光谱仪。
恒星光谱的价值
当牛顿描述光学中的折射和色散定律并观察太阳光谱时，他所能看到的只是一条连续的色带。 如果来自太阳和恒星的白光光谱只是连续的彩虹色，那么一旦天文学家得知恒星的平均表面温度，他们就不会对恒星光谱的详细研究感兴趣。 然而，在1802年，威廉·沃拉斯顿制造了一种改进的光谱仪，其中包括一个用于在屏幕上聚焦太阳光谱的镜头。 有了这个设备，沃拉斯顿发现颜色分布不均匀，而是缺少了一些颜色范围，在太阳光谱中显示为暗带。 他错误地将这些线条归因于颜色之间的自然边界。 1815 年，德国物理学家约瑟夫·弗劳恩霍夫在更仔细地检查太阳光谱后，发现了大约 600 条这样的暗线（缺少颜色），这使科学家们排除了边界假设（图\(\PageIndex{3}\)）。
后来，研究人员发现，在人造光源的光谱（“光谱” 是 “光谱” 的复数形式）中也可能产生类似的黑线。 他们通过将光线穿过各种看似透明的物质来做到这一点，通常是里面只有一点稀气体的容器。
事实证明，这些气体在所有颜色上都不是透明的：它们在几个清晰的波长下都非常不透明。 每种气体中的某些东西只能吸收几种颜色的光，不能吸收其他颜色的光。 所有气体都这样做，但是每种不同的元素吸收了一组不同的颜色，因此显示出不同的黑线。 如果容器中的气体由两个元素组成，则穿过它的光线缺少两种元素的颜色（显示黑线）。 因此，很明显，光谱中的某些线条 “与” 某些元素 “相关”。 这一发现是天文学史上向前迈出的最重要步骤之一。
如果我们的气体没有连续光谱可以去除光线，会发生什么？ 相反，如果我们加热同样的稀薄气体，直到它们变热到可以用自己的光发光，该怎么办？ 当气体被加热时，光谱仪显示的不是连续光谱，而是有几条单独的亮线。 也就是说，这些热气体仅以特定的波长或颜色发射光。
当气体是纯氢气时，它会发出一种颜色图案；当它是纯钠时，它会发出不同的图案。 氢气和钠的混合物发射了两组光谱线。 加热时气体发出的颜色与它们身后有连续光源时所吸收的颜色完全相同。 通过这些实验，科学家们开始看到，不同的物质显示出独特的光谱特征，通过这些特征可以检测它们的存在（图\(\PageIndex{4}\)）。 正如您的签名允许银行识别您的身份一样，每种原子（其光谱）的独特颜色图案可以帮助我们识别气体中有哪些元素。
光谱的类型
那么，在这些实验中，有三种不同类型的光谱。 连续光谱（在固体或非常密集的气体发出辐射时形成）是彩虹的所有波长或颜色的阵列。 连续光谱可以作为密度低得多的气体的原子吸收光的背景。 暗线或吸收光谱由一系列或图案的暗线（缺少颜色）组成，这些暗线叠加在光源的连续光谱上。 亮线或发射光谱以图案或一系列亮线出现；它由仅存在某些离散波长的光组成。 （图\(\PageIndex{4}\)显示了吸收光谱，而图\(\PageIndex{3}\)显示了许多常见元素的发射光谱以及连续光谱的示例。）
当我们有一种热而稀薄的气体时，每种特定的化学元素或化合物都会产生自己的光谱线特征——其光谱特征。 没有两种类型的原子或分子会产生相同的模式。 换句话说，每种特定的气体只能吸收或发射该气体特有的某些波长的光。 相比之下，吸收光谱是在白光穿过凉而稀薄的气体时产生的。 温度和其他条件决定线条是亮的还是暗的（光是被吸收还是发射），但是无论哪种情况，任何元素的线条波长都是相同的。 正是精确的波长模式使每个元素的特征都独一无二。 液体和固体也可以生成光谱线或波段，但它们更宽，定义不够明确，因此更难解释。 但是，光谱分析可能非常有用。 例如，它可以应用于从附近小行星表面反射的光，也可以应用于来自遥远星系的光。
因此，太阳光谱中的黑线证明我们和太阳之间的某些化学元素吸收了这些波长的阳光。 因为我们和太阳之间的空间非常空虚，天文学家意识到进行吸收的原子必须位于太阳周围较冷气体的稀薄大气中。 这种外部大气与太阳的其余部分没什么不同，只是更薄、更凉爽。 因此，我们可以用我们所学到的关于太阳成分的知识来衡量整个太阳是由什么构成的。 同样，我们可以利用吸收和发射线的存在来分析太空中其他恒星和气体云的组成。
这种光谱分析是现代天文学的关键。 只有这样，我们才能 “采样” 星星，因为这些星星距离太远，我们无法参观。 在来自天体的电磁辐射中编码的是有关这些物体化学成分的明确信息。 只有了解恒星是由什么构成的，天文学家才能开始形成关于是什么使它们发光以及它们如何演变的理论。
1860年，德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）发现钠气的光谱特征，成为第一个使用光谱学识别太阳中元素的人。 在随后的几年中，天文学家在太阳和恒星中发现了许多其他化学元素。 实际上，氦元素首先是从太阳光谱中发现的，后来才在地球上被发现。 （“氦气” 一词来自赫利奥斯，希腊语中的太阳名字。）
为什么每个元素都有特定的线条？ 这个问题的答案直到二十世纪才找到；它需要开发一个原子模型。 因此，我们接下来要仔细研究构成所有物质的原子。
《彩虹》
彩虹很好地说明了阳光的分散。 每当你在太阳和阵雨之间时，你都有很大的机会看到彩虹，如图所示。 雨滴的作用就像小棱镜，将白光分解成色谱。 假设一缕阳光遇到雨滴并进入其中。 当光线从空气传递到水时，光线会改变方向（折射）；蓝光和紫光的折射程度高于红光。 然后，一些光线被反射到水滴的背面，然后从正面重新出现，然后再次被折射。 结果，白光散布成彩虹色。
请注意，紫光从雨滴中冒出后位于红灯上方。 但是，当你看彩虹时，天空中的红光会更高。 为什么？ 再看图\(\PageIndex{5}\)。 如果观察者看着天空中高处的雨滴，紫色的光线会从她的头上穿过，红光进入她的眼睛。 同样，如果观察者看着天空中低处的雨滴，则紫色的光线到达她的眼睛，水滴呈紫罗兰色，而来自同一滴的红光照射到地面，看不见。 中间波长的颜色会被眼睛折射到眼睛上，这些滴剂位于呈紫罗兰色的水滴和呈红色的液滴之间。 因此，一条彩虹的外面总是红色，内部总是紫罗兰色。
关键概念和摘要
光谱仪是一种形成光谱的设备，通常利用色散现象。 来自天文源的光可以由连续光谱、发射（亮线）光谱或吸收（暗线）光谱组成。 由于每种元素都以我们观察到的线条模式留下其光谱特征，因此光谱分析揭示了太阳和恒星的构成。
词汇表
- 吸收光谱
- 一系列或图案的黑线叠加在连续光谱上
- 连续频谱
- 由连续波长或颜色范围的辐射组成的光谱，而不仅仅是某些离散波长
- 分散
- 通过不同量的折射分离不同波长的白光
- 发射频谱
- 一系列或图案的亮线叠加在连续光谱上
- 光谱仪
- 用于获取光谱的仪器；在天文学中，通常附在望远镜上以记录恒星、星系或其他天文物体的光谱