5.3: Spectroscopy katika Astr

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza mali ya mwanga
• Eleza jinsi wanaastronomia wanavyojifunza muundo wa gesi kwa kuchunguza mistari yake ya spectral
• Jadili aina mbalimbali za spectra

Mionzi ya sumakuumeme hubeba habari nyingi kuhusu asili ya nyota na vitu vingine vya astronomia. Ili kuondoa taarifa hii, hata hivyo, wanaastronomia lazima waweze kujifunza kiasi cha nishati tunayopokea kwa wavelengths tofauti za mwanga kwa undani. Hebu tuchunguze jinsi tunaweza kufanya hivyo na nini tunaweza kujifunza.

Mali ya Mwanga

Mwanga huonyesha tabia fulani ambazo ni muhimu kwa kubuni ya darubini na vyombo vingine. Kwa mfano, mwanga unaweza kuonekana kutoka kwenye uso. Ikiwa uso ni laini na huangaza, kama ilivyo na kioo, mwelekeo wa boriti ya mwanga inayoonekana inaweza kuhesabiwa kwa usahihi kutokana na ujuzi wa sura ya uso unaoonyesha. Mwanga pia hupigwa, au kukataliwa, unapopita kutoka kwa aina moja ya vifaa vya uwazi hadi nyingine-sema, kutoka hewa hadi kwenye lens ya kioo.

Kutafakari na kukataa mwanga ni mali za msingi zinazowezesha vyombo vyote vya macho (vifaa vinavyotusaidia kuona mambo bora) -kutoka miwani hadi darubini kubwa za angani. Vyombo vile kwa ujumla ni mchanganyiko wa lenses za kioo, ambazo hupiga mwanga kulingana na kanuni za kukataa, na vioo vyenye rangi, ambavyo hutegemea mali ya kutafakari. Vifaa vidogo vya macho, kama vile miwani au binoculars, hutumia lenses kwa ujumla, wakati darubini kubwa hutegemea karibu kabisa kwenye vioo kwa vipengele vyao vikuu vya macho. Tutajadili vyombo vya angani na matumizi yao kikamilifu zaidi katika Vyombo vya Astronomical. Kwa sasa, tunageuka kwenye tabia nyingine ya mwanga, ambayo ni muhimu kwa kuamua mwanga.

Mwaka 1672, katika karatasi ya kwanza aliyowasilisha kwa Royal Society, Sir Isaac Newton alielezea jaribio ambalo aliruhusu jua kupita kwenye shimo dogo halafu kupitia mche. Newton iligundua kwamba jua, ambayo inaonekana nyeupe kwetu, kwa kweli imeundwa na mchanganyiko wa rangi zote za upinde wa mvua (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Action ya mche. Tunapopitia boriti ya jua nyeupe kupitia mche, tunaona bendi ya rangi ya upinde wa mvua ambayo tunaita wigo unaoendelea.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) kinaonyesha jinsi mwanga umetenganishwa katika rangi tofauti na mche—kipande cha kioo katika sura ya pembetatu na nyuso refracting. Baada ya kuingia uso mmoja wa mche, njia ya nuru imefutwa (imeinama), lakini sio rangi zote zinazopigwa kwa kiasi sawa. Kupigwa kwa boriti kunategemea wavelength ya nuru pamoja na mali ya nyenzo, na matokeo yake, wavelengths tofauti (au rangi ya nuru) hupigwa kwa kiasi tofauti na hivyo kufuata njia tofauti kidogo kupitia mche. Nuru ya violet imepigwa zaidi kuliko nyekundu. Jambo hili linaitwa utawanyiko na kuelezea jaribio la upinde wa mvua wa Newton.

Baada ya kuacha uso kinyume cha mche, mwanga hupigwa tena na kutawanyika zaidi. Kama mwanga kuondoka mche ni kulenga screen, wavelengths tofauti au rangi kwamba kufanya juu ya mwanga nyeupe ni lined up upande kwa upande kama upinde wa mvua (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). (Kwa kweli, upinde wa mvua hutengenezwa na utawanyiko wa mwanga ingawa mvua za mvua; angalia sanduku la kipengele cha Rainbow.) Kwa sababu safu hii ya rangi ni wigo wa mwanga, chombo kinachotumiwa kueneza mwanga na kuunda wigo huitwa spectrometer.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kuendelea Spectrum. Wakati mwanga mweupe unapita kupitia mche, hutawanyika na huunda wigo unaoendelea wa rangi zote. Ingawa ni vigumu kuona katika toleo hili la kuchapishwa, katika wigo uliotawanyika vizuri, gradations nyingi za hila katika rangi zinaonekana kama jicho lako linapima kutoka mwisho mmoja (violet) hadi nyingine (nyekundu).

Thamani ya Spectra ya Stellar

Wakati Newton alielezea sheria za kukataa na utawanyiko katika optics, na aliona wigo wa jua, yote aliyoweza kuona ilikuwa bendi inayoendelea ya rangi. Ikiwa wigo wa nuru nyeupe kutoka Jua na nyota zilikuwa tu upinde wa mvua unaoendelea wa rangi, wanaastronomia wangekuwa na riba kidogo katika utafiti wa kina wa wigo wa nyota mara baada ya kujifunza joto lake la wastani la uso. Mwaka 1802, hata hivyo, William Wollaston alijenga spectrometer iliyoboreshwa iliyojumuisha lenzi ili kulenga wigo wa Sun kwenye skrini. Kwa kifaa hiki, Wollaston aliona kwamba rangi hazikuenea kwa usawa, lakini badala yake, baadhi ya safu za rangi hazikuwepo, zinaonekana kama bendi za giza katika wigo wa jua. Alitumia makosa mistari hii kwa mipaka ya asili kati ya rangi. Mwaka 1815, mwanafizikia wa Ujerumani Joseph Fraunhofer, juu ya uchunguzi wa makini zaidi wa wigo wa jua, aligundua kuhusu 600 mistari ya giza (kukosa rangi), ambayo imesababisha wanasayansi kuondokana na hypothesis ya mipaka (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Visible Spectrum ya Sun. Wigo wa nyota yetu unavuka na mistari ya giza inayotengenezwa na atomi katika anga ya jua inayoweza kunyonya mwanga kwa wavelengths fulani.

Baadaye, watafiti waligundua kuwa mistari sawa ya giza inaweza kuzalishwa katika spectra (“spectra” ni wingi wa “wigo”) wa vyanzo vya mwanga bandia. Walifanya hivyo kwa kupitisha mwanga wao kupitia vitu mbalimbali vinavyoonekana uwazi- kwa kawaida vyombo vyenye gesi kidogo tu nyembamba ndani yao.

Gesi hizi hazikuwa wazi kwa rangi zote: zilikuwa opaque kabisa katika wavelengths chache zilizoelezwa. Kitu katika kila gesi kilipaswa kunyonya rangi chache tu za mwanga na hakuna wengine. Gesi zote zilifanya hivyo, lakini kila kipengele tofauti kilichukua seti tofauti ya rangi na hivyo ilionyesha mistari tofauti ya giza. Ikiwa gesi katika chombo ilikuwa na vipengele viwili, basi mwanga unaopitia haukuwa na rangi (kuonyesha mistari ya giza) kwa vipengele vyote viwili. Kwa hiyo ikawa wazi kwamba mistari fulani katika wigo “kwenda na” vipengele fulani. Ugunduzi huu ulikuwa mojawapo kati ya hatua muhimu zaidi mbele katika historia ya astronomia.

Nini kitatokea ikiwa hapakuwa na wigo unaoendelea wa gesi zetu ili kuondoa mwanga kutoka? Je, ikiwa, badala yake, tuliwaka gesi nyembamba sawa mpaka walikuwa moto wa kutosha kuangaza na mwanga wao wenyewe? Wakati gesi zilipokanzwa, spectrometer haikufunua wigo unaoendelea, lakini mistari kadhaa tofauti. Hiyo ni, gesi hizi za moto zinazotolewa mwanga tu kwa wavelengths maalum au rangi.

Wakati gesi ilikuwa hidrojeni safi, ingekuwa emit mfano mmoja wa rangi; wakati ilikuwa safi sodiamu, ingekuwa emit mfano tofauti. Mchanganyiko wa hidrojeni na sodiamu iliyotolewa seti zote mbili za mistari ya spectral. Rangi ambazo gesi zilizotolewa wakati zilipokanzwa moto zilikuwa rangi sawa sana na zile zilizowahi kufyonzwa wakati chanzo cha mwanga kilichoendelea kilikuwa nyuma yao. Kutoka kwa majaribio hayo, wanasayansi walianza kuona kwamba vitu tofauti vilionyesha saini tofauti za spectral ambazo uwepo wao unaweza kugunduliwa (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Kama vile saini yako inaruhusu benki kukutambua, muundo wa kipekee wa rangi kwa kila aina ya atomi (wigo wake) unaweza kutusaidia kutambua ni kipengele gani au vipengele vilivyo kwenye gesi.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) Kuendelea Spectra na Line Spectra kutoka Vipengele tofauti. Kila aina ya gesi inayowaka (kila kipengele) hutoa muundo wake wa kipekee wa mistari, hivyo muundo wa gesi unaweza kutambuliwa na wigo wake. Spectra ya sodiamu, hidrojeni, kalsiamu, na gesi za zebaki zinaonyeshwa hapa.

Aina ya Spectra

Katika majaribio haya, basi, kulikuwa na aina tatu tofauti za spectra. Wigo unaoendelea (hutengenezwa wakati gesi imara au mnene sana inatoa mionzi) ni safu ya wavelengths zote au rangi za upinde wa mvua. Wigo unaoendelea unaweza kutumika kama nyuma ambayo atomi za gesi ndogo sana zinaweza kunyonya mwanga. Mstari wa giza, au wigo wa ngozi, una mfululizo au mfano wa mistari ya giza-kukosa rangi-imesimama juu ya wigo unaoendelea wa chanzo. Mstari mkali, au wigo wa chafu, inaonekana kama mfano au mfululizo wa mistari mkali; linajumuisha mwanga ambao wavelengths fulani pekee zipo. (Kielelezo\(\PageIndex{4}\) inaonyesha wigo ngozi, ambapo Kielelezo\(\PageIndex{3}\) inaonyesha chafu wigo wa idadi ya mambo ya kawaida pamoja na mfano wa wigo kuendelea.)

Tunapokuwa na gesi ya moto, nyembamba, kila kipengele fulani cha kemikali au kiwanja hutoa muundo wake wa tabia ya mistari ya spectral - saini yake ya spectral. Hakuna aina mbili za atomi au molekuli zinazotoa ruwaza sawa. Kwa maneno mengine, kila gesi fulani inaweza kunyonya au kuondoa wavelengths fulani tu ya mwanga pekee kwa gesi hiyo. Kwa upande mwingine, spectra ya ngozi hutokea wakati wa kupitisha mwanga mweupe kupitia gesi baridi, nyembamba. Joto na hali nyingine huamua kama mistari ni mkali au giza (ikiwa mwanga unafyonzwa au hutolewa), lakini wavelengths ya mistari kwa kipengele chochote ni sawa katika hali yoyote. Ni mfano sahihi wa wavelengths ambayo inafanya saini ya kila kipengele kipekee. Liquids na yabisi pia inaweza kuzalisha mistari spectral au bendi, lakini ni pana na chini vizuri kufafanuliwa - na hivyo, vigumu zaidi kutafsiri. Uchunguzi wa spectral, hata hivyo, unaweza kuwa muhimu sana. Inaweza, kwa mfano, kutumika kwa nuru iliyojitokeza kwenye uso wa asteroid iliyo karibu na pia mwanga kutoka galaxy ya mbali.

Mistari ya giza katika wigo wa jua hivyo hutoa ushahidi wa vipengele fulani vya kemikali kati yetu na Jua vinavyotumia wavelengths hizo za jua. Kwa sababu nafasi kati yetu na jua ni tupu sana, wanaastronomia walitambua kwamba atomi zinazofanya kunyonya lazima ziwe katika hali nyembamba ya gesi baridi inayozunguka Jua. Anga hii ya nje sio tofauti kabisa na jua zote, ni nyembamba na baridi. Hivyo, tunaweza kutumia kile tunachojifunza kuhusu muundo wake kama kiashiria cha kile Jua lote linafanywa. Vilevile, tunaweza kutumia uwepo wa mistari ya ngozi na chafu kuchambua muundo wa nyota nyingine na mawingu ya gesi angani.

Uchambuzi huo wa spectra ni ufunguo wa astronomia ya kisasa. Ni kwa njia hii tu tunaweza “sampuli” nyota, ambazo ni mbali sana kwa sisi kutembelea. Imewekwa katika mionzi ya umeme kutoka vitu vya mbinguni ni habari wazi juu ya maandalizi ya kemikali ya vitu hivi. Ni kwa kuelewa tu nyota zilizofanywa na wanaastronomia wanaweza kuanza kuunda nadharia kuhusu kile kilichowafanya ziangaze na jinsi zilivyobadilika.

Mwaka 1860, mwanafizikia wa Ujerumani Gustav Kirchhoff akawa mtu wa kwanza kutumia spectroscopy kutambua elementi katika Jua alipopata saini ya spectral ya gesi ya sodiamu. Katika miaka iliyofuata, wanaastronomia walipata elementi nyingine nyingi za kemikali katika Jua na nyota. Kwa kweli, elementi heliamu ilipatikana kwanza katika Jua kutokana na wigo wake na baadaye tu kutambuliwa duniani. (Neno “heliamu” linatokana na helios, jina la Kigiriki kwa Jua.)

Kwa nini kuna mistari maalum kwa kila kipengele? Jibu la swali hilo halikupatikana hadi karne ya ishirini; lilihitaji maendeleo ya mfano kwa atomu. Kwa hiyo tunageuka karibu na uchunguzi wa karibu wa atomi zinazounda jambo lote.

Upinde wa mvua

Upinde wa mvua ni mfano bora wa utawanyiko wa jua. Una nafasi nzuri ya kuona upinde wa mvua wakati wowote ni kati ya Sun na kuoga mvua, kama inavyoonekana katika Kielelezo. Raindrops hufanya kama prisms kidogo na kuvunja mwanga mweupe ndani ya wigo wa rangi. Tuseme ray ya jua hukutana na mvua ya mvua na inapita ndani yake. Mwanga hubadilisha mwelekeo—unakatawa—unapopita kutoka hewa hadi maji; mwanga wa buluu na violet huvunjika zaidi kuliko nyekundu. Baadhi ya mwanga ni kisha yalijitokeza katika nyuma ya tone na reemerges kutoka mbele, ambapo ni tena refracted. Matokeo yake, mwanga mweupe umeenea kwenye upinde wa mvua wa rangi.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\) Rainbow kukataa. (a) Mchoro huu unaonyesha jinsi mwanga kutoka Jua, ulio nyuma ya mwangalizi, unaweza kukataliwa na mvua za mvua ili kuzalisha (b) upinde wa mvua. (c) Kukataa hutenganisha mwanga mweupe ndani ya rangi zake za sehemu.

Kumbuka kwamba mwanga wa violet upo juu ya mwanga nyekundu baada ya kujitokeza kutoka kwenye mvua ya mvua. Unapoangalia upinde wa mvua, hata hivyo, nuru nyekundu ni ya juu mbinguni. Kwa nini? Angalia tena kwenye Kielelezo\(\PageIndex{5}\). Ikiwa mwangalizi anaangalia mvua ya mvua iliyo juu mbinguni, mwanga wa violet hupita juu ya kichwa chake na nuru nyekundu huingia jicho lake. Vilevile, kama mwangalizi anaangalia tone la mvua ambalo liko chini angani, mwanga wa violet unafikia jicho lake na tone linaonekana violet, ilhali mwanga mwekundu-kutoka tone hilo lile linapiga ardhi na hauonekani. Rangi ya wavelengths ya kati hufutwa kwa jicho na matone ambayo ni kati ya urefu kati ya matone yanayotokea violet na yale yanayotokea nyekundu. Hivyo, upinde wa mvua moja daima una nyekundu nje na violet ndani.

Dhana muhimu na Muhtasari

Spectrometer ni kifaa kinachounda wigo, mara nyingi hutumia uzushi wa utawanyiko. Nuru kutoka chanzo cha astronomical inaweza kuwa na wigo unaoendelea, wigo wa chafu (mstari mkali), au wigo wa ngozi (mstari wa giza). Kwa sababu kila kipengele kinaacha saini yake ya spectral katika muundo wa mistari tunayoyaona, uchambuzi wa spectral unaonyesha muundo wa Jua na nyota.

faharasa

wigo wa ngozi

mfululizo au mfano wa mistari ya giza superimposed juu ya wigo kuendelea

wigo unaoendelea

wigo wa mwanga linajumuisha mionzi ya aina ya wavelengths au rangi, badala ya wavelengths fulani pekee

utawanyiko

kujitenga kwa wavelengths tofauti ya mwanga mweupe kwa njia ya kukataa kwa kiasi tofauti

wigo wa chafu

mfululizo au muundo wa mistari mkali juu ya wigo unaoendelea

spectrometer

chombo cha kupata wigo; katika astronomia, kwa kawaida huunganishwa na darubini ili kurekodi wigo wa nyota, galaxy, au kitu kingine cha angani