The Fizika
Есть, что почитать.
Прочитайте состав Вселенной
Ночь. Вы сидите на залитой лунным светом террасе, рядом с вами находится самый близкий для вас человек. Эта ночь очень спокойна, над вашими головами ясное звёздноё небо, где-то вдали сверчки поют свою песенку. И только звонкий голос вашего собеседника раздается в ночи: "Слушай, а ты не знаешь, как люди догадались из чего состоят звёзды?". Ну а мы, конечно, знаем. Мы - физики. А теперь - поехали!
Как вы уже догадались, человечеству не обязательно прикасаться к объекту, чтобы понять из чего он состоит. И уж тем более ни на Солнце, ни на других далеких звездных объектах мы не бывали (кроме нашего маленького спутника, конечно). Отсюда вытекает вопрос: откуда мы знаем, что Солнце на 73 % состоит из водорода, на 25% из гелия и на 2% из железа, никеля, кислорода, азота и т.д.? А ответ очень простой - спектральный анализ.
Спектральный анализ
Спектральный анализ - это совокупность методов, которые помогают определить качественный и количественный состав рассматриваемого объекта, с помощью изучения атомного и молекулярного состава по его спектрам.
Спектры
Спектр - это распределение интенсивности электромагнитного излучения по частотам или по длинам волн.
Спектральные приборы
Как вы уже поняли, в таких приборах осуществляется разложение электромагнитного излучения оптического диапазона на монохроматические составляющие. Спектральные приборы делятся на монохроматоры и спектрографы. Все они имеют дифракционную решётку для разложения спектра. Хотя раньше многие из них имели вместо дифракционной решётки обычные призмы.
Как возникает спектр?
Как вы знаете ещё со школы, все атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Согласно постулатам Бора, электроны могут вращаться только по строго определённым стационарным орбитам. Вращаясь по таким орбитам, электрон не излучает кванты света. А если он не излучает, то и никакого спектра мы не увидим.

Что же делать? Как заставить электрон излучать кванты света (фотоны) для получения спектра?
Достаточно сообщить энергию атому, чтобы электрон "перепрыгнул" на орбиты, лежащие дальше стационарной. Другими словами, мы наблюдаем поглощение энергии атомом, вследствие чего электрон меняет своё местоположение. В возбуждённом состоянии электрон может находиться около 0,00000001 секунды, после чего возвращается на свою стационарную орбиту. Его возвращение сопровождается испусканием кванта света.

Именно испускание электроном кванта света расскажет нам, из чего состоит изучаемое вещество.
Справа представлено изображение переходов электроном на разные уровни. Эти переходы ознаменовали различные серии, такие как серия Лаймана, Бальмера, Пашена и других.


Как понять, о какой серии идёт речь?
Всё просто, если переход осуществляется на первую орбиту со второй или третьей, к примеру, то это серия Лаймана.
Самые древние звёзды состоят преимущественно из водорода, поэтому в их спектре не просматриваются линии короче этого предела (длина волны 91,15 нм называется пределом Лаймана). А его наличие является признаком, что излучение испущено древней звездой, а не каким-либо иным объектом.
Если с первой орбиты электрон переходит на вторую, а также с вышележащих орбит на вторую, то эта серия Бальмера. Данная серия была обнаружена в спектре Солнца.
Если то же самое применить по отношению к третьей орбите, значит, речь идёт о серии Пашена.
Всё не так, как кажется
Понимаем, что вы уже привыкли к постулатам Бора, достаточно их поняли и готовы двигаться дальше, но.. Но они не могут полностью описать поведение атома, а также имеют некоторые противоречия. Упс, давайте разбираться.
Изначально за основу брали планетарную модель атома Резерфорда. Однако, с точки зрения классической электродинамики, электрон в модели Резерфорда, двигаясь вокруг ядра, должен бы излучать энергию, вследствие чего в конечном итоге упасть на ядро. Но электрон не падает на ядро.
Тогда Бор предположил, что электроны в атоме могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, находясь на которых они не излучают энергию, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. Причём стационарными орбитами называются те, при движении по которым момент импульса электрона кратен постоянной Планка.
Момент импульса электрона кратен постоянной Планка
Что не могут объяснить постулаты Бора?
  • Не объясняют интенсивность спектральных линий.
  • Справедливы только для водородоподобных атомов.
  • Теория Бора логически противоречива: не является ни классической, ни квантовой.
  • Поэтому она в дальнейшем была заменена современной квантовой механикой.
Все ли спектры одинаковые?
И есть ли разница, изучаем ли мы твёрдое вещество или газообразное?

Все спектры делятся на 3 вида: линейчатые, сплошные и полосатые.
Это связано с тем, какое вещество мы рассматриваем. В каком агрегатном состоянии оно находится. Итак, линейчатые.
Линейчатые спектры - это спектры разряженных газов, состоящих из отдельных атомов, нейтральных или ионизированных паров веществ. Причём стоит помнить, что спектр газа, состоящий из атомов, ионизированных однократно или многократно, отличается от спектра того же вещества, состоящих из нейтральных атомов.
Такой спектр свойственен только отдельным атомам вещества. Молекулы такой картины давать не будут.

Различия спектров поглощения и спускания одних и тех же веществ.
Как отпечатки пальцев
У каждого газа своё оригинальное расположение линий. Существуют таблицы, по которым вы можете сравнить ваш полученный спектр и спектр других газов. И убедится в том, что за вещество вы наблюдаете. А, может, это и смесь веществ. Тогда вы увидите не только линии, к примеру, водорода, но и азота в вашем спектре. Такой анализ называется качественным.
Из обычного линейчатого спектра также можно узнать, какого газа в вашей смеси больше. Такой анализ называется количественный. Большую роль здесь играет интенсивность полученных линий. Если линии неона ярче линий аргона, следовательно, количество первого газа преобладает над вторым.

Спектр азота
Сплошной спектр совсем не похож на линейчатый. Его можно получить от раскалённого твёрдого тела, горячей жидкости, а также газов под высоким давлением.


Полосатые спектры испускания принадлежат молекулам. Такие спектры тоже имеют полосы, как и линейчатые, но в отличие от них, эти полосы не узкие, а широкие. Эти широкие полосы состоят, в свою очередь, из отдельных линий. Тонкие линии настолько мало отличаются по длине волны друг от друга, что могут быть разрешены только сильными спектральными приборами.

37,26 секунд истории
ПРОВЕРЕНО
Впервые определение состава вещества по цвету произошло в 1854 году химиком Робертом Вильгельмом Бунзеном. Ученый изобрел горелку, которая давала чистое и бесцветное пламя и при введении в него какого-либо вещества, было отчетливо видно изменение цвета пламени. Но проблема заключалась в том, что при введении вещества, состоящего из нескольких элементов, невозможно было на глаз разобрать, какого цвета пламя. Тогда химик обратился к своему коллеге Роберту Кирхгофу. Кирхгоф предложил смотреть не прямо на пламя спиртовки, а на излучаемый спектр. Он собрал спектроскоп по принципу Фраунгофера, который позволил увидеть, что раскаленные пары каждого элемента давали лучи строго определенного цвета, которые призма отклоняла на один и тот же угол в ту же точку экрана. Кирхгоф смог очень точно определить состав более сложных веществ, при внесении их в горелку, потому что все яркие линии сияли отдельно, каждая на своем месте.
Вывод очевиден: каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр. С этого момента в науке появился спектральный анализ, мощный метод дистанционного определения химического состава.

Хватит размышлять, давайте Поработаем со спектрами
Эффект Доплера
Представьте ситуацию: вы снимаете спектр и видите, что произошло смещение полос вправо. Ваши мысли?
Что могло побудить спектр сдвинуться вправо? Ведь вы ничего, вроде, не меняли. Значит, что-то произошло во внешней среде?
Именно. Объект, который вы изучали переместился и, более того, продолжает двигаться.
Данный эффект называется "эффектом Доплера".

Проще говоря, это изменение частоты и длины волны излучения, которое воспринимается наблюдателем, вследствие перемещения объекта (источника). Если спектр, как на картинке выше, сместился в область инфракрасного излучения, это значит, что объект удалился от нас за время эксперимента, а также продолжает двигаться. Такое явление получило название "красного смещения".
То есть при приближении объекта частота излучения увеличивается, а длина волны уменьшается, приближаясь к фиолетовой части спектра. А при удалении объекта частота уменьшается, соответственно, длина волны увеличивается, приближаясь к красной части спектра. Отсюда и название - красное смещение.
БИИИП-БИИИИП
Эффект Доплера преследует нас каждый день, вопрос только в том, замечаете ли вы его?
Каждый раз, когда мимо вас проносится машина, а водитель изо всех давит на гудок, эффект Доплера проявляет себя в полной мере.

Если машина стоит на месте и гудит, её тон не изменяется, частота волны остаётся той же и вы слышите обычный гудок. Примером является пробка в час пик.
Но если машина движется, то частота звука увеличивается, а значит тон гудка становится выше. Это хорошо демонстрирует анимация выше. Волны, испускаемые машиной, становятся уже вследствие движения машины.
Когда транспортное средство проезжает мимо вас, вы слышите естественный тон, который издаёт машина. Но стоит ей удалиться, как частота испускаемой волны начинает увеличивается, а расстояние между волнами становится больше. Тон, соответственно, понижается.
Давайте разберём другую ситуацию. Вы снимаете спектр излучения и видите, что те самые спектры "размазались". Теперь это не чёткая линия или набор линий, а плавный переход. Опять вопрос "почему"?
Если спектр "размылся", значит, температура исследуемого объекта велика.
Напоследок затронем космос
Мы поговорили о спектральном анализе звёзд с доктором физ.-мат. наук, профессором кафедры теоретической физики и астрономии РГПУ Им. А. И. Герцена, Прониным Владимиром Петровичем.
- Что из себя представляет спектр звезд?
- На самом деле, спектр любой звезды непрерывен, в котором могут быть либо эмиссионные линии, либо линии поглощения (линии Фраунгофера), а также эмиссионные спектры. Вся информация о физическом объекте будь то звезда, планетарная туманность, всё узнается из анализа спектра. Подавляющее количество звёзд нашей галактики имеют состав близкий к составу Солнца, хотя есть пекулярные звезды, в которых много углерода, много золота, железа и т.д.
- От чего зависит спектр звезд?
- Спектр звезды зависит от трех параметров. Первый параметр - это температура звезды. Второй параметр - это размер (связанный с плотностью звезды: чем меньше плотность, тем больше размер). Третий параметр - это три числа, определяющие химический состав небесного тела, в них отражена доля водорода, гелия и тяжёлых компонентов.
- Какие классификации звезд существуют?
- В соответствии с параметрами звезд существует несколько классификаций. Первая - гарвардская классификация по температуре. Это первая классификация звезд. Она была создана в 1920 году. Затем разработана двумерная классификация, в которой учитывается не только температура, но и размер звезды связанный с её светимостью. Рассмотрим диаграмму светимости звёзд.
Диаграмма Герцшпрунга — Рассела, диаграмма светимости
Классификация Моргана-Кинана
- Согласно классификации Моргана- Кинана, которая была создана в середине сороковых годов, каждой звезде присваивается, помимо спектрального класса ( например, наше Солнце G2), класс светимости. Солнце имеет пятый класс светимости. Всего их 7. Самые яркие звёзды - голубые гиганты, имеют первый класс светимости. Белые карлики имеют седьмой класс светимости. В принципе, возможна трехмерная классификация, которая учитывает различие в химическом составе, но такая классификация еще не создана. Вероятно, в ближайшее десятилетие трехмерная классификация будет создана, пока же базой является одномерная классификация и двумерная классификация Моргана- Кинана.
- Сколько времени занимает спектральный анализ?
- На этот вопрос нельзя однозначно ответить. Есть яркие звёзды, спектр которых можно проанализировать с помощью ПЗС матрицы за секунды, а есть звезды, спектр излучения которых будет сниматься годами.
- Насколько далекий спектр мы можем заснять?
- Разберём такой пример. Представим, что мы вышли за пределы галактики. Мы находимся в туманности Андромеды. Туманность Андромеды одна из ближайших нам галактик - расстояние до неё приблизительно 700000 парсек. Предположим, что в туманности Андромеды есть звезда типа нашего Солнца, с аналогичной светимостью. Произведем некоторые расчеты, в результате которых получается, что квантовая освещенность Солнца на Земле будет равна 10^17 квантов на квадратный сантиметр за секунду. А теперь проверим, какую освещенность будет создавать звезда Солнце в туманности Андромеды. Получается, что освещенность создаваемая звездой типа Солнце будет составлять приблизительно 10^(- 5) квантов на квадратный сантиметр за секунду. Несложно понять, что регистрация такого сигнала довольно затруднительна. Но мы, когда наблюдаем за звездами, используем телескоп. Телескоп собирает "всё в кучу", то есть фокусирует поток света в фокальной плоскости. Самый современный телескоп позволяет ловить 10 квантов за секунду. Разложим весь поток в спектр. Если мы захотим рассмотреть длину спектра порядка 4000 Ангстрем видимого излучения, то она получится длиной около метра. Разобьём этот спектр на 10^ 6 ячеек, каждая из которых должна будет ловить условно тысячу квантов света. Произведя расчеты, получаем, что данные о спектральном анализе звезды будут занимать 10^ 8 степени секунд. Вы представляете, сколько это 100000000 секунд? Это примерно 3 года. Понятно, что снять спектральный анализ Солнца в туманности Андромеды будет невозможно. Поэтому мы в основном можем проанализировать звёзды нашей Галактики, а о далеких объектах узнаем только по самым ярким звездам.

Над проектом работали:
Дарья Боголюбова
Главный редактор
Автор текста
Екатерина Евсеева
Бильд-редактор
Автор текста
Пронин Владимир Петрович
Доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры теоретической физики и астрономии РГПУ И. А. Герцена
По всем вопросам:
Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48.

E-mail: phys.sno@gmail.com

This site was made on Tilda — a website builder that helps to create a website without any code
Create a website