Спектральный анализ в астрономии

Цель урока:

знать:

зависимость спектра излучения от температуры, плотности и химического состава излучающих тел;

влияние относительного движения тел на спектр регистрируемого излучения;

определять изменение длины волны излучения вследствие эффекта Доплера;

Основные понятия: спектр, спектроскоп, спектрограф, спектрограмма, спектр испускания и поглощения, виды спектров, спектральный анализ, закон Вина, эффект Доплера, закон Стефана — Больцмана.

В 1666 г. Исаак Ньютон, пропуская пучок света через трёхгранную стеклянную призму, заметил, что тот не только преломляется к основанию призмы, но и распадается на цветовые составляющие. Полученная на экране цветная полоска, состоящая из семи основных цветов, постепенно переходящих один в другой, была названа спектром.

Для наблюдения и исследования спектров применяют прибор — спектроскоп. Для получения и регистрации спектров небесных тел используют специальный оптический прибор — спектрограф. Спектры сравнительно ярких светил фотографируют с помощью щелевых спектрографов, состоящих из коллиматора, призмы и фотокамеры. Фотографический снимок спектра небесного тела называется спектрограммой. Также спектрограммой называют график зависимости интенсивности (мощности) излучения небесного тела от длины волны или частоты. Любое светящееся тело создаёт спектр испускания. Спектры бывают сплошные (непрерывные), линейчатые и полосатые.

Сплошной спектр имеет вид непрерывной полосы, цвета которой постепенно переходят один в другой. Все твёрдые тела, расплавленные металлы, светящиеся газы и пары, находящиеся под очень большим давлением, дают сплошной спектр. Такой спектр можно, например, получить от дугового фонаря и горящей свечи.

Иной вид имеет спектр, если в качестве источника света использовать раскалённые газы или пары, когда их давление мало отличается от нормального и газы находятся в атомарном состоянии. В этом случае говорят о линейчатом спектре (атомном). Он состоит из отдельных резких цветных линий, разделённых тёмными промежутками. Установлено, что каждый химический элемент в состоянии раскалённого газа, состоящего из атомов, испускает присущий только ему одному линейчатый спектр с характерными цветными линиями, всегда расположенными на определённом месте.

Полосатый спектр (молекулярный) состоит из отдельных линий, сливающихся в полосы (чёткие с одного края и размытые с другого), разделённые тёмными промежутками. Такой спектр испускают молекулы газов и паров.

Наряду со спектрами испускания существуют спектры поглощения. Сплошной спектр, пересечённый тёмными линиями или полосами в результате прохождения белого света через раскалённые газы или пары, называется спектром поглощения. Исследование явления возникновения спектров поглощения показало, что вещество поглощает лучи тех длин волн, которые оно может испускать в данных условиях (закон Кирхгофа). Таким образом, для каждого химического элемента его линейчатый спектр испускания и спектр поглощения обладают обратимостью. Это значит, что расположение тёмных линий поглощения в точности соответствует расположению цветных линий испускания.

Спектр содержит важнейшую информацию об излучении. Общий вид спектра и детальное распределение энергии в нём зависят от температуры, химического состава и физических свойств источника, а также от скорости его движения. Метод исследования химического состава тел и их физического состояния с помощью спектров испускания и поглощения называется спектральным анализом.

С увеличением температуры максимум излучения абсолютно чёрного тела смещается в коротковолновую область спектра. Длина волны λmax, которой соответствует максимум в распределении энергии, связана с абсолютной температурой Т соотношением, которое называют законом смещения Вина:

По мере увеличения температуры меняется не только цвет излучения, но и его мощность. В результате экспериментов и теоретических расчётов было обосновано, что мощность излучения абсолютно чёрного тела пропорциональна четверной степени температуры (закон Стефана — Больцмана). Каждый квадратный метр поверхности абсолютно чёрного тела излучает за 1 с по всем направлениям во всех длинах волн энергию:

В астрофизике широко используется эффект Доплера, возникающий при движении источника излучения относительно наблюдателя. Суть эффекта Доплера заключается в следующем: если источник излучения движется по лучу зрения наблюдателя со скоростью vr, называемой лучевой скоростью, то вместо длины волны λ0, которую излучает источник, наблюдатель фиксирует волну длиной λ:

Проверь себя: