SPEKTROGRAFIA Andrzej Armiński O barwach gwiazd SPEKTROGRAFIA Andrzej Armiński

Cechy światła Emisja Absorbcja Odbicie Załamanie Rozproszenie Interferencja Polaryzacja Żyjemy w świecie światła i kolorów. Dlatego można by oczekiwać, że pierwsza teoria naukowa jaką stworzy ludzkość będzie dotyczyła światła. Okazało się to jednak zbyt trudne i najpierw powstałą mechanika klasyczna. Mechanika klasyczna wyjaśniała ogromną klasę zjawisk posługując się takimi pojęciami jak masa, pęd, przyśpieszenie i siła. Była jednak bezradna wobec powszechnie widocznych zjawisk dotyczących światła. Trzeba było czekać jeszcze dwa stulecia, do czasów gdy ludzkość poznała elektromagnetyzm.

Izaak Newton, twórca mechaniki klasycznej, prowadził eksperymenty z pryzmatami. Newton rzutował rozporoszone światło na ekran uzyskując jego widmo (spectrum) barw. Spectro – graph: obraz widma na kliszy lub matrycy fotograficznej. Zastanawiał się, czy rozproszenie światłą jest własnością samego światła czy też szkła lub kropel wody. Eksperyment polegający na rozproszeniu wiązki światła za pomocą pryzmatu a następnie skupieniu powstałego tak widma za pomocą soczewek w białą wiązkę potwierdził, barwa jest cechą światła a nie materiału. Sweter nie jest czerwony on ma taką strukturę powierzchni że odbija fale czerwone a pochłania wszystkie inne.

Widmo widzialne światła Opisane tak jak opisuje się fale, z użyciem długości fali lub jej częstotliwości Omówić jednostki nm i THz Opisane tak jak opisuje się cząstkę za pomocą jej energii. Widmo rozciąga się dalej w stronę nad- ultra- fioletu (klisza filmowa rejestruje więcej niż wzrok.) oraz w stronę podczerwieni Brakuje koloru białego Brakuje koloru czarnego

Fizjologia widzenia Proces widzenia jest zjawiskiem elektrycznym. W siatkówce oka są trzy rodzaje czopków wrażliwych na różną część widma. Mózg składa je w ciągłe widmo. Jeden typ pręcików bierze udział w widzeniu monochromatycznym, przy małym dostępie światła.

Czułość ludzkiego oka Oko jest najbardziej czułe na światło zielone. Liście roślin są zielone aby najlepiej pochłaniać światło zielone Jest to przystosowanie ewolucyjne – jak zobaczymy później Słońce emituje najwięcej energii w zielonej części widma. Jesteśmy ślepi na promienowanie spoza zakresu 400 – 700 nm.

Promieniowanie elektromagnetyczne Długość, częstotliwość i energia fali są związane następującymi formułami: falową i kwantową Promieniowanie elektromagnetyczne przesyła energię na odległość, łącząc w ten sposób różne odosobnione formy materii ze sobą. Pasmo widzialne stanowi niewielką część widma elektromagnetycznego Nie ma w przyrodzie odbiorników fal długich ponieważ odbiornik musi być duży i mieć wzmacniacz gdyż takie promieniowanie niesie mało energii – nieefektywne Promieniowanie o wysokiej częstotliwości niesie dużo energii i niszczy strukturę atomowa tkanek prowadząc do chorób (Roentgen, gamma) Atmosfera z oknami i zaporami pozwala eliminować szkodliwe promieniowanie.

Promieniowanie elektromagnetyczne Rysunek który pokazuje że nic nie jest takie jak się wydaje Żródło – o tym jak powstaje światło powiem za chwilę. Odbiornik wyspecjalizowany do wychwytywania fal określonej częstotliwości lub cząstek o określonej energii Dowolna odległość: co to jest Wszechświat: 100 lat temu galaktyka, obecnie obszar z którego dociera do nas promieniowanie elektromagnetyczne. Co będzie Wszechświatem za 100 lat? Promieniowanie pędzi się z prędkością światła niezależnie od tego jak szybko poruszają się źródło i odbiornik. Ponieważ „c” jest stałe więc przestrzeń, czas i masa są względne. W odbiorniku promieniowanie zachowuje się czasem jak fala a czasem jak cząstka. W odbiorniku oryginalna postać promieniowania zostaje przekształcona poprzez absorbcję, odbicie,, itp. Nie można zmierzyć promieniowania nie przekształcając go.

fot. Wilhelm Röntgen, 8 listopada 1895 r. Wczoraj minęły 122 lata od wykonania pierwszej fotografii Roentgenowskiej. Promieniowanie X – w Niemczech i w Polsce zwane promieniowaniem Roentgena. fot. Wilhelm Röntgen, 8 listopada 1895 r.

Jak powstaje światło? Nowa fizyka, 1814 – 1913 Joseph von Fraunhofer – widmo Słońca Robert Bunsen – widma emisyjne gazów Gustav Kirchhoff – trzy prawa dotyczące widm Johann Balmer – widmo emisyjne wodoru Niels Bohr – model atomu Wilhelm Wien – promieniowanie ciała doskonale czarnego Max Plank – kwantowa natura światła Wtedy Bóg rzekł: „Niechaj się stanie światłość!” I stała się światłość. Księga Rodzaju 1, 3 Światło ma ogromny wpływ na życie i dlatego ma podstawowe znaczenie ontologiczne. Pierwszy rozdział Księgi Rodzaju mówi o tym że Bóg stworzył światło już w pierwszym dniu stworzenia Aby wyjaśnić jak powstaje śwatło musiał zostać stworzony nowy rodzaj fizyki. Zajęło to sto lat. Joseph Fraunhefer konstruował przyrządy optyczne i niezwykle szczegółowo badał widmo Słońca klasyfikując występujące w nim ciemne linie Robert Bunsen podgrzewał w palniku substancje i badał widma emitowanych przez nie gazów Gustav Kirchhoff zauważył że ciemne linie w widmie Słońca Fraunhofera odpowiadają liniom emitowanym przez substancje chemiczne w eksperymentach Bunsena. …

Szczecin a Nowa Fizyka Wymienić Miasta Fraunhofer – Monachium Kirchhoff - Berlin, Heidelberg Niels Bohr - Kopenhaga

„Twórcy Nowej Fizyki” Paweł Szkaplewicz 23 listopada 2017r. , godz Budynek Starej Chemii i Wydziału Elektrycznego

Rozprawy doktorskie z matematyki

model atomu wodoru Pochłanianie i emisja kwantów energii promieniowania

widmo emisyjne wodoru Seria Lymana - ultrafiolet Seria Balmera – w paśmie widzialnym Seria Paschena – podczerwień H-alfa popularna linia wodoru

widma emisyjne pierwiastków

Slide Title

Widma pierwiastków

Slide Title Liczba atomowa na pionowej osi Oprócz pierwiastków są izotopy – atomy z brakującymi elektronami. Mają nieco inne linie widmowe. Molekuły też emitują na określonych częstotliwościach. Baza danych linii widmowych NIST National Institute of Standards and Technology

Typy widm Kirchhoffa Do tej pory mówiliśmy o pojedynczym atomie, teraz zobczmy co się dzieje gdy jest dużo atomów. Gęste gazy, ciecze, ciała stałe i gęsta plazma (99.9% materii ) emitują widmo ciągłe: za co odpowiedzialny jest chaos i rezonans. Rozrzedzone, gorące gazy (nie ma interakcji pomiędzy promieniowaniem i atomami) emitują linie odpowiadające pierwiastkom lub molekułom Zimny gaz pochłania promieniowanie tła. Światło kierunkowe dociera do atomu, jest pochłaniane a następnie emitowane we wszystkich kierunkach. W pierwotnym kierunku leci mniej światła, stąd ciemne kreski w widmie.

Typy widm

Natężenie widma

Źródła światła Żarówka z włóknem wolframowym emituje najwięcej energii cieplnej Laser bardzo wąskie pasmo Pampa rtęciowa emituje w kilku liniach widmowych Słońce emituje najwięcej światłą zielonego

Współczesna fizyka Współczesna fizyka stała się narzędziem geopolityki co zaowocowało ogromnym rozwojem badań na strukturą materii i zjawiskami o dużej energii. Zbadano izotopów pierwiastków i wytworzono takie, które nie występują na Ziemi.. Bomba wodorowa wykorzystująca syntezę lekkich jąder izotopów wodoru: deuteru i trytu powstała za sprawą wielkiego postępu naukowego i technologicznego. Do zainicjowania reakcji syntezy jądrowej potrzebne jest wytworzenie ogromnego ciśnienie i temperatury – wykorzystuje się do tego wybuch bomby uranowej lub plutonowej. Skupienie i utrzymanie paliwa jądrowego przez odpowiednio długi czas aby następowała synteza jest wielkim wyzwaniem Tryt jest izotopem niestabilnym i nie można go długo przechowywać. Dlatego jest wytwarzany podczas wybuchy na skutek rozpadu litu. Inne działy nauki, techniki i medycyny stały się beneficjentem dokonań fizyki jądrowej. W szczególności skorzystała astrofizyka: postały precyzyjne modele budowy i ewolucji gwiazd.

Synteza lekkich jąder Synteza jądrowa w gwiazdach (przykładowa reakcja na slajdzie) uwalnia ogromne energie w postaci promieniowania gamma Jest to kolejne (obok emisji elektronowej źródło promieniowania elektromagnetycznego).

Slide Title Żeby mieć energię trzeba pić więcej kawy niż mleka.

Slide Title Teraz wreszcie zaczniemy mówić o gwiazdach.

Budowa gwiazdy Wnętrze gwiazdy jest ciemne i nieprzeźroczyste. Jądra bez elektronów wypełniają całą objętość gwiazdy. Swobodna droga fotony promieniowania gamma: 2mm. Czas przejścia do powierzchni: kilkadziesiąt lat. Elektrony mogą się utrzymać jedynie wokół jąder na powierzchni gwiazdy (fotosfera) gdzie temperatura spada do kilku lub kilkudziesięciu tysięcy Kelwinów.

Jak świeci gwiazda? We wnętrzu gwiazd jest ciemno i nie ma elektronów na orbitach wokół jąder. Atomy z elektronami wokół jąder występują w plazmie, w gęstej fotosferze na powierzchni gwiazdy – tu powstaje widmo ciągłe. Atmosfera gwiazdy to rzadki gaz, który pochłania światło tworząc widmo absorpcyjne Wybuchy słoneczne w chromosferze (rzadki gaz) tworzą widma emisyjne. Plazma fotosfery składa się z lekkich pierwiastków (głównie wodór). Wszystkie aktywne gwiazdy mają taki sam skład fotosfery: lekkie pierwiastki. Gwiazdy na zewnątrz nie różnią się składem chemicznym. Wszystkie są jednakowe. Atmosfera gwiazdy to pozostałość mgławicy gazowo-pyłowej z której powstałą gwiazda. Skład atmosfery gwiazdy nie świadczy o procesach zachodzących wewnątrz gwiazdy. Atmosfera zawiera około 2% „metali” czyli pierwiastków cięższych niż hel.

Emisja ciała doskonale czarnego Ciało doskonale czarne – nie odbija promieniowania. Wyłącznie je pochłania lub emeituje. Maksimum natężenia promieniowania w widmie zależy od temperatury źródłą emisji Kawał żelaza … Prawo Wilhelma Wien’a: empiryczny wzór określający długość fali odpowiadającej maksimum energii promieniowania w funkcji temperatury ciał doskonale czarnego

Slide Title

Widmo słoneczne Przyroda: wzrok i rośliny przystosowały się do korzystania maksimum energii. Widać długości fal pochłanianych przez atmosferę.

Kolor powierzchni gwiazdy

Widmo energii gwiazd

Temperatura gwiazd

Filtry

Linia widmowa: Ha

Filtry fotometryczne

Wskaźnik barwy B-V Fotometria barwna jest uproszczoną wersją spekrografii.

Słońce

Widmo Fraunhofera

Widmo Słońca

Slide Title

Oznaczenia linii widmowych Oznaczenie Fraunhofera: K Długość fali: 393.366 nm Oznaczenie chemiczne pojedynczo zjonizowanego atomu wapnia: Ca+ Oznaczenie stosowane w spektrografii: Ca II (neutralny atom miałby oznaczenie Ca I) Zasada kombinatoryczna: Rydberg - Ritz

Widmo atmosfery

Jak działa spektrograf Jakub Roszkiewicz 7 grudnia 2017 r. godz. 19:00 Spektrograf w ZUT Teleskop Szczelina Siatka dyfrakcyjna Kamera

Spektrogram

Rozdzielczość ma znaczenie

Spektrogram

Badanie widm Skład chemiczny gazu Obecność izotopów Własności fizyczne gazu: Poziom wzbudzenia lub jonizacji Temperatura Gęstość i ciśnienie Względna prędkość radialna obiektu Rotacja obiektu (galaktyki, gwiazdy, planety) Ekspansja obiektu (pulsacja gwiazdy) Siła pola magnetycznego (rozdzielenie linii widmowej - suborbity) Wszystkie te wiadomości o obiektach niebieskich uzyskuje się badając przesunięcie lub poszerzenie linii widmowych. Prędkość radialna – w linii widzenia

Gwiazdy spektralnie podwójne

Prędkość i kierunek obrotu galaktyki

Red Shift Przesunięcie linii wapni H+K Widoczne dzięki znacznikom odniesienia Red Shift

Poszerzenie linii widmowych Efekty lokalne Naturalne (zasada nieoznaczoności, czas wzbudzenia, rozpad, profil Lorenza) Termiczne poszerzenie Dopplerowskie - Gaussowski rozkład prędkości cząstek Poszerzenie Stark'a w polu elektrycznym: 1/r2, 1/r4 Poszerzenie rezonansowe dla takich samych cząstek, 1/r3 Poszerzenie Van der Wallsa w polu magnetycznym 1/r6 Niejednorodność środowiska Efekty nielokalne Absorbcja promieniowania podczas drogi powoduje rozproszenie Makroskopowe poszerzenie Dopplerowskie dla obiektów rozciągłych

Widma gwiazd

Pierwiastki dominujące w widmach gwiazd

Pierwiastki dominujące w widmach gwiazd

Charakterystyczne linie widmowe Metyladyna

Metyladyna

Dziękuję za uwagę