Основи Світла

  

Сонце, як воно з'являється в рентгенівському світлі (ліворуч) і жорсткого ультрафіолетового випромінювання (праворуч).

Світло, як енергетика

Світло чудово. Це те, що ми вважаємо само собою зрозумілим кожен день, але це не те, що ми зупинилися і подумали про дуже часто або навіть спробувати визначити. Давайте візьмемо кілька хвилин і спробувати зрозуміти деякі речі, про світлі.

Простіше кажучи, світло природний спосіб передачі енергії через простір. Ми можемо ускладнити його, кажучи про взаємодію електричного і магнітного полів, квантової механіки, і все це, але пам'ятайте - світло енергії.

Світло подорожує дуже швидко, але в нього є кінцева швидкість. У вакуумі швидкість світла 186282 км в секунду (або майже 300000 кілометрів в секунду), який дійсно наспівуючи разом! Однак, коли ми починаємо говорити про неймовірні відстаней в астрономії, кінцівку швидкості світла стає очевидною. Вона займає близько двох з половиною секунди, наприклад, для радіозв'язку подорожі зі швидкістю світла, щоб дістатися до Місяця і назад.

                                   

                                   Схід сонця від космічного корабля, STS-47 місії.

Ви могли б знайти це цікаво згадати, що наступного разу ви дивитеся красивий схід чи захід, що саме сонце насправді опустився нижче горизонту вісім хвилин раніше - це займає багато часу, що світло досяг Землі! І, звичайно, кожна газетна стаття Ви коли-небудь читали про астрономію завжди буде містити необхідні заяви, "світловий рік це відстань, яку світло долає за один рік зі швидкістю 186 282 миль в секунду, приблизно 6 трильйонів миль". (Ну, 5,8 трильйонів миль насправді, але те, що на 200 мільярдів миль в колі друзів?)

Ми також повинні підкреслити право фронт, що світло більш зазвичай називають електромагнітне випромінювання. Добре, ми використовували велику слово. Це мало статися рано чи пізно. Але занадто часто, коли ми говоримо «легких» він помиляється означає "оптичного світла", що приблизно випромінювання видимої для наших очей. Видиме світло являє собою крихітну частину величезного шведського столу світла називається електромагнітним спектром. Для нашої зручності, ми порушуємо цю шведського столу на різні курси (закуска, салат і т.д.) і звертатися до них по імені, такі як гамма-промені, рентгенівські промені, ультрафіолетові, оптичні, інфрачервоні і радіо. Тим не менш, важливо пам'ятати, що вони знаходяться всього лише в світло. Є немає "розривів" і немає жорстких меж в електромагнітному спектрі - тільки неперервний спектр енергії.

Частинки і хвилі

Фізика експериментів за останні сто років або близько того, показали, що світло має двоїсту природу. У багатьох випадках це зручно представити світло як «частка» явище, думати про світло у вигляді дискретних "пакетів" енергії, які ми називаємо фотонами. Зараз в цьому спосіб мислення, не всі фотони створені рівними, принаймні, з точки зору того, скільки енергії вони містять. Кожен фотон рентгенівського випромінювання містить багато енергії в порівнянні, скажімо, з оптичним або радіо фотона. Саме це "зміст енергії на фотон", що є однією з відмінних характеристик різних діапазонах світлі описаного вище. Навіть якщо це не зовсім коректно, важко не думати про промені світла у вигляді набору маленьких "легкі кулі" всі нанизані в ряд.

                        

                        "Хвилі" моделі світу.

Інший спосіб представлення світло як хвильове явище. Це кілька більш важким для більшості людей, щоб зрозуміти, але, можливо аналогією зі звуковими хвилями, буде корисно. Коли ви граєте високій ноті і низьку ноту на фортепіано, обидва вони виробляють звук, але головне, що відрізняється між двома нотами є частота коливань струни виробництву звукових хвиль - тим швидше вібрація, тим вище крок до відома. Якщо тепер перемкнути нашу увагу на звукові хвилі самі, а коливання струни, ми б виявили, що чим вище скатної відзначає, мають більш короткі довжини хвиль, або відстань між кожною наступною хвилею. Точно так само (і обмежуючись оптичний світло на даний момент), синє світло і червоне світло знаходяться всього світла, але синє світло має більш високу частоту вібрації (чи коротшою довжиною хвилі), чим червоне світло.

                      

Кольори знайомі "Веселка" видимого світла відповідають різні довжини хвиль світла, тут показаний на нанометровому масштабі. Довжин хвиль послідовно отримуємо більше при русі зліва направо. Оптичний світло проходить від 400 до 700 нанометрів.

Це так само, як ми рухаємося у всьому електромагнітному спектрі. Кожен діапазон світла, ми визначили вище, відповідає діапазону частот (або довжин хвиль) світлових коливань. Ці хвилі є одним з основних показників ми використовуємо для опису світла і спектрами на графі. Відображення спектру у вигляді графіка, а не просто кольорова смуга дозволяє вимірювати світло.

Наприклад, "Веселка" кольору показано на малюнку вище, є те, що ви бачите, коли ви проходите білого світла через призму. Що може бути не очевидно, однак, у тому, що «інтенсивність» або яскравість світла також змінюється разом з квітами. Якщо ми перетворили "Веселка" в графі інтенсивності світла в залежності від довжини хвилі, це буде виглядати наступним чином:

                                        

Знайомі "Веселка" видимого спектру можуть бути перетворені в графік, який показує, як інтенсивність світла змінюється вздовж спектра.

Зверніть увагу, що спектр яскравих в середині (жовто-зеленій області) і падає в обох напрямках (в сторону червоного і синього). Це не було очевидно з самого версію веселки спектру! Також зверніть увагу, що "інтенсивність" світло в графі не зупиняється на «кінці» із спектру веселки, яку видно на наших очах! Світло триває за межами того, що ми бачимо в обох напрямках, які ми можемо бачити на графіку, але не дивлячись на веселку. Астрономи використовують графічний спектр більшу частину часу, тому що вони можуть отримати більше інформації зі світла таким чином, і тому, що вони все ще можуть будувати та аналізувати світло, який не видно безпосередньо на наших очах!

Тепер ми згадували, що енергія кожного фотона світла був також основним властивістю. Виявляється, що існує просте співвідношення між енергією фотона і відповідну довжину хвилі фотона, що:

                                           E(photon) = (constant) / (wavelength).

Це просте рівняння в основному зв'язує частинки і хвильової природи світла, що дозволяє конвертувати назад і вперед від довжини хвиль фотонів і фотонів з відповідними довжинами хвиль. Це рівняння також у відповідності з тим, що ми говорили раніше ... рентгенівський фотон має велику енергію (і малої довжини хвилі) в порівнянні з фотоном оптичного світла.

Взаємодія світла з речовиною: поглинання і випускання світла

Він повинен прийти, як не дивно, що атоми і молекули (які просто зобов'язані колекції з двох або більше атомів) можуть поглинати світло (= енергію!). Якщо вони цього не зробили, можна просто вилити світло і вимикається, а потім сидіти склавши руки в той час як фотони продовжував підстрибувати навколо кімнати! Крім того, інфрачервоне світло (= тепла = енергія!) Не буде ніякої користі в системах опалення вашого будинку взимку, якщо вона не поглинаються речовиною. Вища енергія фотонів світла, як рентгенівські промені, як правило, хочуть, щоб орати через більше матерії, перш ніж вони будуть поглинені. (Отже, їх використання в медичній візуалізації: вони можуть проходити крізь "м'які" тканини, але з більшою готовністю всмоктуються у ваших кістках, які є більш щільними.) Як і чому фотони поглинаються речовиною?

Що ж, прийшов час розробити інший понятійний апарат, щоб допомогти нам зрозуміти цей процес. У фізиці ми часто знаходимо його корисним робити вигляд, що ми дивимося на одного атома. Атоми складаються з протонів, нейтронів і електронів, і кожен хімічний елемент має певне число з них - це те, що відрізняє їх! Протонів (і нейтронів) більш масивною, ніж електрони, і тому ми іноді собі атом як мініатюрну сонячну систему, з важкими частинками в центр (ядро) і електронів свистом навколо конкретних «орбіт», як планети. (Насправді, ця картина є не дуже точним. Електрони не вважається кульки "на орбіті" навколо ядерної "сонце". Тим не менше, якщо ви взяли, що електрони перебувають тільки в певні, дискретні "відстані" від ядра, і що кожне допустима відстань відповідає різних "енергетичних рівнів" для електрона, яка була б ближче до реальності.)

Не вдаючись в атомній фізиці і квантовій механіці занадто далеко, давайте просто взяти наступну заяву само собою зрозуміле зараз: електрони пов'язані з якою-небудь конкретною атом може бути знайдено тільки в певні, конкретні рівні енергії по відношенню до ядра атома. Атом водню містить тільки один протон і один електрон, а це найпростіший (і найбільш поширений) елемент у Всесвіті, так що давайте використовувати його в якості прикладу. На малюнку [TBD] схематично атом водню, де замість малювання дозволено "орбіт" для електронного ми звертаємо вертикально зміщених ліній представляють дозволених енергетичних рівнів електрона.

Якщо не чіпати, наш атом водню любить, щоб пов'язати його електрон так сильно, як він може, і тому ми хотіли б знайти електрон в низький енергетичний рівень, який називається "основний стан". Однак, якщо наші атома занурюється в промінь світла, наприклад, від сусідньої зірки, рано чи пізно зіткнеться з атомом фотона з енергією, яка тільки потрібну кількість для переходу електрона до наступного більш високого енергетичного рівня. Voila! Фотон поглинається, і "пішли" з променя світла, що йде від зірки! З поглиненого фотона була особлива енергетика, це поглинання відбувається при певній довжині хвилі в спектрі.

Тепер наш атом водню знаходиться в так званому "порушену" стан, ніби як дитина перед Хеллоуїна. Однак, як і всі батьки знають, що це не природний стан дитини, і це не природний стан атома або. Якщо інші фотони поглинаються атомом, електрон буде в кінцевому підсумку падіння вниз до нижньої основному енергетичному стані. Однак, атом повинен втрачати енергію, щоб зробити це, і тому вона випускає фотон з тією ж енергією, як той його поглинається (хоча, швидше за все, в якомусь іншому напрямі, з якого вона була поглинена). Цей процес називається емісія, тому що фотон світла, що випускається атомом, знову ж таки в дуже певної довжини хвилі.

Звичайно, атом міг би поглинається іншим фотоном тільки з правом енергії вскочити інший енергетичний рівень, або навіть двох, трьох або більше. Крім того, після кожного з цих можливих збудження атома, електрон може перейти назад вниз на один або кілька кроків, випускаючи фотони, як це пішло. Якщо фотон з досить великою енергією вбирається, це може навіть призвести до електронних стати незв'язаних від її ядра, і цей процес називається іонізацією. Наші калікою атома водню могла б більше не поглинає або випромінює світло, поки не вдається захопити вільний електрон назад в пов'язане рівня енергії.

Ми обговорюємо один конкретний перехід або "енергія стрибка" в один атом, але, звичайно, в будь фізичній системі є багато атомів. У газоподібного водню, всі окремі атоми можуть поглинати і випромінювати фотони, відповідні цілу групу «дозволених» переходів між різними енергетичними рівнями, кожен з яких буде поглинати або виділяти на конкретних довжинах хвиль, відповідних різниці енергій між енергетичні рівні. Ця модель поглинання (або емісії) є унікальним для водню - ніякий інший елемент може мати за тією ж схемою - і викликає впізнавана модель поглинання (або випромінювання) ліній в спектрі.

                                       

Цей графічний демонструє оптичний спектр можна було б бачити з світиться газу неону, як в Colorbar і графічних форматів. Як і з воднем, обговорюваних у тексті, неонові показує певний набір спектральних ліній. Зверніть увагу, як кожна яскрава кольорова лінія по колірній панелі, відповідає вгору "шип" в графічному форматі. Так як більшість ліній в жовтій і червоній областях оптичного спектру, неонові лампи з'являється "помаранчевих" до ока. Наявність цієї структури ліній в спектрі світяться хмар в космосі астрономи говорять, що хмара містить неону в газі.

                                            

Ця діаграма показує, як спектр неону з'являться в спектрі зірки. Тут, на задньому плані "Веселка" походить від атмосфери зірки, і атомів неону в атмосфері зірки (або зовнішні шари) поглинають світло зірки, залишаючи темні лінії. Зверніть увагу, що графік показує провали в кожному рядку позицію, виробляючи характерний малюнок ліній очікували від неону.

Розширення цього небагато, воно повинно стати ясно, що, оскільки кожен хімічний елемент має свій власний унікальний набір дозволених енергетичних рівнів, кожний елемент має свій відмітний характер спектрального поглинання (і емісії) ліній! (Див. діаграми вище, для неону, наприклад). Саме це спектральні "відбитки пальців", який астрономи використовують для визначення присутності різних хімічних елементів в астрономічних об'єктів. Спектральних ліній, що дозволяє нам, з "Спектр", щоб отримати так багато інформації про об'єкт спостерігається!

 

Переведено з http://violet.pha.jhu.edu/~wpb/spectroscopy/basics.html

Домашня сторінка