באדיבות וויקיפדיה
ב -1850, הפיזיקאי הגרמני גוסטב קירכהוף גילה בעקבות ניסויים את התנאים בהם נוצרים שלושה סוגי ספקטרה שונים: ספקטרום רציף, קווי בליעה וספקטרום של קווי פליטה. כאשר קירכהוף הביט דרך ספקטרוסקופ שלו בלהבה שהכילה מלחי נתרן כשמאחוריה רקע כהה, הוא ראה קו פליטה צהוב חזק. אבל כשהחליף את הרקע באלומת אור שעברה דרך אותה להבה, ראה קו בליעה חזק בדיוק באותו אורך גל של קווי הבליעה. בשני המקרים, קווי הבליעה הפליטה נוצרו באטומי הנתרן שנמצאו במצב גזי בלהבה.
מתצפיות המעבדה הסיק גוסטב קירכהוף שלושה חוקים פיזיקאליים, שנקראו חוקי הקרינה של קירכהוף:
1. גז, או מוצק מחומם מספיק, יפלטו ספקטרום חלק, רציף.
2. גז חם יפיק רק אורכי גל מסוימים שיצרו קווים צרים, הנקראים קווי פליטה. כל רכיב פולט קבוצת קווים אופיינית של קווי פליטה.
3. גז קריר, אם הוא ממוקם בין הצופה לבין מקור ספקטרום חם, בולע אורכי גל מסוימים וגורם לקווי בליעה צרים בספקטרום הנצפה.
מה קורה ברמה התת-אטומית בגז חם? ניתן לחשוב על רמות האנרגיה של אלקטרונים כמו סולם, בעל אנרגיות הגדלות כלפי מעלה. השלבים של הסולם מצביעים על המרווחים בין רמות האנרגיה. השלב הנמוך ביותר בסולם הוא מצב היסוד; כל הרמות הגבוהות יותר נקראות מצבים מעוררים, כאשר המרווח בין השלבים פוחת ככל שהאנרגיה עולה. מתחת לשלב הגבוה ביותר (או רמת האנרגיה) האלקטרון יכול להימצא רק ברמות אנרגיה בדידות – כאשר הוא קשור לאטום. מעל השלב הגבוה ביותר, רמת האנרגיה של האלקטרונים יכולה להשתנות בצורה רציפה – אלקטרונים כאלה אינם מחוברים לאטום, ונקראים אלקטרונים חופשיים.
באדיבות וויקיפדיה
תנועות קבועות, מיקרוסקופיות של אטומים ומולקולות מובילות לספקטרום חלק של קרינת חום. שיא אורך הגל של הקרינה הוא סמן לטמפרטורה, על פי חוק ויין. אם חומר חם דיו כך שהאלקטרונים אינם קשורים עוד לגרעין, האלקטרונים יכולים להימצא במגוון אנרגיות. אלה אלקטרונים חופשיים היכולים לפלוט ספקטרום רציף. חוט להט של נורה הוא דוגמה לכך. האלקטרונים בגז יכולים להיות משוחררים מהגרעין האטומי: על ידי אנרגיה בעקבות פגיעה של פוטונים או מהתנגשויות עם חלקיקים אנרגטיים אחרים. קרינת השמש הרציפה מצביעה על כך ששוליי השמש עשויים שכבת גז חם. זיכרו שהחוק של ויין מאפשר לנו לקבוע את טמפרטורת הגוף על ידי קרינה השיא שלו. אורך הגל המקסימלי של קרינת מצביע על הטמפרטורה של פני השטח בשמש שערכה בקרוב 5700 קלווין.
קווי פליטה נוצרים כאשר גז אלקטרונים חם דיו נמצא במצב מעורר, אך הגז אינו חם מספיק כך שכל האלקטרונים משוחררים. נסתייע באנלוגיה של הסולם, כדי להבין שכל אלקטרון שנופל משלב גבוה יותר לשלב נמוך יותר פולט פוטון באורך גל מסוים. כל קפיצה מתאיה בדיוק למרווח בין שני שלבים בסולם האנרגיה. האנרגיה שאבדה לאלקטרון מופיעה כפוטון. כך נוצר מערך של קווי פליטה בשל דרכים אפשריות רבות שבהן אלקטרון יכול לאבד אנרגיה. שלט ניאון הוא דוגמה מוכרת. גז ניאון נמצא במצב מעורר בתוך צינור זכוכית (או יש לו אנרגיה נוספת) בעקבות זרם חשמלי הפוגע בו. כאשר האלקטרונים המעוררים יורדים חזרה למצבי אנרגיה נמוכים יותר, הם פולטים פוטונים עם אנרגיות מסוימות. קווי הצבע האופייניים לניאון משקפים את העובדה כי הקרינה מרוכזת בכמה קווי פליטה אדומים. לגזים אחרים יש קבוצה ייחודית משלהם של קווי פליטה. ניתן לחשוב על צבע כחלחל של כספית, או צבע צהבהב של אדי נתרן, או אורות הרחוב בצבע ורוד עז של שלטי ניאון.
1. ספקטרום רציף
2. ספקטרום פליטה של גז חם
3. ספקטרום בליעה של גז קר
באדיבות אוניברסיטת קורנל
קווי הבליעה מתעוררים בגז קריר יותר, כאשר האלקטרונים נמצאים או קרובים למצב היסוד. אם הגז הקריר מואר על ידי מקור חם של קרינה, הגז הקר יפלוט פוטונים עם טווח חלק ומתמשך של אנרגיות. עם זאת, פוטונים מהמקור החם יכולים להבלע רק אם האנרגיה שלהם מתאימה להבדל שבין שתי רמות האנרגיה של האלקטרון בגז הקר. נשוב אל האנלוגית הסולם, פוטונים נבלעים אם הם יכולים להעלות את האלקטרון לשלב גבוה יותר. כל קפיצה כלפי מעלה מתאימה לאורך גל שונה של פוטון שיכול להיבלע. האנרגיה של הקרינה הנכנסת משאירה בענן הגז הקר פוטונים בעלי אורכי גל מסויים. הפוטונים של אורכי גל אלה יפלטו שוב, כאשר האלקטרונים המעוררים יורדים בחזרה לרמות אנרגיה נמוכות יותר. אך, במקרה זה הפליטה מתרחשת בכל הכיוונים, כולל תנועה חזרה לעבר המקור. התוצאה היא שקווי קרינה אלה באורכי גל ספציפיים חסרים במקור הרקע, וכתוצאה מכך מופיעים קווי בליעה כהים, שכבת פני השטח הקרירה בסמוך לשמש היא דוגמה לתופעה זו.
קירכהוף עצמו מצא שלקווי הבליעה ולקווי פליטה של גז נתון יש אורכי גל זהים. בהתאמה למודל אטום בעל רמות אנרגיה זהות עבור אלקטרונים המעורבים בשני התהליכים. מה שאנו רואים תלוי בטמפרטורה ובצפיפות של הגז ביחס לקרינה המגיעה מאחוריו, כמפורט בחוק השלישי. מאוחר יותר בוצע שינוי חשוב בחוקי קירכהוף: ספקטרום הבליעה אינו צריך להיווצר לפני, או בגז קריר יותר, בספקטרום רציף. אפשר שספקטרום הבליעה ייווצר בגז חם כמו ספקטרום רציף. הסיבה לכך היא שבגז בודד אלקטרונים עשויים לקפוץ כלפי מעלה בכמה אטומים (יצירת קווי בליעה) ומטה ממצב חופשי ולתחבר אל אטומים אחרים (יצירת הספקטרום הרציף). שכבות של גז על פני השמש פולטות אור בתבניות מוגדרות היטב.
אסטרונומים בדרך כלל יוצרים ספקטרום על ידי פיזור האור של הגוף כולו. עם זאת, ניתן לקבל מידע ספקטרלי מפורט יותר בדרך אחרת. אנחנו יכולים ליצור תמונה על ידי סינון האור, כך שרק טווח קטן של אורכי גל יצור את התמונה. אם הטווח של אורכי הגל צר, ניתן להתמקד בתכונה ספקטרלית מסוימת, שכך שאנו יכולים ליצור מפה של התנאים הפיזיקאליים שיצרו את מעברי האנרגיה. השמש מכילה מימן על פני השטח כולו. כאשר צופים בשמש דרך מסנן שמעביר רק טווח צר של אורכי גל, אנחנו יכולים לקבל מפה שבה הטמפרטורה והצפיפות מתאימים בדיוק כך שאטומי מימן יפלטו את קו הפליטה Hα.
Author: Chris Impey