10.16 ספקטרום בליעה ופליטה

דמיינו שאתם מתבוננים באור שפולט כוכב חם מאוד. אילו יכולתם לראות את האור הזה בלי שום הפרעה – בלי אבק וגז בינכם לבין הכוכב – אולי הייתם רואים "גוף שחור" מושלם: קשת של אור שעוצמתה מגיעה לשיא באורך גל מסוים, שתלוי בטמפרטורה של הגוף (חוק וין), ושדועכת לשני הצדדים, לאדום ולכחול, בעקומה אופיינית. התפלגות כזו של צבעים נקראת ספקטרום רציף. קשת חלקה כזו נדירה, והיא מופיעה רק כשאין בדרך חומר שבולע או פולט אור נוסף בצבעים מסוימים.
ברוב המקרים, גז שנמצא בדרך (או אפילו האטמוספירה של הכוכב עצמו!) משבש את המבט שלנו בכוכבים. כשאור הכוכב עובר דרך החומר הזה, חלק ממנו עשוי להיבלע – אבל רק באורכי גל מסוימים. לכל סוג של אטום ושל מולקולה יש קבוצה משלו של אנרגיות מותרות: מצבים שבהם האלקטרונים נמצאים במסלולים מסוימים, או שבהם המולקולות רוטטות ומסתובבות בדרכים אופייניות. כשפוטון מהכוכב החם פוגש אטום או מולקולה, יכולים לקרות שני דברים: אם הצבע שלו "לא נכון", הוא ממשיך בדרכו בחלל בלי הפרעה; אבל אם יש לו בדיוק האנרגיה הדרושה כדי להעלות אלקטרון לרמת אנרגיה גבוהה יותר, או להניע את המולקולה, הפוטון נבלע.

התהליך הזה, שבו נגרעת אנרגיה מקרן אור, נקרא בליעה. רק האנרגיות שמתאימות למעברים המסוימים של אטום או מולקולה יכולות להיבלע ולהיגרע מהקרן. קרן אור שעוברת דרך ענן של אטומים כאלה מאבדת רבים מהפוטונים האלה, וכך נוצר בספקטרום של הכוכב קו בליעה כהה ובולט. ומאחר שלאטום יש אנרגיות מותרות רבות, יש מעברים אפשריים רבים כלפי מעלה – למשל מרמה 2 לרמה 3 או 4, ומרמה 1 לרמה 2 או 3, וכן הלאה – ולכן סוג אחד של אטום יכול לגרוע מהקשת סדרה שלמה של צבעים.
אטום או מולקולה מעוררים אינם נשארים מעוררים לנצח. אלקטרון שקיבל אנרגיה מפוטון שנבלע חוזר אחר כך לרמה נמוכה יותר ופולט פוטון – בכיוון אקראי לגמרי. פירוש הדבר שבסופו של דבר, על כל פוטון שנבלע נפלט פוטון אחר. אז למה הפליטה אינה "ממלאת" את קו הבליעה ומעלימה אותו מהספקטרום? כי רוב הפוטונים שנפלטים מחדש יוצאים לכיוונים חדשים לגמרי, ומגיעים לחלקים אחרים של החלל, לא לאן שהיה מגיע הפוטון המקורי. חלק מהם אכן ממלאים מעט את קו הבליעה, אבל רובם מתפזרים הצידה, וצופים בכיוונים אחרים עשויים לראות אותם כקווי פליטה על הרקע השחור של החלל.

בערפיליות פלנטריות יש הרבה קווי פליטה כאלה. האור של הכוכב המרכזי קורן לכל הכיוונים, ומכדור הארץ אנחנו רואים טבעת של גז שזוהר סביבו, בצבעים כמו ירוק ואדום. כשמביטים בערפיליות האלה בספקטרוגרף במקום בעין, מגלים שהצבעים האלה מרוכזים בקווים בהירים בודדים – קווי פליטה בהירים – שתואמים את החתימות הכימיות של מימן, חמצן ויסודות אחרים. מבחינה גיאומטרית, אור מהכוכב המרכזי שנע בניצב לקו הראייה שלנו נבלע בגז שמסביב ונפלט מחדש ישר לעברנו – כאילו פנה ימינה או שמאלה. את השינוי החד הזה בכיוון מאפשרת הפליטה מחדש של פוטונים בידי אטומים מעוררים, שחוזרים למצב הרגיל שלהם.
מאחר שהמרווחים בין רמות האנרגיה של אטום מסוים זהים בבליעה ובפליטה, דגם קווי הבליעה ודגם קווי הפליטה של כל יסוד זהים. אפשר לזהות יסוד לפי קווי הפליטה שלו או לפי קווי הבליעה שלו. רוב מה שנאמר על בליעה ופליטה נכון גם למולקולות. כשאור חודר דרך ענן של מולקולות גז, רמות האנרגיה הצפופות של המולקולות יוצרות פסי בליעה, ואם מצליחים לגלות ולזהות את הפסים האלה, אפשר לזהות את המולקולות שבגז. פסי הבליעה של חומר נמצאים באותם אורכי גל כמו פסי הפליטה שלו.
חשוב לציין שלפעמים קווי הפליטה של ענן גז אינם תואמים בדיוק את קווי הבליעה שלו. למשל, אלקטרון מעורר יכול לקפוץ כמה רמות אנרגיה בבת אחת, ואחר כך לרדת בהדרגה, בסדרה של מעברים קטנים, שבכל אחד מהם נפלט פוטון משלו.

קווים ספקטרליים שימושיים מאוד באסטרונומיה. בזכות טביעת האצבע הייחודית של כל אטום ומולקולה, אפשר בעזרתם לזהות את ההרכב של עננים, של כוכבים ואפילו של פלנטות. כשיש יותר מיסוד אחד, הדגם מורכב יותר, כי יש יותר קווי בליעה או פליטה, אבל העיקרון זהה. כך אפשר לגלות ממה עשוי גוף, בלי להביא ממנו דגימה! לעומת זאת, הספקטרום הרציף של קרינת חום מגלה רק את הטמפרטורה של הגוף: באותה טמפרטורה, גוש ברזל, מוט פחמן וענן מימן פולטים כולם אותו ספקטרום תרמי. לכן קווים ספקטרליים שימושיים הרבה יותר כשרוצים לקבוע את ההרכב הכימי של גוף מרוחק.

כמו הקרינה התרמית, גם הקווים הספקטרליים תלויים בטמפרטורה. באור הנראה, מימן פולט קו אדום אופייני כשאלקטרון עובר מרמה 3 לרמה 2; הקו הזה נקרא Hα (H-אלפא). מעברים אחרים אל הרמה השנייה וממנה יוצרים גם הם קווים בתחום הנראה.

מההרכב ועד הטמפרטורה – הקווים הספקטרליים מגלים הרבה על הסביבה שבה הם נוצרו. אולי הם אינם יפים למראה כמו תמונות של גרמי שמיים, אבל קווי הפליטה והבליעה שמפוזרים על פני ספקטרום רציף הם לפעמים המראה החשוב ביותר, מבחינה מדעית, שאסטרונום יכול לראות.

→ הסעיף הקודם: 10.15 קווים ופסי פליטה  |  הסעיף הבא: 10.17 חוקי קירכהוף ←