7.5.4. Спектры поглощения. Закон Кирхгофа

Вещества не только испускают, но и поглощают свет. Густав Кирхгоф (1824–1887, Германия), пропуская через газообразные вещества яркий свет, получал спектры и обнаружил на светлых непрерывных спектрах тёмные линии или полосы. Изучив это явление, он сформулировал закон, известный как закон Кирхгофа: атомы данного элемента поглощают те световые волны, которые сами же испускают.

Согласно закону Кирхгофа, для конкретного вещества спектры испускания (а) и поглощения (б) выглядят как негатив (п.7.8.10) и позитив одного фотоснимка:

7.5.5. Спектральный анализ

Из опытов известно, что по спектру вещества можно определить его химический состав.

Спектральный анализ – метод исследования химического состава вещества по его спектру (испускания и поглощения).

• Наиболее значимы в спектральном анализе линейчатые спектры, т.к. они дают картину химического состава на уровне атомов.

• Вид спектра позволяет судить о качественном составе вещества, а соотношение между яркостью отдельных участков спектра – о количественном.

Созданы атласы, содержащие высокоточные изображения спектров испускания и поглощения всех известных химических элементов. Сравнивая изучаемый спектр с табличным, можно установить химический состав вещества и определить присутствие химического элемента в нём в очень малых количествах (до 10^–10 г).

7.5.6. Линии Фраунгофера

Спектральный анализ – один из основных методов изучения звёзд. С его помощью получены данные об их химическом составе, температуре, скорости движения, магнитной индукции и пр.

• Источником энергии звёзд служат ядерные реакции по превращению водорода в гелий и другие элементы при температуре  10⁷ К.

Сплошной спектр Солнца прорезан многочисленными тёмными линиями. Первым описал это явление Йозеф Фраунгофер (1787–1826, Германия), а объяснение дал Кирхгоф. Согласно закону Кирхгофа (п.7.5.4), Солнце окружено скоплением газов, дающих тёмные линии Фраунгофера в спектре, а сам спектр является спектром поглощения этих газов. По положению линий Фраунгофера установлено, что в состав атмосферы Солнца входят водород, натрий, кальций, железо и др.

• По неизвестной ранее линии в спектре Солнца был обнаружен новый элемент – гелий (гр. – солнечный), найденный на Земле через 26 лет.

• С помощью спектрального анализа было открыто более 25 элементов таблицы Менделеева.

7.5.7. Эффект Доплера–Физо

В 1842 г. Христиан Доплер (1803–1853, Австрия) установил, что регистрируемая частота звуковых колебаний зависит от скорости и направления движения их источника относительно наблюдателя, причём:

1) если источник и наблюдатель:

а) неподвижны, то регистрируется собственная частота колебаний ₀;

б) сближаются со скоростью v, то регистрируется частота ₁  ₀;

в) удаляются друг от друга со скоростью v, то регистрируется частота ₂  ₀.

2) в момент, когда источник и приёмник в своём движении поравняются друг с другом, регистрируемая частота скачком меняет своё значение с ₁ на ₂.

Эффект Доплера – явление зависимости регистрируемой частоты колебаний от скорости и направления движения их источника относительно наблюдателя (примеры: движущийся поезд, автомобиль и др.).

Объяснение эффекта Доплера: пусть А – наблюдатель, S – источник колебаний собственной частоты ; – фазовая скорость волны в данной среде. Когда наблюдатель движется к источнику со скоростью v, он может воспринять в единицу времени на волн больше, чем в состоянии покоя, и воспринимаемая частота . В случае удаления .

При = const (она определяется только источником колебаний) из = const (п.6.1.2.2) следует, что для наблюдателя изменение регистрируемой частоты означает изменение регистрируемой длины волны. Тогда ; ; , причём ₁  ₀  _2, т. е. при сближении источника звука и наблюдателя, последний регистрирует уменьшение длины волны, при удалении – увеличение.

Физо обнаружил эффект Доплера в оптическом диапазоне. Изучая линейчатые спектры звёзд и галактик, он отметил, что яркие линии излучений известных химических элементов смещены в сторону красной отметки спектрометра (красное смещение). Физо объяснил красное смещение тем, что космические объекты удаляются от Солнечной системы (причём с возрастающей скоростью) – Вселенная расширяется.