Newton kísérletei a fehér fénnyel Sir Isaac Newton (1642 1727)
Az infravörös sugárzás felfedezése 1781: Herschel felfedezi az Uránuszt 1800: Felfedezi az infravörös sugárzást Sir William Herschel (1738 november 15 1822)
Az UV sugárzás felfedezése 1801 Johann Wilhelm Ritter (1776 1810) AgCl fehér UV Ag + Cl fekete
A fény, mint elektromágneses sugárzás frekvencia, ν [Hz] (1 Hz = 1 1/s) Elektromos térerő iránya és nagysága (vektora) Mágneses térerő iránya és nagysága (vektora) Terjedési sebesség (fénysebesség vákuumban) c = 299 792 458 m / s hullámhossz, λ [m] λ = c /ν James Clerk Maxwell (1831 1879)
A rádióhullámok felfedezése 1888 Heinrich Hertz (1847 1894)
A Röntgen-sugárzás felfedezése 1895 Wilhelm Conrad Röntgen (1845 1923) 1901: fizikai Nobel-díj
A fény, mint elektromágneses sugárzás rádióhullám mikrohullám infravörös látható UV Röntgen γ-sugárzás méret ν / Hz λ / m kis frekvencia, nagy hullámhossz nagy frekvencia, kis hullámhossz Látható színkép infravörös sugárzás hullámhossz / nm UV fény
A fotoelektromos jelenség evakuált üvegcső elektród elem árammérő Egy adott hullámhossz felett (frekvencia alatt) függetlenül a fény intenzitásától nem lép ki elektron!
A fény részecskéi, a fotonok fotonok kilépő elektronok nátrium fotonok: a fény részecskéi Max Planck (1858 1947) Nobel-díj: 1918 Albert Einstein (1879 1955) egy foton energiája: E = h ν ν: fény frekvenciája h: Planck-állandó h= 6,626 10 34 Js h ν = W + E kinetikus W: kilépési munka E kinetikus : kilépő elektronok kinetikus energiája pl. λ vörös = 650 nm, E vörös foton = 2 10 19 J
λ A fény i( k r ωt + φ0 ) Elektromágneses sugárzás E( r, t) = E0e 2πx tér : E = E0 cos( kx) = E0 cos λ idő : E = E cos( ωt) = E cos(2πνt) James Clerk Maxwell (1831 1879) k : hullámvektor, E : elektromos tér ω : körfrekvencia, λ : hullámhossz, ν : frekvencia, c : fénysebesség c 0 c = c 0 = 2,99792458 10 / n 0 λν = c vákuumban : 0 8 m/s n : törésmutató Részecsketermészet Kettőstermészet Albert Einstein (1879 1955) 1905: fotoelektromos jelenség fényenergia-kvantum: foton hc ~ E = hν = hω = = hcν λ h : Planck állandó, ~ ν : hullámszám h = 6,62606876(52) 10 34 Js Louis-Victor de Broglie (1892 1987) 1924: minden anyagra: λ = h = p h mv p : impulzus
spektrálisan: A fény tulajdonságai monokromatikus vonalas atomi (molekuláris) gázok emissziója (sávos fluoreszkáló oldatok) fehér feketest-sugárzók Feketetest-sugárzás Wien-törvénye: λ max = b/t b= 2,897 7685(51) 10 3 m K
A csillagok mint feketetestsugárzók
A fény energiája és intenzitása A foton (és a gerjesztés) energiája, lehetséges mértékegységek: 1 cm 1 = 1,1962658280823 10 2 kj / mol 1 ev = 96,485310786701 kj / mol 1 kcal / mol = 4,1839970677758 kj / mol 1 MHz = 3,9903132126102 10 7 kj / mol 1 E h (Hatree) = 2625,5 kj / mol egyéb: erg, J, cal, kwh,, nm, h, A fény(impulzus) energiája: a fénynyalábban levő fotonok energiájának összege (a teljes spektrumra) A fénynyaláb teljesítménye: J /s (W) A fénynyaláb intenzitása: Fluxus (felületi teljesítmény) [W/m 2 ], monokromatikus fényre [foton/s m 2 ] (Luminozitás: 1 cd (candela) = 1/683 W / térszög @ 555 nm)
Sötét vonalak a Nap színképében Joseph von Fraunhofer (1787 1826) 514 vonal a napfény spektrumában Fraunhofer-vonalak: 1814 William Hyde Wollaston (1766 1828) vonalak a napfény spektrumában: 1802
A színes lángok színképe vonalas Sir John Frederick William Herschel (1792 1871) H Li William Henry Fox Talbot (1800 1877) A vonalak helyét a lángba bekevert anyagok határozzák meg! Na
A színképelemzés Robert W. Bunsen (1811 1899) Gustav Kirchhoff (1824 1887) Anyagok emissziós spektrumának vizsgálata Cs, Rb felfedezése Nap spektrumának spektrumának vizsgálata közel 40 elem azonosítása
A fény és az anyag kölcsönhatása Maggerjesztések Ionizáció Elektrongerjesztés Molekularezgések gerjesztése Molekulákforgásának gerjesztése Magspingerjesztés
A fény és az anyag kölcsönhatása abszorpció foton (hν) E 2 E 2 E 1 E 1 E 2 E 2 spontán emisszió E 1 E 1 stimulált (kényszerített) emisszió E 2 E 2 E 1 E 1
A fény és az anyag kölcsönhatása abszorpció spontán emisszió stimulált (kényszerített) emisszió E 2 E 2 E 2 E 1 E 1 E 1 d φ / dt = B 12 N 1ρ ν A N 21 2 B N 21 2ρν φ(=n/v): foton-sűrűség A 21, B 12, B 21 : Einstein-féle koefficiensek N 1, N 2 : az alap- és a gerjesztett állapotban levő részecskék száma ρ ν : a sugárzás energiasűrűsége ν frekvenciánál Összefüggések: termikus egyensúlyban Boltzmann-eloszlás: N 2 E / kt 8πhν 3 B 21 = ( g1 / g 2 ) B12 A21 = B 3 21 g 1,g 2 : statisztikai súly c: fénysebesség h: Planck-állandó N 1 c = e
A fény és az anyag kölcsönhatása Laboratóriumi spektroszkópia I I 0 Pierre Bouguet (1698 1758) Johann Heinrich Lambert (1728 1777) I 0 /k I 0 /k 2 August Beer (1825 1863) Lambert Beer-törvény: I = I 0 log 10 I I 0 εcl 1 A = log T = εcl = A ln T (%) = I I I I 0 0 = µ l 100 c : koncentráció l : rétegvastagság A: dekadikus abszorbancia ε : dekadikus moláris abszorpciós koefficiens µ : természetes absz. k. T : transzmittancia x 2x l Csillagászatban, légköri megfigyeléseknél: I = I 0 e τ τ : optikai τ = Kdz = nκdz n : számsuruseg κ : opacitás mélység
Abszorpciós és emissziós spektrumok
Spektroszkópiai műszerek alapfelépítése CCD
A földi atmoszféra spektrális ablakai
Infravörös spektrális ablakok
Infravörös spektrális ablakok 0.65 1.0 µm R és I sávok Optikai teleszkópok 1.25 µm J sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 1.65 µm H sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 2.2 µm K sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 3.45 µm L sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 4.7 µm M sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 10 µm N sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 20 µm Q sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 450 µm szubmilliméter Szubmilliméteres teleszkópok
Milyen információkat szolgáltat az asztrofizikusok számára egy spektrum? Összetétel: sávok frekvenciája Hőmérséklet: egy adott specieszhez tartozó különböző sávok relatív intenzitása Relatív gyakoriság: különböző specieszekhez tartozó sávok relatív intenzitása Mozgás: Doppler- (vörös-) eltolódás értéke Nyomás: sávok profilja (alakja) Mágneses tér: sávok felhasadásának mértéke
A Doppler-eltolódás v c = λ λ FeXIV λ = 5308 Å abszorpciós vonala
Kettőscsillagok és extraszoláris bolygók detektálása Doppler-eltolódással
Sávszélességet befolyásoló 1. Természetes vonalszélesség tényezők Heisenberg-féle bizonytalansági elv: τ sp : spektroszkópiai átmenet időtartama Lorentz-sávalak: g ( ν ν ) 0 = ν = 1/ 2 τ sp E h 1 2πτ sp 2 ( ν / 2) + ( ν ν ) 2 1/ 2 ν 1/ 2 2π 0 Na D-vonala (λ=5890å) τ sp =16 ns ν 1/2 =10 MHz 2. Nyomásáltali kiszélesedés τ c : ütközések közötti átlagos időtartam b~ 1 MHz/Torr ν ν 1/ 2 1/ 2 = 1 πτ c = bp
Sávszélességet befolyásoló 3. Doppler-kiszélesedés ν 1/ 2 ν tényezők Detektor irányába v 0 sebességgel mozgó részecske észlelt átmenete: eltolódás: 0 = ν 0 1 = ν 0 c v c Maxwell-féle sebesség-eloszlást figyelembe véve kiszélesedés: Gauss-sávalak: g D 0 1 2kT ln 2 m 1/ 2 ( ) ( ) 4ln 2 ν ν ν ν = e 0 2 ln 2 0 / ν ν π 1/ 2 [ ] 2 Lorentz- és Gauss-függvények konvolúciója Voigt-függvény 4. Átvonulási idő kiszélesedés Molekulasugaras kísérleteknél 5. Teljesítmény-kiszélesedés Nagyteljesítményű forrásoknál (lézer) 6. Intermolekuláris kölcsönhatások Elsősorban kondenzált fázisok vizsgálatánál 1/ 2 Na D-vonala 300 K: ν 1/2 =1317 MHz = 0,044 cm 1
Csillag forgása miatti Dopplerkiszélesedés http://www.astrogeo.va.it/astronom/spettri/stelle-aen.htm
A H-atom (H I) spektruma A hidrogénatom energiaszintjei Hidrogénlámpa sorozat sorozat A hidrogénatom spektrumának részlete (látható tartomány) sorozat kiválasztási szabályok: l =±1 s=0
A H-atom (H I) spektruma ( ) particíós fv. : multiplicitás : betöltöttség állandó Rydberg : H H Q g P kt E Q g P R n n R E E hc i i i n n : exp = = = 2 2 2 1 1 1 1 1 2 1 λ
A H-atom (H I) spektruma
A H-atom (H I) spektruma
A H-atom (H I) spektruma
A H-atom (H I) spektruma H + + e H(nl) + hν
A H-atom (H I) spektruma
A H-atom (H I) spektruma (H II regió) T = 10 000 K
Rekombinációs vonalak (H II regió) n = 137 H Bohr-sugara: 1 µm Maximum sűrűség: 10 12 db/cm 3 csillagok atmoszférájában nem észlelhető
Lyman -erdő a kvazár és a Föld közötti objektumok abszorpciója (eltérő vöröseltolódások) távoli kvazár emissziós vonala
Impulzusmomentumok csatolása a H-atomban az elektron spinje (S) a pálya impulzusmomentuma (L) } finomszerkezet J = S + L magok impulzus momentuma (I) } hiperfinomszerkezet F = I + J
Finom- és hiperfinom szerkezet jelölés: L J perturbálatlan finomszerkezet hiperfinomszerkezet
Finom- és hiperfinom szerkezet Kiválasztási szabályok: n bármi L = ±1 S = 0 J = 0, ±1 m i = 0, ±1
Külső elektromos tér: Stark-effektus http://efrw01.frascati.enea.it/~apruzzes/spectr/stark/strong.html
Stark-kiszélesedés Nagy elektron/ionsűrűség esetében a spektrumvonalak kiszélesednek a statisztikus Stark-effektus miatt Spectrum of Vega (A0 V) and Deneb (A2 Iae) between http://www.astrogeo.va.it/astronom/spettri/stelle-aen.htm
Külső mágneses tér: Zeeman-effektus
Külső mágneses tér: Zeeman-effektus
Mágneses mező mérése H- spektrummal spektrum fönt: mágneses tér nélkül alul: mágneses térben
A H-atom (H I) spektruma vöröseltolódás: távolság intenzitás: mennyiség vonalszélesség: nyomás (és hőmérséklet) felhasadás mértéke: mágneses mező
Komplex atomok spektruma
Komplex atomok spektruma
Komplex atomok spektruma
Komplex atomok spektruma relatív arányok: hőmérséklet
Csillagok spektrális osztályzása relatív arányok: hőmérséklet és összetétel
Csillagok spektrális osztályzása
Csillagok spektrális osztályzása