3.1.2. Астрофизикада зерттелетін электромагниттік сәулелену аймағы

Көрінетін жарық - кванттар түрінде шығарылатын электромагниттік сәулеленудің дербес түрі екендігі белгілі.

Кванттар энергиясының өлшем бірлігі ретінде электрон-вольт (эв) қабылданған. Электронвольт - бұл потенциалдар айырымы 1 вольт электр өрісімен үдетілген еркін электронның алатын энергиясы.

Көрінетін жарық кванттарының энегриясы 2-3 эв-қа тең және астрофизикада зерттелетін электромагниттік сәулеленудің тек аз аймағын ғана қамтиды, ал негізінде астрофизикада зерттелетін сәулелену аймағы Мэв-тан (миллион эв - гамма-сәулелер) электрон-вольттың миллионнан бір (1/10⁶) үлесіне дейінгі (радиотолқындар) аралықтарды қамтиды. Бұл аралықта рентген, ультракүлгін, көрінетін және инфрақызыл сәулелер орналасқан.

Электромагниттік толқынның толқындық қасиетін ескере отырып, оны толқын ұзындығы және жиілігі арқылы сипаттауға болады: .

Кванттар энергиясы электромагниттік тербелістердің жиілігіне тура пропорционал, ал пропорционалдық коэффициент Планк тұрақтысы болып табылады h = 6,625  10 ^-27 эргсек, олай болса . Энергиясы 1 эв квантқа мынадай толқын ұзындығы және жиілігі сәйкес келеді: мк (микрон), Гц.

Көрінетін сәулелер аймағына жуықтап 0,39 мк-нан (көрінетін спектрдің күлгін шекарасы) 0,76 мк-ға (қызыл шекара) дейінгі аралық сәйкес келеді. Олардың арасында көрінетін спектрдің барлық түстері орналасқан: күлгін (0,39-0,45 мк), көк (0,45- 0,48 мк), көгілдір (0,48-0,51 мк), жасыл (0,51-0,57 мк), сары (0,57-0,585 мк), қызыл сары (0,58-0,62 мк) және қызыл (0,62-0,76 мк). Спектрдің көрінетін облысындағы сәулелердің астрономияда маңызы зор, өйткені Жер атмосферасы оларды жақсы өткізеді. Ал спектрдің басқа бөліктерінде сәулелер жұтылуы күштірек болғандықтан космостық сәулелер Жер атмосферасының белгілі бір деңгейіне дейін ғана келіп жетеді. Атмосфера спектрдің қысқа толқындық облысын күштірек жұтады, яғни ультракүлгін, рентген және гамма-сәулелерді. Оларды (ультракүлгіннен басқасын) тек ракеталар мен жасанды серіктер арқылы ғана бақылауға болады.

Көрінетін спектрден ұзын толқындарға қарай инфрақызыл сәулелер мен радиотолқындар орналасқан. Инфрақызыл сәулелердің басым бөлігі (1 микроннан бастап) ауа молекулаларымен жұтылады, негізінен су буы мен көмірқышқыл газы молекулаларымен. Жер атмосферасы 1 см-ден 20 метрге дейінгі аралықтағы радиотолқындар үшін мөлдір. Ұзындығы 1 см-ден аз толқындар (1 мм, 4.5 мм және 8 мм-ден басқасы) Жер атмосферасының төменгі қабаттарымен толық жұтылады, ал ондаған метрден ұзын толқындар атмосфераның ең жоғарғы қабаты - ионосферамен шағылады және жұтылады.

3.1.3. Спектрлік талдау

Сәулелену қарқындылығының толқын ұзындығы (немесе жиілігі) бойынша үлестірілуі сәулелену спектрі деп аталады.

Құранды (күрделі) жарықты жай (құраушы) сәулелерге жіктейтін құралдар шыны призма (кейде кварц призма), не дифракциялық решетка болады.

Егер құранды ақ жарықты шыны призмаға түсірсек, оны құрайтын жай сәулелердің шыны ішіндегі жылдамдығы әртүрлі болғандықтан, олар әртүрлі болып сынады да, жолындағы экран бетіне барып түскенде, бәрі экранның бір нүктесіне беттесіп түспейді, жіктеліп қатар-қатар түседі. Ал толқын ұзындығы әр түрлі сәулелер біздің көзімізге әртүрлі түсті болып көрінеді (егер микрон болса қызыл түсті болып), сондықтан экран бетіндегі әлгі әр түрлі жай сәулелер жіктеліп түскен жерде әртүсті жолақтарды – спектрді көреміз.

Күрделі жарықты жай жарықтарға жіктеу арқылы оның құрамын зерттеуді спектрлік талдау дейді.

Егер құрал спектрді тек көзбен окуляр арқылы көріп бақылау үшін арналған болса, онда спектроскоп, ал спектрді фотографиялау үшін арналған болса, онда спектрограф дейді. Бұлардың құрылысы бірдей, тек спектрографта спектрдің суреті түсетін жерге фотопластинка қойылады.

Аспан денесінен келетін жарықтың спектрін түсіру үшін спектрограф пен телескопты аспан денесінің кескіні спектрографтың саңылауына дәл келетіндей етіп біріктіреді.

Заттың күйіне қарай және оның қандай жағдайда тұруына байланысты спектрдің негізгі үш түрі болады.

Тұтас не үздіксіз спектр бірімен бірі жалғасып жатқан әр түсті жолақтардың жинағы. Мұндай спектрді қызған күйдегі қатты, сұйық заттың бәрі де және үлкен қысым мен жоғары температура жағдайында молекулалары мен атомдары иондалған газдар береді.

Сызықша немесе жолақ спектр дегеніміз қараңғы аралықпен бөлінген жеке-жеке әртүрлі ашық сызықтардан немесе жолақтардан тұрады. Мұндай спектрлерді сиретілген газдар мен булар, мысалы, қызған күйде не электр тогы өткен кезде береді.

Жұтылу спектрі дегеніміз үздіксіз спектр беретін жарық көзінің алдында салқындау газдар не булар тұрған кезде шығады. Мұның түрі көлденең қара сызықтармен айғыздалған тұтас спектр болады. Мұны газдар мен булар өздері арқылы өтетін жарықтың ішінен, өздері жиілігі қандай сәулелерді шығара алатын болса, соларды жұтып қалады деген неміс физигі Кирхгоф заңы бойынша түсінуге болады.

Молекулалардың немесе олардың қосылыстарының спектрі бірқатар жалпақ жолақтардан тұрады; бұл жолақтардың әрқайсысы өте тығыз орналасқан сызықтар.

Газ не бу күйіндегі әрбір элементтің өзіне тән сызықша спектрі бар – сызықтың саны, түсі, орны, жарықтығы (интенсивтігі) әр элементтікі әртүрлі. Мысалы, натрий буының спекрті толқын ұзындықтары және болатын қос сары сызықтан тұрады.

Спектр - химиялық элементтің ен-таңбасы. Спектріне қарап бір элементті екінші элементтен оңай ажыратуға болады және әр элементтің спектрі белгілі болғандықтан жарық келіп тұрған зат қандай элементтерден құралғанын айыруға болады.

Күн мен жұлдыздар спектрі тұтылу спектріне жатады.

Жарықты шығаратын атом. Ендеше неғұрлым спектр сызықтары жарығырақ болса, солғұрлым ол сызықтарды шығаратын атомдар саны да көбірек болу керек, осыдан элементтің мөлшері қанша екенін де бағалап білуге болады.

Тәжірибенің көрсетуіне қарағанда газдың қысымы көбейген сайын, оның спектріндегі сызықтар жалпая береді және жаңадан сызықтар қосылады. Сөйтіп, спектріне қарап жұлдыз атмосферасындағы қысым туралы түсінік ала аламыз.

Температура күшейген кезде атомдар мен молекулалар иондалады. Ал мұндай күйдегі олардың шығаратын спектрі нормаль күйдегіден өзгеше. Ендеше спектрге қарап температураны да анықтауға болады.

Спектрдің түріне қарап аспан денелеріндегі электрлік және магниттік күштер туралы да мәліметтер алуға болады. Себебі, жарық пен электр және магнит құбылыстарының арасында байланыс бар екенін білеміз: егер жарық көзін күшті магнит өрісіне қойса, спектр сызықтары «жарықшақталады» – бір сызықтың орнына екі не үш сызық шығады (Зееман құбылысы), ал күшті электр өрісі болған кезде сызықтар жалпаяды. Аспан денелерінен келетін сәулелерді талдап тексергенде, олардың құрамы өте күрделі екендігі ашылды. Ол сәулелер толқын ұзындықтары нешетүрлі электромагниттік толқындардың жинағы екен: оның ішінде ұзын толқынды радиотолқындары, инфрақызыл сәуле, көзге көрінетін ақ сәуле, қысқа толқынды ультракүлгін сәулелер бар.