Newton prizmájától az asztrofizika születéséig
Ha egy csillag fényét prizmán vagy spektrográfon engedjük át, a fény az adott eszközön áthaladva komponenseire bomlik: szivárvány színű sávra, spektrumra. Mivel minden egyes kémiai elemnek és molekulának egyedi színképe, „vonalkódja” van, így azonosítható például, hogy miből épül fel a csillag. Mert, hogy a csillagászati spektroszkópia segítségével képesek vagyunk megállapítani a hozzánk érkező fényéből ma már egyébként nem csak azt, hogy az adott égitest milyen elemekből áll, hanem annak távolságát, mozgását, hogy mekkora a hőmérséklete, milyen a sűrűsége, nyomása.
Mindezt innen otthonunkból, a Föld bolygóról (is).
Az egész a XVII. században kezdődött…
Newton és a prizmája
Valójában egy Cambridge – i vásárban szerzett, hétköznapi üvegprizma, melyet Sir Isaac Newton (Whoolsthorpe Manor, 1642. december 25/1643. január 4 – London, 1727. március 20) angol matematikus, fizikus a pestisjárvány idején vásárolt, 1 666 – ban. Ez időtájt vonult el a járvány elől vidéki otthonába és kezdte el vizsgálni a fényt és színeit. Különösen a fehér fényre volt kíváncsi.
A XVII. században azt gondolták, hogy a fehér fény egységes, tiszta dolog és hogy a színek a fény valamilyen torzulásai, vagy valamilyen módon való keveredése a sötétséggel.
A kísérlet, amellyel nem csak az optika modern alapjait fektette le, hanem ami egészen az asztrofizika megszületéséig (és egy Pink Floyd borítóig többek közt) vezetett, végtelenül egyszerű volt. Newton teljesen besötétített a szobájában és csak egy apró, kör alakú lyukon át engedte be a napfényt az ablakon keresztül. A fény útjába helyezte a prizmát, amin keresztülhaladva a fény a szivárvány színeiben vetült a falra.
További kísérletekkel arra is rájött többek közt, hogy egy másik prizma segítségével ismét fehér fénnyé tudja összeállítani a színes fényt, hogy a színes fény tulajdonságai nem változnak különböző tárgyakra vetítve, és ha a fény tükröződik, szétszóródik, ugyanolyan színűek maradnak, vagyis nem a tárgyak hozzák létre őket.
Newton alkotta meg a spektrum, latin eredetű kifejezést erre a szivárvány színsávra, melynek jelentése: látvány, tünemény.
Wollaston és Fraunhofer – sötét vonalak a spektrumon
Egészen a XIX. század elejéig egybefüggőnek, folytonosnak látták a prizmán keresztül haladó spektrumokat. Ennek oka, hogy nem változtattak, finomítottak Newton módszerein, eszközén. Maradt a szoba és a prizmák, utóbbiak pedig változó minőségű üvegből készültek. A fény pedig a kör alakú lyuk miatt, átjutva a prizmán egymásra vetül, elmosódik. A rossz minőségű, hibás, zárványos, buborékos üveg pedig torzítja, jobban szétszórja a fényt. És a cél ekkoriban még mindig a fényből születő színek, Newton kísérleteinek bemutatása volt.
William Hyde Wollaston (Deleham, 1766. augusztus 6 – London, 1828. december 22) angol kémikus, fizikus, orvos vette észre először 1 802 – ben, hogy a napfény spektruma nem folytonos. Optikai kutatásokat, fejlesztéseket végzett, ennek egyik eredményeként vizsgálta más módszerrel a napfényt. Kör alakú lyuk helyett keskeny, vékony résen engedte be a napfényt és a szemébe fókuszálta (az emberi szem lett a vetítővászon lényegében) a prizmán áthaladó fény képét, közvetlenül egy, a prizma mögé tett lencsével. A vékony rés tette lehetővé, hogy a színek átfedés nélkül váljanak láthatóvá, és hogy ezáltal kirajzolódjanak az éles, sötét sávok a spektrumon belül. Wollaston azt gondolta, hogy ezek a sötét sávok, vonalak, csak a színek közötti határvonalak. Tovább ő nem vizsgálódott az ügyben.
Az áttörést Joseph von Fraunhofer (Straubing, 1787. március 6 – München, 1826. június 7) német optikus, üvegkészítő és fizikus hozta meg 1 814 – ben. Nem, ő sem konkrétan a spektrumot vizsgálta. Tökéletes, torzításmentes üveg fejlesztésén dolgozott, és amikor az üvegfajták fénytorzító képességét (diszperzióját) vizsgálta, napfényre volt szüksége.
Amikor a napfény áthaladt a vizsgálandó felületen, a szivárványszín skálán rengeteg éles, sötét vonalat vett észre.
Fraunhofer egy műszer építésébe kezdett, ami 3 fő részből állt: fénybevezető cső, prizmaasztal, mozgatható távcső.
A napfény bejutását egy finoman állítható nagyon keskeny rés biztosította a fénybevezető csövön. Emögött a csőben egy gyűjtőlencse (kollimátor) párhuzamos nyalábbá alakította a fényt, ami a prizmaasztalra rögzített nagy méretű, flintüvegű prizmába érkezett. A flintüveg nagyobb szögben bontotta szét a színeket, mint a hagyományos üvegből készült prizmák. Ahogyan Wollaston, ő sem a falra, vetítővászonra vetítette ki a fényt, hanem a szembe fókuszálta a spektrumot, közvetlenül egy megfigyelő távcső lencséjén keresztül. A megfigyelő távcsövet egy fokbeosztásos, kör alakú fémvázon lehetett forgatni, ami által pontosan be lehetett mérni a színek és sötét vonalak szögét.
Ez volt az első olyan eszköz, amelyet a mai értelemben vett spektroszkópnak tekinthetünk.
Fraunhofer pontosan bemérte a sötét vonalak helyzetét, és a leginkább szembeötlőeket a mai napig is használatos betűkkel kategorizálta: A – tól K – ig, a legvastagabbakat P – ig. Összesen több, mint 570 sötét vonalat térképezett fel a Nap spektrumán, melyek összefoglaló nevet is kaptak később: Fraunhofer – vonalak.
Ezeket a sötét vonalakat használta egyébként fix kalibrációs pontokként később a saját lencséi és üvegei teszteléséhez. Ő találta fel a diffrakciós rácsot is felismervén, hogy ha egy nagyon sűrűn, egymás mellé húzott, nagyon vékony huzalokból álló rácson engedi át a fényt, a fényelhajlás révén ugyanúgy színekre bomlik, mint a prizmán áthaladva. Ezzel meg is született a rácsos spektroszkópia alapja, ami függetlenné tette az üveg tulajdonságaitól a méréseket és lehetővé tette a fényhullámhossz pontos kiszámítását.
Ekkor még egyébként senki sem tudta, hogy a bizonyos sötét vonalakat miként is lehet értelmezni.
Kirchhoff és Bunsen – az elemek spektrumai
A következő történelmi áttörést Gustav Robert Kirchhoff (Königsberg, 1824. március 12 – Berlin, 1887. október 17) német fizikus, mérnök, matematikus és Robert Wilhelm Eberhard Bunsen (Göttingen, 1811. március 31 – Heidelberg, 1899. augusztus 16) német kémikus hozta 1 895 – ben.
A Heidelbergi Egyetemen lettek professzorkollégák és jóbarátok.
Mivel a korabeli vegyészek rendkívül nehezen tudták kimutatni az anyagok összetételét, Bunsen olyan hatékonyabb analitikai módszert keresett, amivel mikroszkopikus mennyiségű anyagot is pontosan azonosítani lehet. Úgy gondolta, hogy a Michael Faraday (Newington Butts, 1791. szeptember 22. – Hampton Court, 1867. augusztus 25.) angol fizikus és kémikus által feltalált gázégő, ami tiszta, forró lángot ad, céljához alakítva alkalmas lenne erre. 1 885 – ben az egyetem másik épületbe költözött, amibe már bevezették a városi gázszolgáltatást. Bunsen megbízta az egyetem kiváló műszerészét, Peter Desaga (1812. március 14 – 1879 ) – t, hogy néhány ötlete alapján igazítsa a Faraday – féle gázégőt laboratóriumi használatra.
Bár Deasaga volt, aki megtervezte továbbfejlesztve Faraday gázégőjét, Bunsen ötlete nyomán, laboratóriumához, kísérleteihez fűződött a szerkezet, melyet a tudományos közösség Bunsen – égőnek kezdett nevezni.
A Bunsen – égő tökéletesen színtelen, magas hőmérsékletet adó gázégő, amelybe aztán különböző anyagokat cseppentettek, ejtettek, minek hatására a láng elszíneződött. Néhány anyag saját színét azonban, ha azok összekeveredtek, szabad szemmel nehéz volt megkülönböztetni.
A nátrium (sodium) például különösen nagy mennyiségű fotont bocsájt ki, mivel a nátriumatomok például a láng hőmérsékletén már könnyen gerjesztődnek. Mivel a nátrium gyakori a környezetünkben (pl.: konyhasó), akaratlanul is szennyezheti a vizsgálandó mintát. A nátriummal szándékosan, vagy akaratlanul vegyült elemek saját színeit a nátrium saját, erős fénye elnyomja: a Bunsen – égő lángja szabad szemmel sárga színűvé válik.
Kirchhoff ötlete volt, hogy a lángot vezessék át egy prizmás spektroszkópon. A nátrium fénye így is problémát okozott, amire különböző módszereket próbáltak ki. Például a kobalt üveg, melynek kék színe elnyeli a sárga színt, de átengedi az általa elnyomott lila, vörös sugarakat. A megoldás persze a teljesen tiszta minta és eszköz lett hosszú távon.
Vizsgálódások során bizonyítást nyert, hogy minden kémiai elem, molekula egyfajta egyedi színképpel, „vonalkóddal” rendelkezik és ezen vonalkódok ismeretével bármely olyan test tulajdonságai azonosíthatóak, ami fényt bocsájt ki, vagy akár nyel el.
Emisszió – abszorpció
Az emissziós (kibocsátási) vonalak fényes, színes csíkok, vonalak egy sötét háttéren, míg az abszorpciós (elnyelési) vonalak a sötét sávok, vonalak a színes spektrumban.
Emissziós vonalak akkor keletkeznek, amikor egy forró gáz vagy plazma gerjesztett (energiát kapott) atomjai, ionjai vagy molekulái fotonokat bocsájtanak ki bizonyos specifikus hullámhosszon, miközben visszatérnek alapállapotukba.
Az abszorpciós vonalak pedig akkor keletkeznek, amikor egy folytonos színképű fény áthalad egy hidegebb gázon, plazmán vagy gőzön és annak atomjai, ionjai vagy molekulái elnyelik a foton egy részét, miközben gerjesztett állapotba (magasabb energiaszintre) ugranak. Vagyis elnyelik az adott hullámhosszú fényt, ami így hiányzik a spektrumból, amin sötét vonalakként, sávonként jelenik meg.
Kirchhoff és Bunsen – az asztrofizika születése
Az elemek spektroszkóp vizsgálatával a napfény sötét vonalai, a Fraunhoffer – vonalak rejtélyére is fény derült.
A Fraunhoffer – vonalak kialakulásának oka, hogy a Nap külső rétegeiben lévő kémiai elemek elnyelik a beljebb lévő, forróbb rétegek fényét, bizonyos frekvenciáit.
A Nap belső része, a fotoszféra rendkívül forró és sűrű rétegei adják a folytonos, szivárványos színképet. Amikor a hűvösebb, külső rétegen, a kromoszférán áthalad a fotoszféra részecskéinek fénye, az ott található elemek atomjai elnyelik a rájuk jellemző hullámhosszú fényeket. Ennek eredménye, hogy a Földre érkező napfényben ezek a frekvenciák gyengébbek vagy hiányoznak. Kirchhoff vette észre, hogy a napfény spektrumának legvastagabb sötét vonala (a Fraunhofer – féle D vonal) pontosan ugyanazon a hullámhosszon helyezkedik el, mint a nátrium által kibocsájtott fényes, sárga vonal.
Mivel a Napból érkező fényben már eleve ott a sötét vonal, így Kirchhoff egy erős, mesterséges, fehér fényforrásának, izzónak a fényét engedte át a nátriumlángon. A láng helyén sötét vonal jelent meg pontosan abban a hullámhosszban, ahol a nátrium saját, fényes vonalát sugározná ki.
Ezáltal nyert bizonyítást, hogy ugyanaz az anyag, ami magasabb hőmérsékleten fényt bocsájt ki, alacsonyabb hőmérsékleten pontosan ugyanazokat a hullámhosszokat nyeli el.
És ezzel derült ki: a Nap és a csillagok ugyanazon kémiai elemekből épülnek fel, mint a Föld.
Emberi kéz érintése nélkül, csupán a fény elemzésével lehetővé vált a távoli, égi objektumok kémiai felépítésének vizsgálata, elemzése.
1 895 – ben megszületett a modern asztrofizika.
FOLYTATÁSA KÖVETKEZIK
=)
Be a Nerdy Bird!
ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS
A NAP
