Detektiranje atoma u zvijezdama

Transcript

1 Detektiraje atoa u zvijezdaa

2 Obje vrste liija otkrivaju sastav Sveira! Od čega je ačijeo Suce? Kada se sučeva svjetlost razloži - spektar je ispresijeca tai prugaa (liijaa) koje je prvi uočio 80. egleski astroo Wollasto, a detaljo istražio 87. jeački astroo Frauhofer. Riječ je o apsorpcijski liijaa (Frauhoferove liije) jer astaju kada hladiji atoi apsorbiraju zračeje iz vrućih ižih slojeva. Takve liije ogu astati i kada je pli ugrija i eitira zračeje i tada se zovu eisijske liije.

3 Za proučavaje zvijezda astrooi uglavo koriste apsorpcijske liije kako bi proučili sastav hladijih vajskih slojeva atosfere ispod kojih se alazi užarea jezgra (sredica). Suproto, eisijske liije otkrivaju sastav vrućih aglica koje eitiraju zračeje. Uređaj koji se proučava spektar Suca aziva se spektroheliograf koji koristi iz difrakcijskih rešetki za razlagaje sučeve svjetlosti a vale duljie. Sučeve su liije dale prve iforacije o sastavu zvijezda. Sredio 9. stoljeća jeački fizičar Gustav Kirchhoff i keičar Robert Buse pokazali su da svaki keijski eleet pretvore u plioviti oblik eitira jake liije koje se poklapaju s tai apsorpcijski liijaa u spektru Suca.

4 Poklapaje eisijskih i apsorpcijskih liija Kirchhoff je povezao u zako: jakosti eisije i apsorpcije tijela a ekoj valoj duljii jedake a bilo kojoj teperaturi. Uspoređujući apsorpcijske liije Suca i eisijske liije eleeata koje je isparavao u laboratoriju Kirchhoff je prepozao eke eleete a Sucu: Frauhoferove liije H i K povezao je s kalcije, E liiju sa željezo, B s agezije, a D s atrije što je pokazalo da je i Suce (vjerojato i druge zvijezde) ačijee od istih eleeata kao i Zelja. Švedski spektroskopist Aders Joas Ågströ u sučevo spektru alazi vodik (Frauhoferova slova C i F). Izrađuje opšira atlas sučevih apsorpcijskih liija u kojia prepozaje: H, Na, Ca, Ba, Sr, Mg, Cu, Fe, Cr, Ni, Co, Z i Au. Å = 0-0 Nažalost Frauhoferove liije A i B e pripadaju sučevu spektru, jer astaju u spektru siljeo ispod Zeljie atosfere jer astaju od kisika.

5 Najsažije apsorpcijske liije u sučevoj svjetlosti i pripadi eleeti. Drugi ajzastupljeiji eleet a Sucu, helij, tako je rijedak a Zelji da je po prvi put otkrive a Sucu. Fracuski astroo Pierre Jules Cesar Jasse opazio je žutu eisijsku liiju a 587,49 za vrijee porčie Suca 8. kolovoza 868. u Idiji. Svjetlost je dolazila iz kroosfere (toplijeg sloja plia izad vidljivog solarog diska fotosfere) koja je postala vidljiva kada je Mjesec zakloio jaku svjetlost diska.

6 0. kolovoza 868. britaski astroo Sir Joseph Nora Lockyer alazi istu žutu liiju koju ije ogao povezati iti sa jedi eleeto a Zelji i daje u aziv helij po grčko bogu suca Heliosu. Helij a Zelji ađe je tek 7 godia poslije kada ga je škotski keičar Sir Willia Rasey detektirao u uraijevo ieralu. Za otkriće pleeitih pliova u zraku Rasey 904. pria Nobelovu agradu za keiju. Daas koristio helij za pujeje baloa, hlađeje elektroičke opree s tekući helije... Vrlo rijedak a Zelji! Opasost da ostaeo bez jega u ovo stoljeću... Japaci ga žele rudariti a Mjesecu?! SASTAV SUNCA teži eleeti 0,0% helij 7,80% vodik 9,0%

7 Kvatizacija atoskih sustava ATOM (grč. ατομος = edjeljiv) većia ase alazi se u aleoj jezgri koja je okružea elektroia jezgra ia pozitiva aboj (protoi) i oko puta je aja od atoa što za rezultat ia da je ato uglavo PRAZAN PROSTOR f = feri = 0-5

8 Rutherfordov odel atoa elektroi kruže oko jezgre (poput plaeta oko Suca) ali budući da iaju aboj tijeko kružeja eitiraju EMG zračeje što zači da bi gubio kietičku eergiju i u spiraloj putaji pao a jezgru! Taj je proble riješe pooću spektralih liija vodika jer je uočeo da elektroi oraju slijediti određea pravila ako žele biti dio atoa.

9 Švicarski ateatičar Joha Baler ašao jedostavu jedažbu koja je opisivala opažei pravili razak izeđu liija vodika: 4 liije u vidljivo spektru vodika iaju vale duljie od 40, 434, 486 i 656 pozate su kao Balerove liije. Hα = 656 Hβ = 486 Hγ = 434 Hδ = 40 Balerova jedadžba koja opisuje vale duljie: K K K = 364,56 = cost.

10 Nekoliko godia poslije švedski fizičar Johaes Rydberg poopćava Balerovu jedadžbu za sve prijelaze vodika: R R, Rydbergova je forula korištea za predviđaje spektralih liija u IC, UV i RADIO području. Pasche = 3 Brackett = 4 Pfud = 5

11 Daski fizičar Niels Bohr objasio je Balerovu jedadžbu odelo vodikova atoa Bohrov odel atoa u koje jeda elektro kruži u vodikovu atou oko jezgre u točo određei stazaa s točo određei eergijaa. Elektro eitira ili apsorbira eergiju sao pri prijelazia izeđu dozvoljeih staza: APSORPCIJA iz staze iže eergije u stazu više eergije apsorbira zračeje točo određee vale duljie; EMISIJA zračeja a istoj toj valoj duljii iz staze više eergije a stazu iže eergije VALNA DULJINA zračeja povezaa je s razliko eergija izeđu dvije staze elektroa. 9. Bohr dobiva Nobelovu agradu za fiziku

12 Budući da su dozvoljee sao kvatizirae orbitale spektrale liije astaju a točo određei vali duljiaa koje u potpuosti IDENTIFICIRAJU ATOM. Otprilike deset godia prije Bohra, 90. godie Max Plack prvi je doio ideju o eisiji ili apsorpciji diskretih paketića eergije fotoa s eergijo: E = hν, gdje je Plackova kostata h = 6.66 x 0-34 J s Bohr je otišao korak dalje i kvatizirao kietičku eergiju elektroa koji kruže u atou. Predložio je da ehaička eergija svake subatoske čestice u gibaju ože popriiti sao određee diskrete vrijedosti: KVANTIZIRAO JE KUTNU KOLIČINU GIBANJA ELEKTRONA I NJEGOVU ENERGIJU. Budući da eergija raste sa sajeje polujera orbite kvata fizika postaje doiata a vrlo ali, subatoski veličiaa.

13 BOHROV MODEL ATOMA VODIKA: jeda elektro kruži oko jedog protoa u jezgri (Bohr, 93.) s kuto količio gibaja: e vr e = 9, kg asa elektroa v je orbitala brzia elektroa r je orbitali radijus gdje je =,, 3, h = J s Plackova kostata

14 Polujer r ( te staze elektroa) dobije se karakteriziraje Coulobove privlače sile (izeđu elektroa i protoa) kao cetripetale sile: 4 r a 0 0 a e r 0 0h e e v r 5,980 IZVEDITE CIJELI RAČUN! a 0 = Bohrov radijus (prva staza u atou vodika)

15 Elektroska orbitala (kietička) eergija također je kvatiziraa: elektroi ogu zauziati sao orbite s dozvoljei kietički eergijaa E gdje je v e R 4 e 8 h e 0 e 0 4 e 3 8 h c hcr ,568 IZVEDITE CIJELI RAČUN!, R = Rydbergova kostata Kostata vrijedost: E 3,6 ev hcr hcr 3,6 ev Ry Rydbergova jediice eergije ev,600 -ti eergetski ivo u vodikovu atou određuje se prea: 9 gdje je 3,6 ev ioizacijski potecijal vodika J

16 o A E E hc DULJINE VALNE E E h frekvecije ev E E 9,5 : : 3,6 Najiteziviji prijelazi su tzv. α prijelazi za koje vrijedi: = Za bilo koji frekvecija α prijelaza defiiraa je 3 cr

17 BALMEROVA GRANICA U spektru ove zvijezde Balerove liije vodika spajaju se a graičoj vrijedosti od 364,6 i tvore Balerov kotiuu (gdje je zračeje eitirao kotiuirao). Nastaje uslijed prijelaza izeđu staja = i staja u kojia se ato ioizira (elektro se oslobađa).

18 POOPĆENJE NA SLOŽENIJE ELEMENTE Za eleet atoskog broja Z kg u atoskaasaizražea je M gdje M R R hcr h e Z E A A e A A e ,660539, 8 Frekvecije prijelaza s -tog a -ti ivo 3 Z cr Z cr A A

19 ELEKTRONI SE PENJU I SPUŠTAJU LJESTVAMA SVAKI ATOM IMA DRUGAČIJE LJESTVE

20 OSNOVNA I POBUĐENJA STANJA Eergetski je povoljije ostati u osovo staju Potrebo je više eergije za pobuđivaje viših staja (pr. sudaria) Broj atoa koji će boraviti u pojedio staju ovisi iverzo i ekspoecijalo o eergiji Kada je riječ o sudari procesia ojer populacija dva eergetska ivoa ovisi o TEMPERATURI U uvjetia terodiaičke ravoteže ojer broja atoa a dva eergetska ivoa ovisit će o razlici jihovih eergija podijeljeoj s teperaturo (uvijek je veći broj atoa u osovo staju!) taj je broj pozat kao BOLTZMANNOVA DISTRIBUCIJA (Ludwig Boltza ) N N g g e E E kt g degeeracija ivoa (broj kvatih staja s eergijo ivoa u odosu a epobuđeo staje = ) za vodikov ato g = E 3,6 ev

21 Prijer: Odredite teperaturu a kojoj je broj atoa vodika u osovo staju jedak. pobuđeo staju ( = 3). N N g g k 3 3 g g 3, E e 8, E 3,380 E E kt 0,09eV 3 JK Iz čega se prirodi logaritiraje izraza račuo dobiva: T K Provjerite raču!

22 IONIZACIJA I ELEMENTALNI SASTAV ZVIJEZDA visoke teperature a zvijezdaa uzrokuju ioizaciju pa prisutost ili odsustvo spektralih liija e ozačava užo keijski sastav 90. Meghad Saha ukazuje a projee spektralih liija u zvjezdai uvjetia tlaka i teperature SAHINA JEDNADŽBA udio ioiziraih atoa plia pri dao tlaku i teperaturi x x (χ ioizacijski potecijal) 3/ kt 5/ h e 3 p e kt

23 VAŽNOST NAVEDENIH SPOZNAJA Utjecaj zvjezdaih uvjeta a spektrale liije doveo je do spozaje da su sve zvijezde izgrađee od istih eleeata (Cecilia Paye) a različiti spektri posljedica su zvjezdaih uvjeta! Detalja opažaja spektara daju a iforacije o teperaturi, gustoći, gibaju, agetizu a Sucu ili bilo kojoj drugoj zvijezdi, aglici ili drugo sveirsko objektu

24 UTJECAJ FIZIKALNIH UVJETA NA SPEKTRE

25 . DOPPLEROV POMAK RADIJALNO GIBANJE UZROKUJE POMAK VALNIH DULJINA aalogo efektu u akustici! vale duljie eg valova pokazuju poak kada se izvor giba u odosu a opažača poak liije ovisit će o kopoeti brzii duž liije opažača RADIJALNOJ BRZINI veća radijala brzia veći Dopplerov poak egleski astroo Willia Huggis prvi je ovo etodo odredio brziu zvijezde koja se udaljava od Zelje POMAK U CRVENO (redshift) udaljavaje od opažača (poak prea duži, crvei vali duljiaa) POMAK U PLAVO (blueshift) gibaje prea opažaču (poak prea kraći, plavi vali duljiaa)

26 a. RELATIVISTIČKI DOPPLEROV POMAK PRIMJER: Crvei poak Lya α liije u vidljivo λ L =,567 (UV područje) vala duljia u irovaju Ako se eka galaksija giba dovoljo brzo ože uzrokovati crvei poak u eisijskoj liiji λ O = 600 s crvei poako: z o L L 3,936 v z r 8 vr,760 s c z / Budući da je z >, radijala se brzia približava c!

27 . GRAVITACIJSKI POMAK U CRVENO Golee asive zvijezde uzrokuju gravitacijski poak u crveo a ači da fotoi gube eergiju pokušavajući svladati sažo gravitacijsko privlačeje zvijezde. Za zvijezde poput Suca efekt je skroa: 0-6 (što odgovara radijaloj brzii od 0,64 k/s) eergija fotoa (efektive ase, brzio c) koji apušta asivi objekt ase M i radijusa R h h c c GM E h R Tada je gravitacijski poak u crveo da s: z g GMh Rc GM Rc

28 Prijer: Mjereje gravitacijskog crveog poaka Zelje i zvijezda. Zbog relativo aleog gravitacijskog utjecaja Zelje, potrebo je vrlo točo jereje gaa valih duljia a putu s tla do visie H. GMH 6 0 H R c G 6,6740 M 5,9740 R 6, N kg 8 c,99790 s kg Provjerite račue! Za Suce gravitacijski crvei poak izosi: M GM 0 R c,9890 R 6, kg 6

29 Za usporedbu teralo šireje spektralih liija vodika, ase =, kg eitiraog sa Suca teperature T = 5780 K: v ter c 3kT c 40 5 Što zači da je terali efekt a spektrale liije 6 puta jači od gravitacijskog! Bijeli patuljak ia asu približo jedaku asi Suca, radijus usporediv sa Zeljii (oko 00 puta aji od Sučevog) oko 6, pa je i gravitacijski utjecaj a spektrale liije 00 puta jači. Provjerite račue!

30 3. TERMALNO ŠIRENJE SPEKTRALNIH LINIJA svaka je opažea spektrala liija superpozicija liija eitiraih od oštva atoa u različiti fizikali uvjetia stoga je spektrala liija RAŠIRENA preko određeog raspoa valih duljia veličia šireja raste s teperaturo izvora odoso s teralo brzio atoa u gibaju i drugog korijea teperature za atoe u terodiaičkoj ravoteži a teperaturi T, liija eitiraa a valoj duljii λ L Dopplerski će se proširiti za Δλ D : D L v ter gdje je 3kT k v c ter,380 3 JK

31 4. ROTACIJA ILI EKSPANZIJA IZVORA ŠIRI SPEKTRALNE LINIJE Ako izvor rotira, dio koji rotira prea opažaču pokazivat će plavi poak, a dio koji rotira od opažača pokazivat će crvei poak Kobiacija efekata uzrokuje šireje liija, koje se povećava s brzio rotacije i ovisi o projiciraoj ekvatorijaloj brzii ili opažeoj rotacijskoj brzii rot L eksp L v rot v eksp c si c Gdje je α kut ikliacije izeđu ekvatora izvora i ebeskog ekvatora. Sliča se izraz za šireje spektralih liija dobiva i kod ekspazije objekta.

32 5. MAGNETSKO POLJE CIJEPA SPEKTRALNE LINIJE Zeeaov efekt kada se ato postavi u agetsko polje, poaša se kao kopas i ijejaju se eergetski ivoi elektroa ako je atoski kopas poravat s agetski polje jegova eergija raste u suproto opada kako svaka projea eergije uzrokuje projeu u vali duljiaa ili frekvecijaa zračeja kojeg je eitirao elektro spektrala liija različito orijetiraih atoa postaje grupa liija eđusobo alo poakutih (oviso o jakosti agetskog polja):

33 Pieter Zeea ga je prvi laboratorijski opazio Herik Loretz je teorijski predvidio efekt Zajedo su priili Nobelovu agradu za fiziku 90. godie Za razuijevaje efekta treba se prisjetiti: abijea čestica u agetsko polje e ože se gibati pravocrto ako dolazi okoito a sjer agetskog polja gibat će se kružo oko agetske silice a budući da se u sjeru agetskih silica ože slobodo gibati rezultato gibaje biti će u helikoidaloj trajektoriji radijus i period tog gibaja dai su s (Laror): frekvecija tog gibaja tada je vokoito Rg ZeB R g P v eb okoito e g P eb e,8 0 0 B Hz

34 Kada se ato postavi u agetsko polje jakosti B, agetski oet μ (Bohrov ageto) da je s: B e e vr eh e 9,740 h vr Kada se ato postavi u agetsko polje spektrale liije cijepaju se u više blizu postavljeih liija koje se razlikuju u eergiji za ΔE B što odgovara razlici u eergiji fotoa h(ν ν ) E B B B eh 4 e B h Dvije vajske liije (od tri cijepae liije) biti će razakute za ΔE B što odgovara razlici u frekveciji, odoso valoj duljii: B B 0,8 0 B Hz h 93,3 B c 4 JT

35 Aerički astroo George Hale prvi je apravio jereja Zeeaovog cijepaja u sučevi pjegaa - iz čega je pokazao da agetsko polje u sučevi pjegaa ia jakost od 0,3 T. To je gotovo puta jače o terestrijalog agetskog polja koje zakreće igle kopasa! Odosi se a vajske hladije dijelove zvijezda, jer atoi u vrući dijelovia uutrašjosti zvijezda e ogu preživjeti PLAZMA!

36 Prijer: Zeeaov efekt u sučevi pjegaa i eđuzvjezdao prostoru Izjerea jakost agetskog polja (ag. idukcija) u sučevi pjegaa B = 0,3 T. Za crveu H α liiju a valoj duljii λ = 656,3 Zeeaov efekt uzrokovati će cijepaje liija: 93,3,800 B 5,00 Provjerite račue! Za usporedbu, Dopplerovo šireje ove liije uslijed teralog gibaja atoa pri teperaturi od 5780 K: v ter c 3kT c 40 Međuzvjezdai prostor vrlo je hlada oko 00 K i teralo je šireje puo aje. Ali i dalje je za jereje vale duljie λ = c eđuzvjezdaog vodika potreba precizost : v ter c 3kT c

37