כאשר קרן שמש עוברת דרך פריזמה, ספקטרום מופיע על המסך מאחוריה. כבר מאתיים שנה התרגלנו לתופעה הזו. אם לא מסתכלים היטב, נראה שאין גבולות חדים בין חלקי הספקטרום הבודדים: אדום הופך ללא הרף לכתום, כתום לצהוב וכו'.

ביתר זהירות מאחרים ב-1802, הוא שקל את הספקטרום רופא אנגליוהכימאי ויליאם הייד וולסטון (1766–1828). וולסטון גילה כמה קווים כהים חדים שחצו את הספקטרום של השמש ללא סדר ברור בשעה מקומות שונים. המדען לא ייחס חשיבות רבה לשורות אלו. הוא האמין שהמראה שלהם נגרם או ממאפייני הפריזמה, או ממאפייני מקור האור, או מסיבות משניות אחרות. הקווים עצמם עניינו אותו רק בגלל שהם הפרידו את הרצועות הצבעוניות של הספקטרום זו מזו. מאוחר יותר, הקווים האפלים הללו נקראו קווי פראונהופר, המנציחים את שמו של החוקר האמיתי שלהם.

יוסף פראונהופר (1787-1826) בגיל 11, לאחר מות הוריו, הלך ללמוד אצל אמן שחיקה. עקב העבודה, נותר מעט זמן ללימודים. עד גיל 14 יוסף לא ידע לקרוא ולא לכתוב. אבל לא היה אושר, אבל חוסר המזל עזר. יום אחד קרס ביתו של הבעלים. כשיוסף הורחק מההריסות, הנסיך הכתר נסע במקום. הוא ריחם על הצעיר ומסר לו סכום כסף נכבד. לצעיר היה מספיק כסף לקנות לעצמו מכונת שחיקה ולהתחיל ללמוד.

פראונהופר בעיירת המחוז בנדיקטביירן למדה לטחון משקפיים אופטיות.

בהקדמתו ליצירותיו האסופות של פראונהופר, סיכם א' לומל את תרומתו לאופטיקה המעשית באופן הבא. "באמצעות הכנסת השיטות, המנגנונים ומכשירי המדידה החדשים והמשופרים שלו לסיבוב והברקה של עדשות... הוא הצליח להשיג דגימות גדולות מספיק של זכוכית צור וזכוכית כתר ללא כל וריד. במיוחד חשיבות רבההייתה השיטה שהוא מצא הגדרה מדויקתצורות עדשות, ששינו לחלוטין את כיוון ההתפתחות של אופטיקה מעשית והביאו את הטלסקופ האכרומטי לשלמות כזו, שאפילו לא ניתן היה לחלום עליה קודם.

כדי לבצע מדידות מדויקות של פיזור האור במנסרות, השתמש פראונהופר בנר או מנורה כמקור אור. במקביל, הוא גילה קו צהוב בוהק בספקטרום, הידוע כיום כקו הצהוב של נתרן. עד מהרה התברר שהקו הזה נמצא תמיד באותו מקום בספקטרום, כך שמאוד נוח להשתמש בו למדידות מדויקות של מדדי השבירה. לאחר מכן, אומר פראונהופר ביצירתו הראשונה ב-1815: "...החלטתי לברר אם אפשר לראות קו זוהר כזה בספקטרום השמש. ובעזרת טלסקופ לא מצאתי קו אחד, אלא מְאוֹד מספר גדול שלקווים אנכיים, חדים וחלשים, אשר, עם זאת, התבררו כהים יותר משאר הספקטרום, וחלקם נראו שחורים כמעט לחלוטין.

בסך הכל הוא ספר אותם שם 574. פראונהופר נתן שמות וציין את מיקומם המדויק בספקטרום. נמצא כי המיקום של הקווים הכהים היה ללא שינוי לחלוטין; במיוחד, קו כפול חד הופיע תמיד באותו מקום בחלק הצהוב של הספקטרום. פראונהופר כינה אותו קו O. המדען מצא גם שבספקטרום הלהבה של מנורת אלכוהול באותו מקום כמו הקו הכהה O בספקטרום השמש, יש תמיד קו צהוב כפול בהיר. רק שנים רבות לאחר מכן התבררה המשמעות של גילוי זה.

בהמשך למחקריו על קווים כהים בספקטרום השמש, פראונהופר הבין את העיקר: הסיבה שלהם אינה באשליה אופטית, אלא בטבעו של אור השמש. כתוצאה מתצפיות נוספות, הוא מצא קווים דומים בספקטרום של נוגה וסיריוס.

תגלית אחת של פראונהופר, כפי שהתברר מאוחר יותר, התבררה כחשובה במיוחד. זה בערךעל תצפית על קו D הכפול. בשנת 1814, כאשר המדען פרסם את מחקרו, תצפית זו תשומת - לב מיוחדתלא השתלם. עם זאת, 43 שנים מאוחר יותר, ויליאם סוואן (1828–1914) מצא שקו ה-O הכפול הצהוב בספקטרום של להבת מנורת רוח מופיע בנוכחות מתכת נתרן. אבוי, כמו רבים לפניו, ברבור לא הבין את המשמעות של עובדה זו. הוא מעולם לא אמר את המילים הנחרצות: "הקו הזה שייך למתכת הנתרן".

בשנת 1859 הגיעו שני מדענים לרעיון הפשוט והחשוב הזה: גוסטב רוברט קירכהוף (1824–1887) ורוברט וילהלם בונסן (1811–1899). במעבדה של אוניברסיטת היידלברג הקימו את הניסוי הבא. לפניהם, או שרק קרן שמש הועברה דרך פריזמה, או רק אור ממנורת רוח. מדענים החליטו לדלג עליהם במקביל. כתוצאה מכך, הם גילו תופעה, אשר ל.י. פונומרב: "אם רק קרן השמש נפלה על הפריזמה, אז בקנה מידה של הספקטרוסקופ ראו את הספקטרום של השמש עם קו כהה O במקומו הרגיל. הקו הכהה עדיין נשאר במקומו גם כשהחוקרים הציבו רוח בוערת מנורה בנתיב האלומה.אבל כשהציבו מסך בנתיב של קרן השמש והאירו את המנסרה רק באור של מנורת אלכוהול, אז במקום הקו הכהה הופיע בבירור O צהוב בוהקקו נתרן O. קירכהוף ובונסן הסירו את המסך - קו O נעשה חשוך שוב.

אחר כך החליפו את קרן השמש באור מגוף לוהט - התוצאה תמיד הייתה זהה: הופיעה כהה במקום קו צהוב בוהק. כלומר, להבת מנורת הרוח קלטה תמיד את הקרניים שהיא עצמה פלטה.

כדי להבין מדוע האירוע הזה הלהיב את שני הפרופסורים, הבה נעקוב אחר הנימוקים שלהם. קו ה-O הצהוב הבוהק בספקטרום של להבת מנורת הרוח מופיע בנוכחות נתרן. בספקטרום השמש, קו כהה של טבע לא ידוע נמצא באותו מקום.

הספקטרום של האלומה מכל גוף חם הוא רציף, ואין בו קווים כהים. עם זאת, אם אלומה כזו מועברת דרך להבה של מנורת אלכוהול, אז הספקטרום שלה אינו שונה מהספקטרום של השמש - יש לה גם קו כהה באותו מקום. אבל אנחנו כבר כמעט יודעים את טיבו של הקו האפל הזה, בכל מקרה, אנחנו יכולים לנחש שהוא שייך לנתרן.

לכן, בהתאם לתנאי התצפית, קו הנתרן O יכול להיות צהוב בהיר או כהה על רקע צהוב. אבל בשני המקרים, נוכחות הקו הזה (לא משנה איזה מהם - צהוב או כהה!) פירושה שיש נתרן בלהבת מנורת הרוח.

ומכיוון שקו כזה בספקטרום הלהבה של מנורת אלכוהול באור משודר חופף לקו הכהה O בספקטרום השמש, זה אומר שיש נתרן על השמש. יתר על כן, הוא ממוקם בענן החיצוני הגזי, המואר מבפנים על ידי הליבה החמה של השמש.

הערה קצרה בת שני עמודים, שנכתבה על ידי קירכהוף ב-1859, הכילה ארבע תגליות בבת אחת:

לכל אלמנט יש ספקטרום קווים משלו, כלומר קבוצה מוגדרת בקפדנות של קווים;

קווים דומים יכולים לשמש כדי לנתח את הרכב החומרים לא רק על כדור הארץ, אלא גם על כוכבים;

השמש מורכבת מליבה חמה ומאטמוספירה קרה יחסית של גזים חמים;

השמש מכילה את היסוד נתרן.

שלוש ההצעות הראשונות אושרו במהרה, במיוחד ההשערה לגבי מבנה השמש. המשלחת של האקדמיה הצרפתית למדעים ב-1868, בראשות האסטרונום יאנסן, ביקרה בהודו. היא גילתה שבמהלך ליקוי חמה מוחלט, ברגע שבו הליבה החמה שלו מכוסה בצל הירח ורק העטרה זורחת, כל הקווים הכהים בספקטרום השמש מהבהבים באור בהיר.

קירגהוף ובונסן לא רק אישרו בצורה מבריקה את העמדה השנייה, אלא גם השתמשו בה כדי לגלות שני יסודות חדשים: רובידיום וצסיום.

כך נולד ניתוח ספקטרלי, בעזרתו ניתן כיום לגלות את ההרכב הכימי של גלקסיות רחוקות, למדוד את הטמפרטורה ומהירות הסיבוב של כוכבים ועוד ועוד.

מאוחר יותר, מתח חשמלי שימש לרוב כדי להביא אלמנטים למצב נרגש. בהשפעת המתח, האלמנטים פולטים אור המאופיין באורכי גל מסוימים, כלומר בעלי צבע מסוים. אור זה מפוצל במנגנון ספקטרלי (ספקטרוסקופ), שחלקו העיקרי הוא פריזמת זכוכית או קוורץ. במקרה זה, נוצרת רצועה המורכבת מקווים נפרדים, שכל אחד מהם מאפיין אלמנט מסוים.

כך למשל, היה ידוע בעבר שהמינרל kleveite, בחימום, משחרר גז הדומה לחנקן. גז זה, כאשר נחקר בספקטרוסקופ, התברר כגז אצילי חדש, שעדיין לא ידוע. כאשר הוא נרגש חשמלית, הוא פלט קווים שהתגלו בעבר בעת ניתוח קרני השמש עם ספקטרוסקופ. זה היה מקרה מוזר כאשר יסוד שהתגלה בעבר על השמש התגלה על ידי רמזי גם על כדור הארץ. הוא קיבל את השם הליום, מהמילה היוונית "הליוס" - השמש.

כיום ידועים שני סוגים של ספקטרום: רציף (או תרמי) וקווי.

כפי שכותב פונומארב, "הספקטרום התרמי מכיל את כל אורכי הגל, הוא נפלט בעת חימום מוצקיםואינו תלוי בטבעם.

ספקטרום הקווים מורכב מקבוצה של קווים חדים בודדים, מתרחש כאשר גזים ואדים מתחממים (כאשר אינטראקציות בין אטומים קטנות), ומה שחשוב במיוחד - מערכת קווים זו ייחודית לכל יסוד. יתרה מכך, ספקטרום הקו של יסודות אינו תלוי בסוג התרכובות הכימיות המורכבות מיסודות אלה. לכן, יש לחפש את הסיבה שלהם בתכונות של אטומים.

העובדה שהיסודות נקבעים באופן ייחודי ומוחלט על ידי סוג ספקטרום הקווים הוכרה עד מהרה על ידי כולם, אך העובדה שאותו ספקטרום מאפיין אטום בודד לא התממשה מיד, אלא רק בשנת 1874, הודות לעבודות של האסטרופיזיקאי האנגלי המפורסם נורמן לוקייר (1836-1920). וכשהבינו זאת, הם הגיעו מיד למסקנה הבלתי נמנעת: מכיוון שספקטרום הקו נוצר בתוך אטום בודד, אז לאטום חייב להיות מבנה, כלומר להיות בעל חלקים מרכיבים!

תקרא ותכתובמוֹעִיל

מועמד למדעי הפיזיקה והמתמטיקה, פרופסור חבר במחלקה למוסדות פיזיקליים ופיזיים Vozianova A.V.
09.02.2017

הרצאה 1

היסטוריה של ספקטרוסקופיה
2

מהו ספקטרום?

ספקטרום (לט. ספקטרום "חזון") - הפצה
ערכים כמות פיסית(אֵנֶרְגִיָה,
תדירות, מסה). ייצוג גרפי
כגון
הפצה
שקוראים לו
דיאגרמה ספקטרלית או ספקטרום.
לכל אטום ומולקולה יש ייחודיות
מִבְנֶה,
למי
מתכתב
שלי
ספקטרום ייחודי.
3

סוגי ספקטרה

(בהתאם לאופי ההתפלגות של הפיזי
ערכים)
רציף (מוצק)
שלט
מְפוּספָּס
(בהתאם לאינטראקציה של קרינה עם חומר)
פליטה (ספקטרום פליטה)
ספיחה (ספקטרום ספיגה) ו
פיזור ספקטרום
4

ספקטרום קו

ספקטרום קווים נותנים את כל החומרים באטומי הגז
מצב (אך לא מולקולרי). במקרה זה, אור נפלט על ידי אטומים,
שלמעשה אינם מקיימים אינטראקציה זה עם זה. זה הכי הרבה
סוג בסיסי ובסיסי של ספקטרה. אטומים מבודדים
של יסוד כימי נתון פולטים אורכים מוגדרים בהחלט
גלים. עם עלייה בצפיפות של גז אטומי, אינדיבידואלי
הקווים הספקטרליים מתרחבים, ולבסוף, בגדול מאוד
צְפִיפוּת
גַז,
מתי
אינטראקציה
אטומים
הופך
משמעותי, קווים אלה חופפים זה לזה, נוצרים
ספקטרום רציף.
5

ספקטרום רציף (רציף).

ספקטרום רציף (או רציף) נותן גופים שנמצאים בפנים
מוצק או מצב נוזליוגזים דחוסים מאוד. ל
כדי להשיג ספקטרום רציף, אתה צריך לחמם את הגוף לרמה גבוהה
טֶמפֶּרָטוּרָה. טבעו של הספקטרום הרציף ועצם העובדה שלו
הקיום נקבע לא רק על ידי המאפיינים של הפרט
פולטים אטומים, אך גם תלויים מאוד ב
אינטראקציות של אטומים זה עם זה. הספקטרום הרציף נותן
גם פלזמה בטמפרטורה גבוהה. גלים אלקטרומגנטיים
נפלטים מפלסמה בעיקר בהתנגשות של אלקטרונים עם יונים.
6

פסים ספקטרה

המולקולות הפשוטות ביותר מאופיינות בפסים נפרדים
ספקטרה המורכבת מרצועות צרות פחות או יותר עם קומפלקס
מבנה קו. כדי לצפות בספקטרום מולקולרי
זהה לתצפית על ספקטרום קווים, בדרך כלל משתמשים
זוהר של אדים בלהבה או זוהר של פריקת גז. על ידי שימוש ב
מנגנון ספקטרלי טוב מאוד, ניתן למצוא שכל אחד מהם
הלהקה היא אוסף מספר גדולמאוד צפוף
קווים מסודרים מופרדים על ידי פערים כהים. זֶה
ספקטרום פסים. שלא כמו ספקטרום קווים, פסים
הספקטרים ​​נוצרים לא על ידי אטומים, אלא על ידי מולקולות שאינן קשורות או חלשות
מחוברים זה לזה.
7

השלב הראשון של הפיתוח. אייזק ניוטון

8
סר אייזק ניוטון מצא לראשונה את התיאוריה שלו
אור ופרחים עוד בשנת 1666. לאחר העברת הכיסא לפרופסור בארו אליו ב
קיימברידג' בשנת 1669, הוא בחר בזה כנושא שלו
הרצאות פומביות באוניברסיטה זו. בשנת 1671 הוא
תיאר את הטלסקופ המחזיר ב"פילוסופי
עסקאות". יחד עם זאת, הוא הניח
לפרסם את הרצאותיו על אופטיקה, שבהן
שאלות אלו טופלו בצורה מלאה יותר יחד עם המסכת
על סדרות ושטפים. אבל המחלוקות שעלו, שמהן הוא
סבל מאוד, אילץ אותו לוותר על זה
כוונות. היה לו פחד כזה
כל מה שנראה כמו ריב שהוא קבוע
ההתעקשות של חברים לא הצליחה לגרום לו להדפיס
ספרו "אופטיקה" לפני 1704. באשר
"הרצאות", הם הונחו, בזמן שהם
לקרוא בארכיון האוניברסיטה. הם נלקחו מהם
עותקים רבים שעברו מיד ליד
מתעניינים בנושא.

היסטוריה של התרחשות

אייזק ניוטון "אופטיקה"
"הרצאות על אופטיקה" ו
"תיאוריה חדשה של אור ו
צבעים"
(1669-1672)
בשנת 1704, אייזק ניוטון באופטיקה שלו
פרסם את תוצאות ניסויי הפירוק שלו עם
שימוש בפריזמת אור לבן לתוך רכיבים בודדים
צבעוניות ושבירה שונה, כלומר, התקבלה
ספקטרום של קרינת השמש, והסביר את טבעם,
מראה שצבע הוא תכונה ראויה של האור, ולא
מוצגים על ידי פריזמה, כפי שטען רוג'ר בייקון במאה השלוש עשרה.
באופטיקה הוא תיאר את כל שלוש השיטות שעדיין נמצאות בשימוש היום.
פירוק אור - שבירה, הפרעה
ודיפרקציה, והמנסרה שלו עם קולימטור, חריץ ו
העדשה הייתה הספקטרוסקופ הראשון.
9

10. החברה המלכותית. דוח "תיאוריה חדשה של אור וצבעים", 6 בפברואר 1672

"1. קרני האור נבדלות ביכולת שלהן להראות צבע מסוים זה או אחר, בדיוק כפי שהן שונות
דרגת השבירה. צבעים אינם, כפי שנהוג לחשוב, השינויים של האור שהוא עובר בהם
שבירה או השתקפות מגופים טבעיים, אך הם המאפיינים המקוריים והמולדים של האור. כמה
קרניים מסוגלות לייצר אדום ולא אחר, אחרות צהובות ולא אחרות, אחרות ירוקות ו
שום דבר אחר וכו'.
2. אותו צבע מתייחס תמיד לאותה דרגת שבירה ולהיפך. הקרניים הכי פחות נשברות
מסוגלות לייצר רק צבע אדום, ולהפך, לכל הקרניים שנראות אדומות יש את המעט
שבירה. הקרניים השבורות ביותר נראות סגולות עמוקות ולהפך, קרניים סגולות עמוקות
נשברים יותר מכל, ובהתאם, לקרני הביניים יש דרגות שבירה ממוצעות. החיבור הזה
הצבעים והשבירה כל כך מדויקים וקפדניים שהקרניים מתאימות די בדיוק לגבי שניהם, או
שונה באותה מידה בשניהם.
3. מאז שיכולתי לגלות, סוג הצבע ומידת השבירה הטבועים בכל סוג של קרניים לא יכולים להיות
לא השתנה על ידי שבירה, לא על ידי השתקפות מגופים, ולא על ידי כל סיבה אחרת. כאשר כל סוג של קרניים
נבדל לחלוטין מקרניים מסוג אחר, ואז הוא שמר בעקשנות על צבעו, למרות המאמצים הקיצוניים שלי
שינוי. שברתי אותם בפריזמות והשתקפתי מגופים שבאור הזה נראה שהם בצבע אחר, נתתי להם לעבור
דרך שכבות אוויר צבעוניות דקות המופיעות בין שתי זגוגיות זכוכית שנלחצות זו בזו
לוחות, מאלצים אותם לעבור דרך מדיה צבעונית ודרך מדיה המוארת על ידי סוגים אחרים של קרניים; אבל אף פעם
לא הצלחתי להוציא בקרניים צבע שונה מזה שהיה אופייני להם בהתחלה. בעת איסוף או פיזור
הם נהיו חיים יותר או נחלשים יותר, וכאשר אבדו קרניים רבות, הם נעשו לפעמים כהים לחלוטין, אך צבעם מעולם לא נעלם.
השתנה.
4. שינויים בצבע עשויים להתרחש כאשר יש תערובת של קרניים מסוגים שונים. IN
בתערובות כאלה אי אפשר להבחין ברכיבים בודדים; הם, המשפיעים זה על זה, יוצרים צבע ממוצע. אם נפרדים
שבירה, או בדרך אחרת, הקרניים השונות החבויות בתערובות כאלה, ואז יופיעו צבעים,
תערובות מלבד צביעה; עם זאת, הצבעים הללו לא הופיעו שוב, אלא נראו רק באמצעות הפרדה.
כמובן שבדיוק כמו בעזרת פירוק התערובת, ובשילוב של צבעים פשוטים, אפשר לקרוא
שינויים בצבע: הם גם לא יכולים להיחשב כטרנספורמציות אמיתיות.
5. לכן עלינו להבחין בין שני סוגי פרחים: האחד ראשוני ופשוט, השני מורכב מהם.
הצבעים המקוריים או היסודיים הם אדום, צהוב, ירוק, כחול וסגול, סגול כמו גם כתום,
אינדיגו, ומערך בלתי מוגדר של גוונים ביניהם.
10

11. החברה המלכותית. דוח "תיאוריה חדשה של אור וצבעים", 6 בפברואר 1672

6. צבעים זהים לחלוטין במראה לפשוטים ניתן לקבל על ידי ערבוב: לתערובת של צהוב וכחול נותן
ירוק, אדום עם צהוב - כתום, כתום וירוק צהבהב - צהוב. רק הצבעים האלה
שנמצאים במרחק רב אחד מהשני בספקטרום, אין לתת צבעי ביניים:
כתום ואינדיגו אינם מייצרים ירוקי ביניים, אדומים וירוקים עמוקים אינם מייצרים צהוב.
7. תערובת הצבעים המדהימה והנפלאה ביותר היא הלבן. אין סוג כזה של קרניים, אשר ב
לבד יכול לגרום לבן: הוא תמיד מורכב, וכל האמור לעיל נדרש כדי להשיג אותו.
צבעים בפרופורציות הנכונות. לעתים קרובות ראיתי בהפתעה איך כל הצבעים המנסרים, מתכנסים ו
ערבוב באותו אופן כמו באור הנופל על הפריזמה, הם שוב נתנו אור טהור ולבן לחלוטין,
אשר היה שונה באופן ניכר מאור שמש ישיר רק כאשר המשקפיים בשימוש לא
היו ברורים וחסרי צבע לחלוטין.
8. זו הסיבה מדוע האור הוא בדרך כלל לבן; כי האור הוא תערובת סבוכה של קרניים מכל הסוגים
ופרחים שנזרקו מהם חלקים שוניםגופים זוהרים. תערובת מורכבת כזו נראית לבנה כאשר
המרכיבים נמצאים בפרופורציה הנכונה; אם, לעומת זאת, לצבע אחד יש את היתרון, אז האור
נוטה לכיוון הצבע המתאים, כמו, למשל, בלהבה הכחולה של גופרית, הלהבה הצהובה של נר, וב
צבעים שונים של כוכבים קבועים.
9. מכאן ברור כיצד עולים צבעים בפריזמה.
10. מכאן גם ברור מדוע צבעי הקשת מופיעים בטיפות גשם יורדות.
12. מכאן ברורה הסיבה לאותה חוויה מדהימה עליה מדווח מר הוק ב"מיקרוגרפיה". אם
לשים אחד אחרי השני שני כלים שקופים עם שני נוזלים שקופים, כחול ואדום, ואז ביחד
הם נראים אטומים לחלוטין. כלי אחד עובר רק אדום, השני רק קרניים כחולות,
לכן אין קרניים יכולות לעבור דרך שניהם יחד.
13. אני יכול להוסיף עוד דוגמאות רבות מהסוג הזה, אבל אסיים במסקנה הכללית שצבעים של גופים טבעיים
באים רק מהיכולת השונה של גופים לשקף סוגים מסוימים של אור בכמות שונה מזו
אַחֵר. ואת זה הוכחתי על ידי יציקת צבעים פשוטים על גופים בחדר חשוך.
אחרי כל זה כבר אי אפשר להתווכח אם צבעים קיימים בחושך ואם הם מאפיינים
גופים שאנו רואים, או אולי האור הוא גוף.
... ראינו שהגורם לצבעים הוא לא בגופים, אלא באור, לכן יש לנו סיבה מוצקה להאמין
אור הוא חומר... אולם לא כל כך קל לקבוע בוודאות ובשלמות מהו אור, מדוע הוא
נשבר, ובאיזה אופן או פעולה הוא מעורר בנפשנו את ייצוג הצבעים; אני לא רוצה להיות כאן
לבלבל ספקולציות בוודאות.
11

12. גילוי ספקטרום פליטה וספיגה בדידים

וולסטון הבחין לראשונה
קווים כהים בשמש
ספֵּקטרוּם. הוא ראה בהם
"גבולות פרחים"
ויליאם הייד וולסטון (1766-1828)
- מדען אנגלי שגילה פלדיום (1803) ורודיום (1804), קיבל לראשונה
(1803) פלטינה טהורה. גילתה (1801) קרינה אולטרה סגולה,
עיצב רפרקטומטר (1802) וגוניומטר (1809). עבודתו מסורה
כימיה אנאורגנית, כמו גם פיזיקה, אסטרונומיה, בוטניקה ורפואה.
וולסטון הציע טכניקת מתכות אבקה מקורית שציפתה
דרכים מודרניות ייצור תעשייתיפלטינה, מוליבדן,
טונגסטן ומתכות אחרות.
12

13. גילוי ספקטרום בדידות. פראונהופר

בשנת 1814 גילה פראונהופר מאות רבות
קווים כהים בספקטרום השמש - קווים
ספיגה (קווים פראונהופר). רוב
קווים עזים שהוא ייעד בלטינית
אותיות. אורכי הגל שלהם נמדדו
פראונהופר. נמצא גם אור
קווים - קווי פליטה - בספקטרום של להבות ו
ניצוצות
13

14. שלב שני. חוק קירכהוף.

גוסטב רוברט קירכהוף (03/12/1824-17/10/1887)
פעילותו המדעית של קירכהוף כיסתה רבות
מקטעים
פיזיקה.
שֶׁלוֹ
עֲבוֹדָה
מסור
חשמל, מכניקה, אופטיקה, מתמטיקה
פיזיקה, תורת האלסטיות, הידרודינמיקה. רוב
ידועים הם - התיאוריה הכללית של התנועה הנוכחית
במוליכים ואחד מחוקי היסוד של התרמית
קְרִינָה.
רוברט וילהלם בונסן (1811-1899)
בשנת 1854, הוא המציא מבער שנתן נקי ו
להבה חסרת צבע. לכן, כאשר הוכנס לתוכו חומר כלשהו, ​​שינוי צבע נראה בבירור.
לְעוֹרֵר. לדוגמה, החדרת גרגירי סטרונציום
מלח נתן אש ארגמנית בוהקת. סידן -
לבנה אדומה; בריום - ירוק; נתרן - צהוב בהיר.
14

15. ניסויים של קירכהוף ובונסן

ספקטרוסקופ קירכהוף-בונסן, Annalen der Physik und der
Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860).
15
גילוי שיטה אופטית לחקר ההרכב הכימי של גופים ו
מצבם הגופני תרם לזיהוי חדש
יסודות כימיים (אינדיום (In), צסיום (Cs), רובידיום (Rb), הליום
(הוא), תליום (Tl) וגליום (Ga)), הופעתה של האסטרופיזיקה.
קירכהוף הראה את זה עם ניתוח ספקטרליפחית
לקבוע את ההרכב הכימי של גרמי השמיים והסבירו את החושך
להקות בספקטרום השמש (קווים פראונהופר). נוסחה
החוק הבסיסי של קרינה תרמית, הציג את מושג המוחלט
גוף שחור.

16. סדירות בסידור הקווים בספקטרום האטומי

1885 באלמר הראה כי אורכי הגל של 13 קווים ספקטרליים
סדרת מימן, ניתן לייצג בדיוק רב
נוּסחָה
רידברג קבע את הנוסחאות עבור הקווים הספקטרליים החשובים ביותר
מתכות אלקליות, המציגות את מספרי הגלים כהבדל בין שניים
מונחים ספקטרליים (אנרגיות שנלקחו עם הסימן ההפוך)
נוסחאות לסדרות הספקטרליות של קייזר, רונגה ופאשן
ב-1908 ניסח ריץ את עקרון השילוב
דלנדרה מצא נוסחאות שקובעות את מיקום הרצועות ב
ספקטרום מולקולרי וסידור הקווים שעליהם אלה
הלהקות מתפרקות עם פיזור מספיק
16

17. הישגים בתחומים קשורים

1860-1865 - גילוי גלי רדיו (קרינה אלקטרומגנטית
אורך גל ארוך)
1869 גילוי של חוק היסודות המחזוריים על ידי מנדלייב
גילוי של קרני רנטגן וקרני גמא (אורכי גל קטנים)
1896 גילוי בקרל של תופעת הרדיואקטיביות
פיזור של גלים אלקטרומגנטיים בחומר, תיאוריה
פיזור נורמלי ואנומלי (Rozhdestvensky,
מחקרי פיזור חריגים)
לורנץ הסביר את תופעת הפיצול של קווים ספקטרליים פנימה
שדה מגנטי (במקרה הפשוט ביותר, לשלושה מרכיבים)
1900 פלאנק העלה לראשונה את ההשערה של קוונטות הקרינה
1905 איינשטיין הציג את מושג הקוונטות כחלקיקים
אור (פוטונים)
1911 המודל של רתרפורד לאטום המורכב מגרעין ואלקטרונים
17

18. דגם האטום לפי רתרפורד

1. במרכז האטום - גרעין טעון חיובי:
מטען גרעיני q = Z e, שבו מספר רצף Zאלמנט ב
טבלה מחזורית,
e =1.6 10-19 C - מטען אלמנטרי;
גודל הגרעין 10-13 ס"מ;
המסה של הגרעין שווה למעשה למסת האטום.
2. אלקטרונים נעים סביב הגרעין במעגליים ו
מסלולים אליפטיים כמו כוכבי לכת מסביב לשמש:
אלקטרונים מוחזקים במסלול על ידי כוח קולומב
משיכה לגרעין, יצירת צנטריפטל
תְאוּצָה.
מספר האלקטרונים באטום הוא Z (מספר סידורי
אֵלֵמֶנט)
אלקטרונים נעים במהירות גבוהה
יוצרים את מעטפת האלקטרונים של האטום.
18
על פי חוקי האלקטרודינמיקה הקלאסית, מטען מאיץ חייב להקרין
גלים אלקטרומגנטיים, בעוד האנרגיה של האטום פוחתת. תוך זמן קצר (בערך 10-8 שניות)
כל האלקטרונים באטום של רתרפורד חייבים לבזבז את כל האנרגיה שלהם וליפול לתוך הגרעין, ו
האטום מפסיק להתקיים.!

19. ההנחות של בוהר. כלל קוונטיזציה

1913 בוהר הציע שהכמויות המאפיינות את עולם המיקרו
חייב להיות כמותי (לקחת ערכים בדידים)
שלוש ההנחות של בוהר "מצילות" את האטום של רתרפורד
חוקי עולם המיקרו הם חוקים קוונטיים! חוקים אלו בתחילת המאה ה-20
עדיין לא הוקמו על ידי המדע. בוהר ניסח אותם כשלושה
מניח את הדעת. משלים (ו"שומר") את האטום של רתרפורד.
הנחה ראשונה:
לאטומים יש מספר מצבים נייחים המקבילים ל
ערכי אנרגיה מסוימים: E1, E2...En. בזמן שהיית בבית החולים
במצב, האטום אינו מקרין אנרגיה, למרות תנועת האלקטרונים.
הנחה שנייה:
במצב נייח של אטום, אלקטרונים נעים לאורך נייח
מסלולים שעבורם מתקיים היחס הקוונטי:
MP n
ח
2
כאשר M p - תנע זוויתי, n=1,2,3..., קבוע של h-Planck.
הנחה שלישית:
פליטה או ספיגת אנרגיה על ידי אטום מתרחשת כאשר היא חולפת
ממצב נייח אחד למשנהו. זה פולט או
חלק מהאנרגיה (קוונטי) נספג, שווה להפרשאנרגיות
מצבים נייחים שביניהם מתרחש המעבר:
hvkn Ek En
19

20. סכימות מעבר אטומים

מהנייח הראשי
מדינה להתרגש
20
מתוך הנרגש
מצב יציב ב
בסיסי

21. השוואה בין שיטות הנדסה אופטיות ורדיו לתיאור תופעות

הנדסת רדיו
21
אוֹפְּטִיקָה
שם של גלים
גלי רדיו
תיאור
הפצה
קלַאסִי
לְהַעֲבִיר
מעבר קוונטי
מדידה
מתח
חשמלי
שדות
עָצמָה
כלים
מעגל, אנטנה,
מוליך גל
עדשה, מראה,
מדריך אור
אוּמדָן
שדה אחיד
סביבה הומוגנית

22. ניתוח ספקטרלי היום

המדע והטכנולוגיה של גלי THz (submm) החלו להתפתח באופן פעיל משנות ה-60
שנות ה-70 של המאה העשרים, כאשר המקורות הראשונים ו
מקלטי קרינה כזו
גָדוֹל
מחקר THz חשוב
ספקטרוסקופיה חומרים שונים, שיאפשר להם למצוא
יישומים חדשים.
טווח ה-THz מכיל את התדרים של מעברים בין רמות
כמה חומרים אנאורגניים(מים, חמצן, CO,
למשל), תנודות גל ארוך של יוני ו
גבישים מולקולריים של תנודות כיפוף של מולקולות ארוכות, ב
כולל פולימרים וביופולימרים. לכן, מעניין במיוחד
מציג מחקר על ההשפעות של קרינת THz על החיים
אורגניזם וחפצים ביולוגיים.
22

23. קרינת תרהרץ

טווח תדרים: 0.1 עד 10 THz
טווח אורכי גל: 3 מ"מ - 30 מיקרומטר
טרה ( ייעוד רוסי:T; בינלאומי: T) - אחת הקידומות המשמשות ב
מערכת יחידות בינלאומית (SI) ליצירת שמות וסמלים
כפולות עשרוניות. יחידה ששמה נוצר על ידי
הצמדת הקידומת tera לשם היחידה המקורית, מסתבר ב
התוצאה של הכפלת היחידה המקורית במספר 1012, כלומר. טריליון אחד.
ה- SI אומץ כתחילית על ידי הוועידה הכללית ה-11 לענייני משקלים ומידות ב-1960.
שָׁנָה. השם בא מהמילה היוונית τέρας, שפירושה מפלצת, אם כן
23 יש יחידות עם הקידומת שצוינה "רבות מפלצתיות".

24.

הרלוונטיות של קרינת THz:
ספקטרום של מולקולות ואטומים
24
התדרים בטווח THz הם:
מעברים בין רמות של חומרים אנאורגניים (H2O, O2, CO);
סיבובים ועוררות רטט של ביופולימרים (מולקולות חלבון, DNA);
תנודות גל ארוך של סריג של גבישים יוניים ומולקולריים;
זיהומים בדיאלקטריים ובמוליכים למחצה.

25.

הרלוונטיות של קרינת THz: יתרונות
קרינת טרה-הרץ אינה מייננת, בניגוד
קרינת רנטגן המשמשת באבחון רפואי. IN
יחד עם זאת, רקמות ביולוגיות שונות יש באופן משמעותי
ספיגה שונה בטווח זה, המאפשרת לספק
ניגודיות תמונה.
בהשוואה לקרינה גלויה ו-IR, קרינת טרה-הרץ
הוא גל ארוך, מה שאומר שהוא פחות רגיש ל
פְּזִירָה. כתוצאה מכך, בטווח זה, רבים יבשים
חומרים דיאלקטריים כגון בדים, עץ, נייר,
פלסטיק. לכן, ניתן להשתמש בקרינת טרה-הרץ
בדיקות לא הרסניות של חומרים, סריקה בשדה תעופה וכו'.
בטווח הטרה-הרץ, יש תהודה של סיבוב ו
מעברי רטט של מולקולות רבות. זה מאפשר לבצע
זיהוי מולקולות לפי "טביעות האצבע" הספקטרליות שלהן. IN
בשילוב עם הדמיה (הדמיה) בטרה-הרץ
טווח, זה מאפשר לך לקבוע לא רק את הצורה, אלא גם את הרכב
אובייקט במחקר.
ניתן לזהות קרינת Terahertz בזמן
אזורים, כלומר. ניתן למדוד גם משרעת וגם פאזה של השדה. זֶה
מאפשר לך למדוד ישירות את השינוי שהוכנס על ידי האובייקט הנבדק
שלבים, מה שאומר שהוא מאפשר לך ללמוד תהליכים מהירים ואפילו
לנהל אותם.

26. יישום קרינת THz

נקודות קוונטיות:
מערכות אבטחה:
עירור CT
בקרת CT קוהרנטית
סריקת נוסעים,
מזוודות לחומרי נפץ
חומרים, נשק, סמים
תקשורת במהירות גבוהה
THz
קְרִינָה
ניטור סביבתי
רְפוּאִי
אבחון:
כדי לזהות סרטן
לבדיקת שיניים
בקרת איכות
תרופות

27.

תרשים עוגה של תחומים מודרניים של מחקר THz
27
Xi-Cheng Zhang, Jingju Shu "Terahertz Photonics", 2016

28. יישומים של SA

מחקר של חומרים אורגניים ואי-אורגניים
28
תרכובות (כימיות, כימיות-פרמצבטיות
ותעשיית זיקוק הנפט)
ייצור פולימרים (ריכוז גבוה במיוחד
זיהומים)
חקר אטומים ומולקולות (קביעת אנרגיות ו
מספרים קוונטיים של מדינות)
מאפיינים פיזיים (לחץ, טמפרטורה,
מהירות תנועה, אינדוקציה מגנטית) גז
עננים וכוכבים - אסטרופיזיקה
קרימינליסטיות
רפואה (אבחון, ניתוח ספקטרלי של דם,
בְּדִיקָה הרכב מינרליםגוף - שיער)
גיאולוגיה (הערכה של אובייקטים שונים)

29. אילו מאפיינים של חומרים ניתן לקבל באמצעות ניתוח ספקטרלי?

הרכב כימי של האובייקט הנחקר
הרכב איזוטופי של האובייקט הנדון
טמפרטורת החומר
ריכוז אולטרה מדויק של זיהומים ב
מונומרים
זמינות שדה מגנטיוהעוצמה שלו
מהירות תנועה וכו'.
ניתוח ספקטרלי מאפשר זאת
לזהות את המרכיבים בחומר
המסה שלו אינה גבוהה מ-10-10

ספקטרוסקופ הוא מכשיר אופטי להשגה, צפייה וניתוח ספקטרום הקרינה.

הספקטרוסקופ הפשוט ביותר יכול להיחשב למנסרה של ניוטון, שבאמצעותה גילה את ספקטרום האור הנראה, שהואלהקה רציפה של שבעה צבעים שונים, מסודר ברצף: אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו, סגול.אבל עם המכשיר שלךניוטון רק קבע שאור לבן גלוי מורכב מצבעים שונים, אך לא יכול היה לחקור את הפרמטרים של גלי צבע.

איך עובד ספקטרוסקופ

היוצר הראשון של הספקטרוסקופ נחשב הפיזיקאי הגרמני יוסף פראונהופר. המערך הספקטרוסקופי שיצר היה חריץ בתריס שדרכו נפל אור השמש על פריזמה. ספקטרום הצבעים לא הוקרן על המסך, אלא נפל לתוך העדשה של טווח תצפית שהותקן מאחורי מנסרה. לפיכך, המדען צפה בזה באופן סובייקטיבי.

מאוחר יותר, הספקטרוסקופ הפשוט ביותר נבנה על פי העיקרון הזה, שהורכב ממנו 2 צינורות ומנסרת זכוכית משולשת מונחת ביניהם. הצינור הראשון נקרא ל אולימטור . בקצה אחד היה לו חרך צר שדרכו נכנס אור אליו. בקצה השני שלה הייתה עדשה דו קמורה. לאחר מעבר העדשה, האור עוזב אותה בקרנות מקבילות ומופנה אל המנסרה. לאחר מכן, מפורק לספקטרום על ידי פריזמה, הוא נפל לתוך הצינור השני, שהיה היקף זיהוי רגיל.

לאחר מכן, כדי לחקור את הספקטרום, פראונהופר החל להשתמש לא במנסרות, אלא בסורגים של עקיפה העשויים מחוטי המתכת הדקים ביותר, המרוחקים זה מזה. אלומת אור דקה בחדר חשוך, שעברה דרך סורג כזה, התפרקה לספקטרום.

ניתוח ספקטרלי

יוסף פראונהופר

מושא המחקר של פראונהופר היה אור השמש. בשנת 1814 גילה המדען קווים כהים ברורים בספקטרום השמש הרציף. הוא ראה את אותם קווים בספקטרום של נוגה וסיריוס, כמו גם מקורות אור מלאכותיים.

אני חייב לומר שאפילו 12 שנים לפני כן,V 1802, אותם קווים בספקטרום השמש התגלו על ידי מדען אנגליוויליאם הייד וולסטון (וולסטון)לומד אור שמש עם קמרה אובסקורה. הוא חשב שאלו קווים המפרידים בין צבעי הספקטרום, ולכן לא ניסה למצוא הסבר להופעתם.

כמו וולסטון, גם פראונהופר לא הצליח להסביר את טבעם של הקווים האפלים. אבל שורות אלה החלו להיקרא קווים של פראונהופר , והספקטרום עצמו ספקטרום פראונהופר .

בשנת 1854 כימאי ניסיוני גרמנירוברט וילהלם בונסן המציא מבער המסוגל לייצר להבה לבנה טהורה מאוד. מה הייתה המטרה של מבער כזה? מסתבר שאטומים של יסודות כימיים שונים פולטים אור באורכי גל שונים. ואם חומר מחומם בלהבה טהורה כזו, אז הלהבה תצבע פנימה צבעים שונים. לדוגמה, נתרן ייתן להבה צהובה בהירה, אשלגן - סגול, בריום - ירוק. חוויה זו נקראת בדיקת צבע להבה. לפי צבע הלהבה נקבע ההרכב הכימי של חומר באותם ימים. אבל אם חומר מורכב המורכב מכמה אלמנטים הוכנס לתוך הלהבה, אז זה היה די קשה לקבוע במדויק את צבעו.

רוברט וילהלם בונסן

בשנת 1859 עמיתו של בונסן, אחד הפיזיקאים הגדולים XIX המאה, גוסטב רוברט קירכהוף, הציע לחקור לא את צבעה של להבה שצבעה באדים של מלחים מתכתיים, אלא את הספקטרום שלה. אומרים שבונסן וקירצ'הוף הכינו את הספקטרוסקופ הראשון שלהם על ידי ניסור טלסקופ לשניים והנחת החצאים בחורים שנעשו בקופסת סיגרים המכילה פריזמת זכוכית. אם זה באמת היה כך, קשה לומר, אבל בעזרת ספקטרוסקופ הצליחו להמשיך בניסויים לקביעת ספקטרום היסודות הכימיים, שאפשרו לקבוע את סיבת ההופעהקווים של פראונהופר .

גוסטב רוברט קירכהוף

מדענים החלו לחמם דגימות של יסודות כימיים בלהבה לבנה טהורה, ולאחר מכן העבירו מהן קרני אור דרך פריזמה כדי לקבל את הספקטרום שלהן. להפתעתם, הם גילו שאורכם ותדירותם של כמה קווי אור בהירים בספקטרום של יסודות אלה עולים בקנה אחד עם אורכם ותדירותם של קווי פראונהופר הכהים בספקטרום השמש. וזה היה המפתח להתיר את טיבם של קווים אלו.

העניין הוא שאלמנט כימי סופג קרניים באותה תדירות שהוא פולט בעצמו. זה אומר שבקורונה השמש נמצאים יסודות כימיים, אשר סופגים חלק מהספקטרום הסולארי בעל אותה תדירות פליטה. כלומר, הקווים הספקטרליים מאפיינים את היסודות הכימיים הפולטים אותם. מכיוון שלכל יסוד יש ספקטרום משלו, השונה מהספקטרום של יסודות אחרים, על ידי בחינת הספקטרום של גרמי השמיים, ניתן לקבוע את הרכבם הכימי.

ככה זה התחיל ניתוח ספקטרלי , מה שאיפשר לקבוע מרחוק את ההרכב האיכותי והכמותי של האובייקט הנחקר.

ספקטרוסקופ קירכהוף-בונסן

מאוחר יותר, נבנה בספקטרוסקופ סולם עם חלוקות המצביעות על אורכי גל.

ספקטרוסקופ מכונה לעתים קרובות מכשיר שולחני, שבעזרתו בוחנים ידנית חלקים של ספקטרום שונים. ספקטרוסקופ המסוגל להקליט ספקטרום לניתוח נוסף באמצעות שיטות שונות, נקרא ספקטרומטר . אם העינית של הספקטרוסקופ מוחלפת במכשיר הקלטה (לדוגמה, מצלמה), אז נקבל ספקטרוגרף .

ספקטרומטרים מסוגלים לבחון ספקטרום בטווח אורכי גל רחב: מגמא ועד קרינת אינפרא אדום.

כמובן, ספקטרוסקופים מודרניים שונים מאבותיהם. ולמרות שיש להם שינויים רבים, הפונקציות שלהם נשארות זהות.

השימוש בספקטרוסקופים

הספקטרוסקופ הוא הכלי העיקרי של הספקטרוסקופיה. כימאים ואסטרונומים לא יכולים בלי ספקטרוסקופ. זה יכול לשמש כדי לקבוע את ההרכב הכימי של חומר, את מבנה פני השטח, פרמטרים פיזייםחפץ, חקור חפצי חלל הממוקמים במרחקים גדולים מאיתנו.

הגירוי לחקר ההרכב הספקטרלי של הקרינה היה גילוי החלקים האינפרא אדום והאולטרה סגול של ספקטרום קרינת השמש.
בשנת 1800 הטיל המדען האנגלי ויליאם הרשל את המשימה להבהיר את אופי התפלגות הפעולה התרמית של חלקים שונים של ספקטרום קרינת השמש. ההנחה הייתה שכל חלקי הספקטרום מחוממים באופן שווה. הרשל החליט לבדוק אם זה כך, וערך ניסוי שעדיין מוצג בבתי ספר ברחבי העולם: מדחום רגיש נע בכל חלקי הספקטרום הרציף שנותן לשמש או כל גוף חם (כיום קשת חשמלית). הניסוי נתן תוצאות מדהימות. התברר שהטמפרטורה שצוין על ידי המדחום לא רק עלתה ברציפות מהחלק האולטרה-סגול לאדום, אלא שהמקסימום שלה הושג רק כשעבר מעבר לחלק האדום של הספקטרום, שבו העין לא צפה בכלום. כך התגלתה קרינת אינפרא אדום.
בשנת 1802, הפיזיקאי הגרמני יוהאן ריטר יצא לחקור פעולה כימיתחלקים שונים של הספקטרום הרציף. כגוף מבחן הוא השתמש בכסף כלוריד, שהשחרתו "בפעולת אור השמש התגלתה כבר בשנת 1727. ריטר גילה שהפעולה הכימית גוברת, בניגוד לתרמית, מהקצה האדום לסגול, והמקסימום שלו מושג כשעוברים מעבר לחלק הסגול של הספקטרום.אז התגלתה קרינה אולטרה סגולה.
בשנת 1802 פרסם הפיזיקאי האנגלי Wollaston (1766 - 1828) פרסום שבו דיווח המחבר על התצפית בספקטרום קווים. וולסטון מצא קווים כהים בספקטרום הרציף של קרינת השמש. מ חלקים פנימייםלהבת נר, הוא הבחין בספקטרום המורכב מקווים צבעוניים בודדים.
תגליתו של וולסטון נזכרה רק ב-1815 בקשר לעבודתו של הפיזיקאי הגרמני יוזף פראונהופר (1787 - 1826).
פראונהופר, מדען בעל כישרון ניסיוני נדיר ואינטואיציה פיזית, התחיל כמטחנת זכוכית אופטית והגיע למדידות אופטיות מדויקות. הוא המציא מנגנונים ומכשירי מדידה לסיבוב והברקה של עדשות, מצא שיטה לקביעת צורת העדשות, שיפר את הטלסקופ האכרומטי, יצר סורגים עקיפה והכניס אותם לפרקטיקה של מחקרים ספקטרוסקופיים. לפיכך, פראונהופר הניח את הבסיס לספקטרוסקופיה.
ללא תלות בוולסטון, הוא גילה את קיומם של קווים כהים בספקטרום השמש (הם נכנסו לפיזיקה בשם קווי פראונהופר) והחל במחקר הכמותי שלהם. באמצעות הספקטרוסקופ ורשתות העקיפה שלו, הוא ביצע את המדידות המדויקות הראשונות של אורכי הגל של קווים ספקטרליים ועידן את מדדי השבירה של חומרים שונים.
תשומת לב מיוחדת נמשכה לקו שנמצא בחלק הצהוב של הספקטרום של פולטים רבים. היא קיבלה שם מיוחד D-line. בשנת 1815 גילה פראונהופר תגלית, שחשיבותה התבררה מאוחר יותר, כי מיקומו של קו D האור של הספקטרום של להבת מבער נפט עולה בקנה אחד עם מיקומו של הקו הכהה (Fraunhofer) של ספקטרום השמש. הוא גם קבע את עובדת זהות הספקטרום המתקבל מהירח ומכוכבי הלכת ואת ההבדל ביניהם מספקטרום הכוכבים.
בשנת 1834, פוקס טלבוט (1800 - 1877) - מממציא הצילום - לאחר מחקרים רבים על הספקטרום של להבת האלכוהול, שבהם הומסו מלחים שונים, הגיע למסקנה הבאה: "כאשר מופיעים קווים ספציפיים ב הספקטרום של הלהבה, הם מאפיינים את המתכת הכלולה בלהבה." לפיכך, הופיע הרעיון הראשון שניתוח אופטי מאפשר לקבוע את ההרכב הכימי של החומר הפולט.
בשנת 1835, C. Wheatstone (1802 - 1875), חוקר את הספקטרום של ניצוץ חשמלי, מאשר את הרעיון של טלבוט: קווי הספקטרום תלויים רק באיכות האלקטרודות, ולכל חומר יש ספקטרום משלו.
בשנת 1849, ל. פוקו קבע את צירוף המקרים של אורכי הגל של קו Fraunhofer D והקו הצהוב בספקטרום של נתרן.
בשנת 1853, A. Angstrom (1814-1874) הראה שלקרינה של גז ליבון יש אותה שבירה כמו לקרינה הנספגת בגז זה; על ידי הורדת לחץ הגז ניתן לקבל את ספקטרום הפליטה האופייני לו.
בשנת 1857, W. Swan קבע כי בספקטרום של כל חומר ניתן לציין קו אופייני מסוים עם מיקום ללא שינוי.
לאחר הצטברות העובדות, הגיע ניתוח תיאורטי, שהוביל להכללתן לחוק טבע אחד. זה נעשה על ידי הפיזיקאי הגרמני הגדול גוסטב רוברט קירכהוף (1824 - 1887).
קירכהוף נולד בקניגסברג. כבר סטודנט, לאחר שפרסם עבודה מדעיתשזכו לתהילה עולמית. הוא הגן על עבודת הדוקטורט שלו ב-1848 בברלין. מ-1850 עד 1854 הוא היה פרופסור יוצא דופן בברסלאו. כאן הוא פגש את הכימאי רוברט בונסן (1811-1899), שלקח אותו איתו להיידלברג, מקום הולדתו של הניתוח הספקטרלי. לאחר שנבחר לחבר באקדמיה של ברלין, היה קירכהוף ב-1874 עד ימי חייו האחרונים פרופסור לפיזיקה בברלין.
קירכהוף היה תיאורטיקן ונסיין מצטיין. הוא השיג תוצאות יסודיות בתחומים רבים בפיזיקה, אך "עקרון הניתוח הספקטרלי" שהתגלה על ידו התפרסם במיוחד.
קירכהוף ראה לראשונה במגוון המגוון של עובדות ניסוי את פעולתו של חוק טבע יחיד. ההתחלה הונחה על ידי התערבות המקור של קווי פראונהופר (1859).
קירכהוף הקים את הניסוי הבא: הוא צפה בקו פראונהופר הכהה של קרינת השמש דרך ספקטרוסקופ. לאחר מכן, מול החריץ של הספקטרוסקופ, הוצבה להבת מבער עם מלח שולחני. אור השמש עובר דרך אדי נתרן לפני שהוא נכנס לספקטרוסקופ. במקביל הופיע קו צהוב בוהק במקום הקו הכהה. כך, התגלתה תופעה שנכנסה לפיזיקה בשם השפעת היפוך קווים ספקטרליים.
קירכהוף נתן את ההסבר הבא לאפקט ההמרה. בהרכב קרינת השמש ישנו מרכיב השייך לקרינת הנתרן. במעבר באטמוספירה של כדור הארץ היא נספגת, ובספקטרום מופיעה טבילה במקום הקו הצהוב - קו כהה. כאשר עוברים דרך אדי נתרן, קרינת השמש מועשרת שוב ברכיב צהוב, וקו ה-D הופך בהיר.
מכאן הצעד המכריע לקראת עקרון הניתוח הספקטרלי. ב-On Fraunhofer Lines (1859), קירכהוף כתב:
"אני מסיק שהקווים הכהים של ספקטרום השמש, שאינם נגרמים על ידי האטמוספירה של כדור הארץ, נוצרים עקב הימצאות באטמוספירה הסולארית החמה של אותם חומרים שבספקטרום הלהבה נותנים קווים בהירים במקום הקווים הכהים. של ספקטרום השמש. יש להניח שהקווים הבהירים של הספקטרום, החופפים לקווי ה-D של ספקטרום השמש, נובעים מנוכחות נתרן בלהבה; קווי ה-D הכהים של ספקטרום השמש מאפשרים לנו אפוא להסיק שהנתרן נמצא באטמוספירה הסולארית. ברוסטר נמצא בספקטרום. קווי להבת מלח במקום קווי פראונהופר A ו-B; קווים אלו מצביעים על נוכחות של אשלגן באטמוספירה הסולארית. מהתצפית שלי שרצועת הליתיום האדומה אינה מתאימה לאף קו כהה בספקטרום השמש, נובע בסבירות שהליתיום "נעדר באטמוספירה הסולארית או מופיע בכמויות קטנות יחסית".
קירכהוף קבע התאמה בין הספקטרום לאיכות המקור המקרין. היא פתחה אפשרות בולטת לנתח את מקור הקרינה, וניתן היה שלא לשקול את שאלת מנגנון הקרינה.
במכתב לאחיו, כימאי, אומר קירכהוף: "כרגע אני לומד כימיה בשקידה. כלומר, אני מתכוון לעשות דבר מלבד ניתוח כימי של השמש, ובהמשך, אולי, של הכוכבים הקבועים. היה לי המזל למצוא את המפתח לפתרון הבעיה הזו... צריך להיות אפשרי, מהאור השולח את הגוף, להסיק לגבי ההרכב הכימי שלו...
אם התצפיות הללו נכונות, אזי אפשר יהיה להסתכל לתוך הספקטרום כדי לגלות חומרים שאפשר להשיג אחרת רק בעזרת ניתוח כימי קפדני.
קודמיו של קירכהוף בעצם פתחו את האפשרות לניתוח ספקטרלי במקרים מסוימים. קירכהוף נותן עיקרון כללי. הוא מבין בבירור את משמעותו וממשיך בחיפוש אחר הצדקה ניסויית מקיפה. טבעי הייתה הברית שלו עם הכימאי ר' בונסן בפיתוח שיטות של ניתוח ספקטרלי.
למרות שכבר היה ידוע על קיומו של קשר בין הספקטרום להרכב הכימי של החומר הפולט, איש עדיין לא הוכיח שהקשר הזה הוא אוניברסלי ותמיד נותן תוצאה חד משמעית, למשל, שאם קיים נתרן ב פולט חומר מכל הרכב, הספקטרום של האחרון צריך להכיל קווי נתרן, ללא קשר לאיכות הלהבה שמסעירה את הזוהר שלה. זה דרש עבודת ניסוי קפדנית.
קירכהוף ובונסן ערכו יחד מחזור גדול של מחקרים על הספקטרום של מתכות אלקליות ואדמה אלקליין ובאמצע 1860 כבר יכלו להסיק: "מגוון התרכובות שכללו מתכות, המגוון תהליכים כימייםהמתרחש בלהבות שונות, וטווח טמפרטורות עצום - לכל זה אין השפעה על מיקום הקווים הספקטרליים של מתכות בודדות.
התבססה הרגישות הפנטסטית של השיטה החדשה של ניתוח כימי. המכשיר זיהה נוכחות של כמות לא משמעותית של זיהומים בתערובת. התגלתה קיומן של שתי מתכות אלקליות חדשות, רובידיום וצסיום.
בעבודתו משנת 1861 "מחקר ספקטרום השמש וניתוח האטמוספירה הסולארית", שבוצע עם ספקטרוסקופ משופר, קבע קירכהוף את צירוף המקרים של הקווים של מספר יסודות כימיים עם קווי פראונהופר של הספקטרום והיה מסוגל לדבר. על תחילת הניתוח הכימי של השמש והכוכבים.
הערה מתודולוגית.ניתוח ספקטרלי הוא השיטה העיקרית של מחקר פיסיקלי וכימי של הרכב החומר, מבנה האטומים והמולקולות. ברור שסיפור הגילוי של זה השיטה החשובה ביותרחקר הטבע צריך להיות יסודי במיוחד. זה צריך לעסוק לא רק ברצף של תגליות. ההיסטוריה של הניתוח הספקטרלי מספקת חומר עשיר במיוחד להצגת מנגנון הגילוי הפיזי, מהות השיטה המובילה תגלית מדעיתוכתוצאה מכך, חינוך להשקפת עולם דיאלקטית-חומרית.

האם תהיתם פעם איך אנחנו יודעים על תכונותיהם של גרמי שמים רחוקים?

אתה בוודאי יודע שאנחנו חייבים ידע כזה לניתוח ספקטרלי. עם זאת, לעתים קרובות אנו מזלזלים בתרומתה של שיטה זו להבנת עצמה. הופעתו של ניתוח ספקטרלי הפכה פרדיגמות מבוססות רבות לגבי המבנה והמאפיינים של העולם שלנו.

הודות לניתוח ספקטרלי, יש לנו מושג על קנה המידה והפאר של הקוסמוס. הודות לו, הפסקנו להגביל את היקום לשביל החלב. ניתוח ספקטרלי גילה לנו מגוון גדול של כוכבים, סיפר לנו על לידתם, התפתחותם ומותם. שיטה זו עומדת בבסיס כמעט כל התגליות האסטרונומיות המודרניות ואף עתידיות.

למד על הבלתי מושג

לפני מאתיים שנה, מקובל היה שההרכב הכימי של כוכבי לכת וכוכבים יישאר לנו לנצח בגדר תעלומה. ואכן, בהשקפה של אותן שנים, חפצי חלל תמיד יישארו בלתי נגישים עבורנו. כתוצאה מכך, לעולם לא נקבל דגימת בדיקה של כוכב או כוכב לכת, ולעולם לא נדע על הרכבם. גילוי הניתוח הספקטרלי הפריך לחלוטין תפיסה מוטעית זו.

ניתוח ספקטרלי מאפשר לך ללמוד מרחוק על מאפיינים רבים של עצמים מרוחקים. מטבע הדברים, ללא שיטה כזו, אסטרונומיה מעשית מודרנית היא פשוט חסרת משמעות.

קווים על הקשת

קווים כהים על הספקטרום של השמש הבחינו עוד בשנת 1802 על ידי הממציא וולסטון. עם זאת, המגלה עצמו לא התעכב במיוחד על קווים אלה. המחקר והסיווג הנרחבים שלהם בוצעו בשנת 1814 על ידי פראונהופר. במהלך הניסויים שלו, הוא שם לב שלשמש, סיריוס, נוגה ומקורות אור מלאכותיים יש מערכת קווים משלהם. משמעות הדבר היא שהקווים הללו תלויים אך ורק במקור האור. הם אינם מושפעים מאטמוספירת כדור הארץ או מתכונות המכשיר האופטי.

טבעם של קווים אלו התגלה בשנת 1859 על ידי הפיזיקאי הגרמני קירכהוף יחד עם הכימאי רוברט בונסן. הם יצרו קשר בין הקווים בספקטרום השמש לבין קווי הפליטה של ​​האדים של חומרים שונים. אז הם גילו תגלית מהפכנית שלכל יסוד כימי יש מערכת קווים ספקטרליים משלו. לכן, על ידי קרינה של כל עצם, אפשר ללמוד על הרכבו. כך נולד ניתוח ספקטרלי.

במהלך העשורים הבאים, הודות לניתוח ספקטרלי, התגלו יסודות כימיים רבים. אלה כוללים הליום, שהתגלה לראשונה בשמש, וכך קיבל את שמו. לכן, בתחילה הוא נחשב אך ורק לגז סולארי, עד ששלושה עשורים לאחר מכן התגלה על פני כדור הארץ.

שלושה סוגים של ספקטרום

מה מסביר את ההתנהגות הזו של הספקטרום? התשובה טמונה בטבעה הקוונטי של הקרינה. כידוע, כאשר אטום סופג אנרגיה אלקטרומגנטית, האלקטרון החיצוני שלו עובר לרמת אנרגיה גבוהה יותר. באופן דומה, עם קרינה - עד נמוך יותר. לכל אטום יש הבדל משלו ברמות האנרגיה. מכאן תדירות הספיגה והפליטה הייחודית לכל יסוד כימי.

בתדרים אלו הוא מקרין ופולט גז. יחד עם זאת, גופים מוצקים ונוזליים, בחימום, פולטים ספקטרום מלא, ללא תלות בהרכבם הכימי. לכן, הספקטרום המתקבל מחולק לשלושה סוגים: רציף, ספקטרום קו וספקטרום ספיגה. בהתאם לכך, גופים מוצקים ונוזליים מקרינים ספקטרום רציף, גזים פולטים ספקטרום קו. ספקטרום הספיגה נצפה כאשר הקרינה הרציפה נספגת בגז. במילים אחרות, קווים רב צבעוניים על הרקע הכהה של ספקטרום הקווים יתאימו לקווים כהים ברקע רב הצבעים של ספקטרום הקליטה.

זה ספקטרום הספיגה שנצפה בשמש, בעוד גזים מחוממים פולטים קרינה עם ספקטרום קו. זה מוסבר על ידי העובדה שהפוטוספירה של השמש, למרות שהיא גז, אינה שקופה לספקטרום האופטי. תמונה דומה נצפית בכוכבים אחרים. מעניין, במהלך המלא ליקוי חמההספקטרום של השמש הופך ליניארי. ואכן, במקרה זה, הוא מגיע מהשכבות החיצוניות השקופות שלו.

עקרונות ספקטרוסקופיה

ניתוח ספקטרלי אופטי הוא פשוט יחסית בביצוע טכני. הבסיס לעבודתו הוא פירוק הקרינה של האובייקט הנחקר וניתוח נוסף של הספקטרום המתקבל. באמצעות מנסרת זכוכית, ביצע אייזק ניוטון בשנת 1671 את הפירוק ה"רשמי" הראשון של האור. הוא גם הכניס את המילה "ספקטרום" לשימוש מדעי. למעשה, כשהניח את האור באותו אופן, וולסטון הבחין בקווים שחורים על הספקטרום. גם ספקטרוגרפים עובדים על עיקרון זה.

פירוק האור יכול להתרחש גם בעזרת רשתות עקיפה. ניתוח נוסף של האור יכול להתבצע במגוון שיטות. בתחילה, צינור תצפית שימש לכך, ולאחר מכן מצלמה. כיום, הספקטרום המתקבל מנותח על ידי מכשירים אלקטרוניים בעלי דיוק גבוה.

עד כה, דיברנו על ספקטרוסקופיה אופטית. עם זאת, ניתוח ספקטרלי מודרני אינו מוגבל לטווח זה. בתחומים רבים של מדע וטכנולוגיה, נעשה שימוש בניתוח ספקטרלי של כמעט כל סוגי הגלים האלקטרומגנטיים - מרדיו ועד קרני רנטגן. באופן טבעי, מחקרים כאלה מבוצעים במגוון שיטות. ללא שיטות שונות של ניתוח ספקטרלי, לא היינו יודעים פיזיקה מודרנית, כימיה, רפואה וכמובן, אסטרונומיה.

ניתוח ספקטרלי באסטרונומיה

כפי שצוין קודם לכן, מהשמש החל המחקר של קווים ספקטרליים. לכן, אין זה מפתיע שחקר הספקטרום מצא מיד את יישומו באסטרונומיה.

כמובן, הדבר הראשון שאסטרונומים עשו היה להשתמש בשיטה זו כדי לחקור את הרכבם של כוכבים וחפצי חלל אחרים. אז לכל כוכב יש מעמד ספקטרלי משלו, המשקף את הטמפרטורה וההרכב של האטמוספירה שלו. כמו כן נודעו הפרמטרים של האטמוספירה של כוכבי הלכת מערכת השמש. אסטרונומים התקרבו להבנת טבען של ערפיליות גז, כמו גם של עצמים ותופעות שמימיים רבים אחרים.

עם זאת, בעזרת ניתוח ספקטרלי, אפשר ללמוד לא רק על ההרכב האיכותי של אובייקטים.

למדוד מהירות

אפקט דופלר באסטרונומיה אפקט דופלר באסטרונומיה

אפקט דופלר פותח תיאורטית על ידי הפיזיקאי האוסטרי ב-1840, שעל שמו נקרא. ניתן לראות השפעה זו על ידי האזנה לקרן של רכבת חולפת. גובה הצופר של רכבת מתקרבת יהיה שונה במידה ניכרת מהצופר של רכבת יוצאת. בערך כך הוכח תיאורטית אפקט הדופלר. ההשפעה היא שעבור המתבונן אורך הגל של המקור הנע מעוות. היא מתגברת ככל שהמקור מתרחק ומצטמצמת ככל שהוא מתקרב. לגלים אלקטרומגנטיים יש תכונה דומה.

כשהמקור מתרחק, כל הפסים הכהים בספקטרום הפליטה שלו עוברים לכיוון הצד האדום. הָהֵן. כל אורכי הגל גדלים. באותו אופן, כשהמקור מתקרב, הם עוברים לצד הסגול. לפיכך, זה הפך לתוספת מצוינת לניתוח ספקטרלי. כעת ניתן היה ללמוד מהקווים בספקטרום את מה שנראה בעבר בלתי אפשרי. מדוד את המהירות של עצם חלל, חשב את פרמטרי המסלול של כוכבים כפולים, מהירויות סיבוב פלנטריות ועוד ועוד. אפקט ההיסט לאדום מילא תפקיד מיוחד בקוסמולוגיה.

גילויו של המדען האמריקני אדווין האבל דומה לפיתוח המערכת ההליוצנטרית של העולם על ידי קופרניקוס. על ידי בחינת הבהירות של קפאידים בערפיליות שונות, הוא הוכיח שרבות מהן ממוקמות הרבה יותר משביל החלב. בהשוואה בין המרחקים שהתקבלו מהספקטרום של הגלקסיות, האבל גילה את החוק המפורסם שלו. לדבריו, המרחק לגלקסיות הוא פרופורציונלי למהירות סילוקן מאיתנו. אמנם דינו שונה במקצת מ רעיונות מודרניים, הגילוי של האבל הרחיב את קנה המידה של היקום.

ניתוח ספקטרלי ואסטרונומיה מודרנית

כיום כמעט ולא מתקיימת תצפית אסטרונומית ללא ניתוח ספקטרלי. בעזרתו גלה כוכבי לכת חדשים והרחיב את גבולות היקום. ספקטרומטרים נושאים רוברים ובדיקות בין-כוכביות, טלסקופי חלל ולווייני מחקר. למעשה, ללא ניתוח ספקטרלי, לא תהיה אסטרונומיה מודרנית. היינו ממשיכים להציץ אל האור חסר הפנים הריק של הכוכבים, שעליו לא נדע דבר.