Фотон. Квант. Спектр

До середины XX века нашим знаниям о Вселенной мы были обязаны почти исключительно загадочным световым лучам. Словно незримые нити, они связывают нас с небесными светилами, а загадочными их можно назвать потому, что природа световых волн еще до конца не познана. С одной стороны, свет - это электромагнитные волны; с другой - свет излучается и поглощается отдельными "порциями". Поэтому луч света можно рассматривать и как волну, и как поток частиц вещества, получивших название фотонов или квантов.

Световая волна, как и всякая другая волна, характеризуется частотой V и длиной волны λ. Между этими физическими параметрами существует простая зависимость:

Vλ=C

где с - скорость света в вакууме (пустоте). А энергия фотонов пропорциональна частоте излучения.

В природе световые волны распространяются лучше всего в просторах Вселенной, так как там на их пути меньше всего помех. И человек, вооружившийся оптическими приборами, научился читать загадочные световые письмена. С помощью специального прибора - спектроскопа, приспособленного к телескопу, астрономы стали определять температуру, яркость и размеры звезд; их скорости, химический состав и даже процессы, происходящие в недрах далеких светил.

Еще Исаак Ньютон установил, что белый солнечный свет состоит из смеси лучей всех цветов радуги. При переходе из воздуха в стекло цветовые лучи преломляются в разной мере. Поэтому если на пути узкого солнечного луча поставить трехгранную призму, то после выхода луча из призмы на экране возникает радужная полоска, которая называется спектром.

Спектр содержит важнейшую информацию об излучающем свет небесном теле. Без всякого преувеличения можно сказать, что астрофизика своими замечательными успехами обязана прежде всего спектральному анализу. Спектральный анализ является в наше время основным методом изучения физической природы небесных тел.

Каждый газ, каждый химический элемент дает свои, только ему одному присущие линии в спектре. Они могут быть похожими по цвету, но обязательно отличаются одна от другой своим расположением в спектральной полоске. Одним словом, спектр химического элемента - это его своеобразный "паспорт". И опытному спектроскописту достаточно лишь взглянуть на набор цветных линий, чтобы определить, какое вещество излучает свет. Следовательно, для определения химического состава светящегося тела нет никакой необходимости брать его в руки и подвергать непосредственным лабораторным исследованиям. Расстояния здесь, пусть даже космические, тоже не помеха. Важно только, чтобы исследуемое тело было в раскаленном состоянии - ярко светилось и давало спектр. А как мы знаем, звезды представляют собой гигантские самосветящиеся газовые шары, и поэтому они как нельзя лучше подходят для изучения спектральным методом.

Исследуя спектр Солнца или другой звезды, астроном имеет дело с темными линиями, так называемыми линиями поглощения. Линии поглощения в точности совпадают с линиями излучения данного газа. Именно благодаря этому по спектрам поглощения можно изучать химический состав Солнца и звезд. Измеряя энергию, излученную или поглощенную в отдельных спектральных линиях, можно провести количественный химический анализ небесных светил, то есть узнать о процентном содержании различных химических элементов. Так было установлено, что в атмосферах звезд преобладают водород и гелий.
Очень важная характеристика звезды - ее температура. В первом приближении о температуре небесного светила можно судить по его цвету. Спектроскопия позволяет определять поверхностную температуру звезд с очень высокой точностью.

Температура поверхностного слоя большинства звезд заключена в пределах от 3000 до 25 000 К.

Возможности спектрального анализа почти неисчерпаемы! Он убедительно показал, что химический состав Земли, Солнца и звезд одинаков. Правда, на отдельных небесных телах некоторых химических элементов может быть больше или меньше, но нигде не было обнаружено присутствие какого-то особого "неземного вещества". Сходство химического состава небесных тел служит важным подтверждением материального единства Вселенной.