Newton kísérletei a fehér fénnyel Sir Isaac Newton (1642–1727)

Az infravörös sugárzás felfedezése 1781: Herschel felfedezi az Uránuszt 1800: Felfedezi az infravörös sugárzást Sir William Herschel (1738 – 1822)

Az UV sugárzás felfedezése 1801 UV Johann Wilhelm Ritter (1776 – 1810) AgCl Ag + Cl• fehér fekete

A fény, mint elektromágneses sugárzás frekvencia, n [Hz] (1 Hz = 1 1/s) Elektromos térerő iránya és nagysága (vektora) Mágneses térerő iránya és nagysága (vektora) Terjedési sebesség (fénysebesség vákuumban) c = 299 792 458 m / s hullámhossz, l [m] James Clerk Maxwell (1831 – 1879) l = c / n

A rádióhullámok felfedezése 1888 Heinrich Hertz (1847 – 1894)

A Röntgen-sugárzás felfedezése 1895 Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923) 1901: fizikai Nobel-díj

A fény, mint elektromágneses sugárzás Látható színkép infravörös látható UV Röntgen g-sugárzás mikrohullám rádióhullám hullámhossz / nm UV fény infravörös sugárzás méret n / Hz l / m kis frekvencia, nagy hullámhossz nagy frekvencia, kis hullámhossz épületek emberek hangya tű foka egysejtű vírus fehérjék atomok atommag

A fotoelektromos jelenség evakuált üvegcső elektród árammérő elem Egy adott hullámhossz felett (frekvencia alatt) – függetlenül a fény intenzitásától – nem lép ki elektron!

A fény részecskéi, a fotonok kilépő elektronok Max Planck (1858 – 1947) Nobel-díj: 1918 Albert Einstein (1879 – 1955) nátrium fotonok: a fény részecskéi egy foton energiája: E = h·n n: fény frekvenciája h: Planck-állandó h= 6,62610−34 Js h·n = W + Ekinetikus W: kilépési munka Ekinetikus: kilépő elektronok kinetikus energiája pl. lvörös= 650 nm, Evörös foton= 2 10−19 J

A fény Elektromágneses sugárzás l Kettőstermészet Részecsketermészet James Clerk Maxwell (1831 – 1879) l Elektromágneses sugárzás Kettőstermészet Részecsketermészet Albert Einstein (1879 – 1955) 1905: fotoelektromos jelenség ↓ fényenergia-kvantum: foton 1924: minden anyagra: Louis-Victor de Broglie (1892 – 1987)

A fény tulajdonságai spektrálisan: monokromatikus vonalas – atomi (molekuláris) gázok emissziója (sávos – fluoreszkáló oldatok) „fehér” – feketest-sugárzók Feketetest-sugárzás Wien-törvénye: lmax= b/T b= 2,897 7685(51) × 10–3 m K

A csillagok mint feketetest- sugárzók

A fény energiája és intenzitása A foton (és a gerjesztés) energiája, lehetséges mértékegységek: 1 cm–1 = 1,1962658280823∙10–2 kJ / mol 1 eV = 96,485310786701 kJ / mol 1 kcal / mol = 4,1839970677758 kJ / mol 1 MHz = 3,9903132126102∙10–7 kJ / mol 1 Eh (Hatree) = 2625,5 kJ / mol egyéb: erg, J, cal, kWh, …, nm, h, … A fény(impulzus) energiája: a fénynyalábban levő fotonok energiájának összege (a teljes spektrumra) A fénynyaláb teljesítménye: J /s (W) A fénynyaláb intenzitása: Fluxus (felületi teljesítmény) [W/m2], monokromatikus fényre [foton/s ∙ m2] (Luminozitás: 1 cd (candela) = 1/683 W / térszög @ 555 nm)

Sötét vonalak a Nap színképében Joseph von Fraunhofer (1787 – 1826) 514 vonal a napfény spektrumában Fraunhofer-vonalak: 1814 William Hyde Wollaston (1766 – 1828) vonalak a napfény spektrumában: 1802

A színes lángok színképe „vonalas” H Li Na Sir John Frederick William Herschel (1792 – 1871) William Henry Fox Talbot (1800 – 1877) A vonalak helyét a lángba bekevert anyagok határozzák meg!

A színképelemzés Gustav Kirchhoff Robert W. Bunsen (1824–1887) (1811–1899) Anyagok emissziós spektrumának vizsgálata Cs, Rb felfedezése Nap spektrumának spektrumának vizsgálata közel 40 elem azonosítása

A fény és az anyag kölcsönhatása Maggerjesztések Ionizáció Elektron- gerjesztés gerjesztése Molekula- rezgések Molekulák- forgásának Magspin-

A fény és az anyag kölcsönhatása E2 E2 foton (hn) abszorpció E1 E1 E2 E2 spontán emisszió E1 E1 E2 E2 stimulált (kényszerített) emisszió E1 E1

A fény és az anyag kölcsönhatása spontán emisszió stimulált (kényszerített) emisszió abszorpció E2 E2 E2 E1 E1 E1 termikus egyensúlyban Boltzmann-eloszlás: f(=N/V): foton-sűrűség A21, B12, B21: Einstein-féle koefficiensek N1, N2: az alap- és a gerjesztett állapotban levő részecskék száma rn: a sugárzás energiasűrűsége n frekvenciánál Összefüggések: g1,g2 : statisztikai súly c: fénysebesség h: Planck-állandó

A fény és az anyag kölcsönhatása „Laboratóriumi” spektroszkópia Pierre Bouguet (1698 –1758) Johann Heinrich Lambert (1728–1777) I I0 I0/k I0/k2 x 2x l Csillagászatban, légköri megfigyeléseknél: August Beer (1825–1863) Lambert–Beer-törvény:

Abszorpciós és emissziós spektrumok

Spektroszkópiai műszerek alapfelépítése CCD

A földi atmoszféra spektrális ablakai

Infravörös spektrális ablakok

Infravörös spektrális ablakok 0.65 –1.0 mm R és I sávok Optikai teleszkópok 1.25 mm J sáv Legtöbb infravörös teleszkóp és néhány optikai 1.65 mm H sáv 2.2 mm K sáv 3.45 mm L sáv 4.7 mm M sáv 10 mm N sáv 20 mm Q sáv 450 mm szub-milliméter Szubmilliméteres teleszkópok

Milyen információkat szolgáltat az asztrofizikusok számára egy spektrum? Összetétel: sávok frekvenciája Hőmérséklet: egy adott specieszhez tartozó különböző sávok relatív intenzitása Relatív gyakoriság: különböző specieszekhez tartozó sávok relatív intenzitása Mozgás: Doppler- (vörös-) eltolódás értéke Nyomás: sávok profilja (alakja) Mágneses tér: sávok felhasadásának mértéke

A Doppler-eltolódás FeXIV l = 5308 Å abszorpciós vonala

Kettőscsillagok és extraszoláris bolygók detektálása Doppler-eltolódással

Sávszélességet befolyásoló tényezők 1. Természetes vonalszélesség Heisenberg-féle bizonytalansági elv: Lorentz-sávalak: 2. Nyomásáltali kiszélesedés tsp: spektroszkópiai átmenet időtartama tc: ütközések közötti átlagos időtartam b~ 1 MHz/Torr Na D-vonala (l=5890Å) tsp=16 ns → Dn1/2=10 MHz

Sávszélességet befolyásoló tényezők 3. Doppler-kiszélesedés Maxwell-féle sebesség-eloszlást figyelembe véve Detektor irányába v0 sebességgel mozgó részecske észlelt átmenete: eltolódás: kiszélesedés: Gauss-sávalak: Lorentz- és Gauss-függvények konvolúciója→ Voigt-függvény 4. Átvonulási idő kiszélesedés 5. Teljesítmény-kiszélesedés Nagyteljesítményű forrásoknál (lézer) 6. Intermolekuláris kölcsönhatások Molekulasugaras kísérleteknél Elsősorban kondenzált fázisok vizsgálatánál Na D-vonala 300 K: Dn1/2=1317 MHz = 0,044 cm1

Csillag forgása miatti Doppler-kiszélesedés http://www.astrogeo.va.it/astronom/spettri/stelle-Aen.htm

A H-atom (H I) spektruma Hidrogénlámpa A hidrogénatom energiaszintjei sorozat A hidrogénatom spektrumának részlete (látható tartomány) sorozat sorozat kiválasztási szabályok: Dl =±1 Ds=0

A H-atom (H I) spektruma

A H-atom (H I) spektruma

A H-atom (H I) spektruma

A H-atom (H I) spektruma

A H-atom (H I) spektruma H+ + e¯ H(nl) + hn

A H-atom (H I) spektruma

A H-atom (H I) spektruma (H II regió) T = 10 000 K

Rekombinációs vonalak (H II regió) n = 137 H Bohr-sugara: 1 mm ↓ Maximum sűrűség: 1012 db/cm3 csillagok atmoszférájában nem észlelhető

„Lyman”-erdő a kvazár és a Föld távoli kvazár közötti objektumok abszorpciója (eltérő vöröseltolódások) távoli kvazár emissziós vonala

Impulzusmomentumok csatolása a H-atomban } az elektron spinje (S) a pálya impulzusmomentuma (L) finomszerkezet J = S + L } hiperfinom- szerkezet magok impulzus momentuma (I) F = I + J

Finom- és hiperfinom szerkezet jelölés: LJ perturbálatlan finomszerkezet hiperfinomszerkezet

Finom- és hiperfinom szerkezet Kiválasztási szabályok: Dn bármi DL = ±1 DS = 0 DJ = 0, ±1 Dmi = 0, ±1

Külső elektromos tér: Stark-effektus http://efrw01.frascati.enea.it/~apruzzes/Spectr/Stark/strong.html

Stark-kiszélesedés Nagy elektron/ionsűrűség esetében a spektrumvonalak kiszélesednek a statisztikus Stark-effektus miatt Spectrum of Vega (A0 V) and Deneb (A2 Iae) between http://www.astrogeo.va.it/astronom/spettri/stelle-Aen.htm

Külső mágneses tér: Zeeman-effektus

Külső mágneses tér: Zeeman-effektus

Mágneses mező mérése H-spektrummal fönt: mágneses tér nélkül alul: mágneses térben

A H-atom (H I) spektruma vöröseltolódás: távolság intenzitás: mennyiség vonalszélesség: nyomás (és hőmérséklet) felhasadás mértéke: mágneses mező

Komplex atomok spektruma

Komplex atomok spektruma

Komplex atomok spektruma

Komplex atomok spektruma relatív arányok: hőmérséklet

Csillagok spektrális osztályzása relatív arányok: hőmérséklet és összetétel

Csillagok spektrális osztályzása

Csillagok spektrális osztályzása