Newton kísérletei a fehér fénnyel

Az előadások a következő témára: "Newton kísérletei a fehér fénnyel"— Előadás másolata:

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

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

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

4 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 = m / s hullámhossz, l [m] James Clerk Maxwell (1831 – 1879) l = c / n

5 A rádióhullámok felfedezése
1888 Heinrich Hertz (1847 – 1894)

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

7 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

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

9 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

10 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)

11 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, (51) × 10–3 m K

12 A csillagok mint feketetest- sugárzók

13 A fény energiája és intenzitása
A foton (és a gerjesztés) energiája, lehetséges mértékegységek: 1 cm–1 = 1, ∙10–2 kJ / mol 1 eV = 96, kJ / mol 1 kcal / mol = 4, kJ / mol 1 MHz = 3, ∙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 / 555 nm)

14 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

15 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!

16 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

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

18 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

19 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

20 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:

21 Abszorpciós és emissziós spektrumok

22 Spektroszkópiai műszerek alapfelépítése
CCD

23 A földi atmoszféra spektrális ablakai

24 Infravörös spektrális ablakok

25 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

26

27 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

28 A Doppler-eltolódás FeXIV l = 5308 Å abszorpciós vonala

29 Kettőscsillagok és extraszoláris bolygók detektálása Doppler-eltolódással

30 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

31 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

32 Csillag forgása miatti Doppler-kiszélesedés

33 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

34 A H-atom (H I) spektruma

35 A H-atom (H I) spektruma

36 A H-atom (H I) spektruma

37 A H-atom (H I) spektruma

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

39 A H-atom (H I) spektruma

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

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

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

43 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

44 Finom- és hiperfinom szerkezet
jelölés: LJ perturbálatlan finomszerkezet hiperfinomszerkezet

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

46 Külső elektromos tér: Stark-effektus

47 Stark-kiszélesedés Nagy elektron/ionsűrűség esetében a spektrumvonalak kiszélesednek a statisztikus Stark-effektus miatt Spectrum of Vega (A0 V) and Deneb (A2 Iae) between

48 Külső mágneses tér: Zeeman-effektus

49 Külső mágneses tér: Zeeman-effektus

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

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

52 Komplex atomok spektruma

53 Komplex atomok spektruma

54

55 Komplex atomok spektruma

56 Komplex atomok spektruma
relatív arányok: hőmérséklet

57 Csillagok spektrális osztályzása
relatív arányok: hőmérséklet és összetétel

58 Csillagok spektrális osztályzása

59 Csillagok spektrális osztályzása