Světlo IX: Spektrografie

Spektrografie, neboli věda zkoumající spektra, nám dává velké množství fyzikálních a chemických informací o objektu, ze kterého toho spektrum pochází. Jev, kterým zjistíme chemické složení objektu, jsme popsali v minulem díle seriálu. Tam jsme se dozvěděli, že pokud rozložíme dopající viditelné světlo pomocí skleněného hranolu, nebo častěji pomocí optické mřížky, na elektromagnetické spektrum, budeme v něm pozorovat na určitých vlnových délkách tmavé čáry (na obrázku můžeme vidět polohu čar pro vodík tzv. Balmerova série). Tyto čáry jsou jedinečné pro každý prvek Mendělejevovi tabulky. Například, pozorujeme-li optickým dalekohledem hvězdu vzdálenou několik desítek světelných let a místo oka nebo fotografické desky použijeme spektrograf (přístroj na výrobu spektra), můžeme porovnáním daných výsledků se spektry naměřenými v laboratoři pro námi známé prvky určit chemické složení dané hvězdy.

Tyto informace jsou jistě velmi důležité, ale není to jediná vlastnost, kterou bychom z elektromagnetického spektra mohli určit. Dále můžeme zjistit rychlost vzdalovaní nebo přibližovaní objektu. A to pomocí optického Dopplerova jevu.

Christian Andreas Doppler (1803-1853) v roce 1843 publikoval článek, kde tento jev správně vysvětlil a ukázal  i jeho využití pro měření hvězdných rychlostí, ba dokonce i vesmírných vzdáleností. Dopplerův jev popisuje změnu vlnové délky vlnění v závislosti na vzájemném pohybu pozorovatele a zdroje vlnění. Jak je vidět na obrázku,

pohybuje-li se zdroj vlnění k nám, vlnové délky se zkracují. Pohybuje-li se zdroj od nás, vlnové délky se natahují. Dopplerův jev známe dobře z běžného života, a to u změny zvukové frekvence pohybujícího se zdroje. Například když posloucháme tón motoru přijíždějícího automobilu. Tento tón velmi rychle klesne v okamžiku, kdy auto projede kolem nás a začne se vzdalovat. Sám Doppler tento experiment uskutečnil s hudebníkem, který stál na jedoucím vlaku a hrál stejný tón. Podobně jako u zvukového vlnění, dochází ke změně vlnové délky i u světla.

Samotný Dopplerův popis fungoval dobře pouze na vzájemné rychlosti o hodně menší než je rychlost světla. Pro vysoké rychlosti je potřeba použít relativistického sčítání rychlostí a jeho popisu. To umožnila až speciální teorie relativity publikována Albertem Einsteinem v roce 1905. Budeme-li měřit například spektrum nějaké blízké hvězdy, můžeme v jejím spektru pozorovat malý posuv všech spektrálních čar, jak je vidět na obrázku.

Tento posuv může být více k červenému konci spektra, pak se od nás daná hvězda vzdaluje (tzv. červený posuv), anebo více k fialovému konci spektra, pak se k nám daná hvězda přibližuje (tzv. modrý posuv). Z velikosti posuvu můžeme určit i danou rychlost. V astrofyzice je také známa závislosti rychlosti vzalování a vzájemné vzdálenosti, proto můžeme určit i vzdálenost zářícího objektu.  Vysvětleme krátce  ještě jiný pojem z astrofyziky. Doteď jsme hovořili o Dopplerovu optickém (nejčastěji červeném) posuvu. Existuje ovšem ještě kosmologický červený posuv. Ten souvisí s rozpínáním samotného vesmíru. Na jiast.cz již začal nový fyzikální seriál o astrofyzice, kde si o těchto pojmech a jevech řekneme více. Například zmíněné určování vzdáleností ve vesmíru je nad rámec tohoto kurzu.

Budeme-li elektromagnetické spektrum zkoumat více podrobně, můžeme zde pozorovat spoustu dalších fyzikálních jevů, které velmi přispěli k potvrzení správnosti kvantové teorie, která zároveň tyto jevy popisuje. Duležitým jevem je například velmi jemné rozštěpení spektrálních čar. Tento jev se nazývá Zeemanův efekt a dochází k němu při působení vnějšího magnetického pole na zářící atomy.

Jev je pojmenován po holandském držiteli Nobelovy ceny za fyziku z roku 1902 Pieteru Zeemanovi (1865-1943). Elektron v obalu atomu se muže vyskytovat pouze na určitých energetických hodnotách, které jsou vlastními čísly operátoru energie (Hamiltonův operátor) v pohybové rovnici (Schödingerova nebo pak relativistická Diracova rovnice). Tato vlastní čísla představují možné energetické stavy, kterých muže elektron nabývat. Při započítaní vnějšího magnetického pole do tohoto operátoru, dostanete energeticky jemné rozštěpení těchto stavů a tedy možnosti elektronu emitovat na dvou velmi blízkých energetických čarách. Vnější magnetické pole ovlivňuje elektron, protože ten svým pohybem vyvolává takzvaný orbitální magnetický moment hybnosti.  Ovlivnění tohoto momentu nazýváme normální Zeemanův jev. Elektron má ovšem i svůj vlastní magnetický moment hybnosti, tzv. spin. Můžeme si ho představit, jako rotaci kolem vlastní osy (podobně jako planeta obíhá kolem hvězdy a při tom se ještě sama otáčí). Tato interakce vnějšího magnetického pole se spinem způsobí ještě další jemnější štěpení spektrálních čar tzv. anomální Zeemanův efekt. Zpětným rozborem spektra můžeme dopočítat magnetické pole daného objektu.

Nakonec je důležité se zmínit i o jiných druzích spektrografie než jen o elektromagnetické. Spektra hrají klíčovou roli například při studiu fyziky pevných látek nebo povrchových nanotechnologií. Typický rozměr v těchto odvětví jsou nanometry, a proto se při spektrech musí použít vlnové délky tomu odpovídající. Dále je si třeba uvědomit, že není nutnou podmínkou používat elektromagnetické záření. Z předchozích dílů seriálu víme, že i částice se chovají jako vlnění (dualizmus částic). A toho se velmi hojně využívá. Nejčastěji se požívají elektrony, ionty nebo neutrony. Všechny částice mění svou vlnovou délku podle energie, kterou jim (například) elektrickým polem, nebo srážkou s jinou částicí dodáme. Proto se většina používaných metod rozděluje podle energie a použitých částic, například: LEES (Low Energy Electron Spectroscopy), RHEES (Reflection High Electron Spectroscopy), AES (Auger Electron Spectroscopy), LEIS (Low Enegy Ion Spectroscopy) a jiné.

Spektrografie je velmi rozšířený obor, který se vyznačuje jednou z nejpřesnějších vědeckých metod. Tomu také velmi často odpovídá cena profesionálních spektrografů a potřebného vybavení. Návratnost za dané finance a potřebnou práci je však téměř vždy velmi dobrá.

jméno (povinné)

e-mail (nebude zveřejněn) (povinné)

web