今日天文恒星从诞生到死亡第三章读书笔记(三)
3.光谱学
3.1谱线
1.没有任何宇宙天体发出的辐射是完美的黑体谱，所有的光谱都与理想形式的光谱有所偏离。
2.辐射可以利用一种被称为分光镜的仪器来进行分析。天文学家使用的被称为光谱仪或分光计的研究设备要更复杂，包括一台望远镜，一套色散装置，以及一个探测器。
3.在许多大型仪器中，棱镜已被一种名为衍射光栅的设备所替代，该设备由一片刻有许多密集平行条纹的透明材料构成。
4.如下图，一个灯泡发出的辐射覆盖所有波长，而一个放电的纯氢气罐子发出的辐射是非连续的。
5.发射线的排列总是对应特定的元素。
6.某种给定化学成分的气体所发出的光的独有图案排列被称为该气体的发射谱。
7.举个例子，当太阳光被棱镜色散时，我们仔细观察光谱后会发现，太阳光谱被大量的狭窄暗线垂直隔断了。这是由于太阳光被太阳外层大气或地球大气中存在的气体吸收的光的波长。我们称这些光谱上的缝隙为吸收线。
8.当产生连续谱的光源所发出的一束光通过冷却气体时，这些谱线也可以在实验室中被生成。
9.发射线和吸收线之间的联系：给定气体的吸收线出现的波长位置正好与气体被加热时产生的发射线的波长位置相同。
10.以钠元素为例，如图所示。当加热到高温时，钠蒸汽样品发出的强烈可见光只为于两个波长（光谱的黄色区域）。当连续光谱穿过相对较冷的钠蒸汽时，两条吸收线正好出现在完全相同的波长处。
11.光谱学用于分析物质发出和吸收辐射的方式。
12.基尔霍夫总结了三种光谱类型------连续谱，发射线和吸收线------之间的观测关系。阐述了三条支配光谱形成的光谱学准则，称为基尔霍夫定律：
- 发光固体或液体，或足够致密的气体发出所有波长的光，因此产生的是连续谱辐射。
- 低密度，热气体发出的光的光谱由一系列明亮的发射线组成，这些发射线是气体的化学成分特有的。
- 冷且稀薄的气体吸收连续谱中特定波长的辐射，使得产生吸收的位置变暗形成吸收线，叠加在连续谱之上。同样，这些吸收线也是中介气体的成分所特有的------它们正好出现在与气体在高温时发出的发射线波长相同的位置上。
3.2原子和辐射
1.原子的玻尔模型：
- 存在能量最低的状态------基态，代表电子在绕原子核运动时的正常状态。
- 电子要保持作为原子的一部分，所以存在能量最大的状态。一旦电子获得的能量超过最大能量，那么它将不再被原子核所束缚，即原子被电离了；失去一个或更多电子的原子被称为离子。
- 最重要的是，在最低和最高两个能级之间，电子只能以某些界限清晰的能量状态存在，通常被称为"电子轨道"。
2.牛顿力学允许轨道以任何能量存在，而不仅仅是某些特定的值。在原子领域内，这样的不连续表现是很正常的。即轨道的能量量子化。
3.经典原子模型图如下，我们采用实现来表示电子轨道。原子并不总是处于基态。当一个电子处于必到其母原子核正常距离远近的轨道时,原子处于激发态。处于这样激发态的原子有着高于常值的能量。能量最低的激发态（能量最接近基态的状态）被称为第一激发态。能量第二低的是第二激发态。
4.由于电子只存在于特定能量的轨道上，所以原子只能吸收特定数量的能量，并伴随着其电子提升到激发态。同样，随着电子掉落回较低的能态，原子只能辐射出特定数量的能量。因此，在这些过程中吸收或辐射的光能量的大小，必须精确地对应于两个轨道之间地能量差。
5.原子地量子化能级要求光以不同地电磁辐射"包"的形式被吸收和辐射，每个"包"带有特定量的能量，我们称这些包为"光子"。
6.爱因斯坦量化光的双重性质的两方面之间的关系。他发现，光子所携带的能量必定正比于辐射的频率。设计光子能量E与辐射频率f的关系方程：
补充知识------氢原子
1.原子物理中最常使用的能量单位是电子伏特(eV)。它代表着一个电子加速通过1V的电势时获得的能量大小。将氢原子从基态电离所需的最小能量为13.6eV。
2.如下图总结了氢原子的结构。能级的增加以一系列半径增加的圆来表示。这些能级之间的电子跃迁(箭头)通常被分组成族(线系)。
3.从基态出发或者是终止于基态(n=1)的跃迁组成了莱曼线系。如图第一条是莱曼阿尔法(Lyα)，对应于第一激发态(能级2)和基态之间的跃迁。两者的能量差是10.2eV，所以Lyα的波长是121.6nm
=1216Å(Ångström，埃格斯特朗，简称Å（埃），是一个长度计量单位，1埃=0.1纳米)。
4.接下来的一系列谱线，巴耳末线系，包括回到能级2------第一激发态的跃迁。
5.由于巴耳末线组成了氢光谱中最容易观测的部分，它们通常被简称为氢线系，以字母H表示。和莱曼线系一样，单一跃迁以希腊字母表示。
7.光子的能量和频率之间的等价关系完善了原子结构和原子光谱之间的联系。
8.原子在其特殊内部结构所决定的特征波长上吸收和发出辐射。
9.由于这种结构对于每种元素都是独一无二的，因此吸收和辐射出的光子的颜色（观测的谱线）是元素的特征谱线，并只对应唯一的元素。
3.3谱线的形成
1.如下图展示了氢原子吸收和辐射光子的示意图。图a显示了氢原子吸收光子并从基态过渡到第一激发态；然后它发出一个能量正好相同的光子并回落到基态。
2.图b描绘的是吸收更高能量的紫外光子。吸收这样的光子会让原子跳跃到第二激发态。与之前一样，原子迅速回到基态，但这次，由于该激发态以下由两个能态，所以原子可以通过下面两种可能的方式之一回到基态：
- 原子可以直接回到基态，在此过程中发出一个与起初被激发时吸收的完全相同的紫外光子。
- 或者，电子可以分级跌落，每次跌落一个轨道。如果发生这种情况，原子将会发出两个光子：一个的能量等于第二激发态与第一激发态的能量差，另一个的能量等于第一激发态与基态的能量差。
3.任何一种方式都可能发生，发生的概率大致相等。
4.吸收额外的能量甚至能将电子激发到原子内部更高的轨道上。随着被激发的电子逐级回落到基态，原子可以发出许多光子，每个都有着不同的能量，也因此有着不同的波长，导致光谱上会出现许多谱线。
5.以氢为例。在加热的氢气样本中，在任何时刻，原子的碰撞都确保原子处于许多不同的激发态上。因此，产生的完成氢发射谱包含的波长，对应于这些能级和更低能级之间发生的所有可能的跃迁。
6.天体的红颜色正是由3.3.2的步骤2所产生的。当来自年轻，炽热恒星的紫外光子通过这颗新近形成的恒星外部环绕的冷却气态氢气时，一些光子被气体所吸收，原子被激发到激发态或者被完全电离。随着原子逐步跃迁回到基态，被激发的气态氢会产生鲜艳红色特征。这一现象被称为荧光。
补充知识------光电效应
1.通过一束光照在金属表面可以演示这种效应。如图所示。当使用的是高频的紫外光时，跃迁后的电子被光束强行从金属表面去掉，我们发现这些粒子从金属表面飞出的速度只与光线的颜色有关，而与其强度无关。
2.对于更低频率的光------蓝光而言------电子探测器仍然能记录到电子的飞出，但这是它们的速度以及它们的能量都要更小。
3.对于更低的频率------红光或红外线------根本不会有电子从金属表面被打出。
4.值得注意的是，增加光照强度只会增大跃迁的光电子的数目，并不能决定是否跃迁以及逃逸电子的速度。这是由于光的强度等于一个光子能量乘以光子个数。
5.这就解释了:“当一种频率的光照射到某金属板上时，没有发生光电效应，则增大该光的强度，能否发生光电效应？”。当该光的光强增大时，意味着有更多的光子照射到金属板上，但每个光子的能量并没有发生变化，只是有更多的电子吃到了光子成为光电子，但是每个光电子的能量都无法突破金属板的束缚。
7.回到图3.3继续吸收线和发射线的讨论。图3.3中一束连续辐射照耀的气体氢云。该光束包含所有能量的光子，但其中大多数不会与气体产生相互作用------所以气体只能吸收那些具有导致电子轨道在能级之间发生变化的合适能量的光子。
8.对于一条连续谱。其实致密辐射源内的情况相对复杂。致密源中，在最终逃离之前，光子可能会和物体里的原子，自由电子和离子相互作用许多次，每次与物质的相互作用都会交换一些能量。最终导致的结果时辐射呈现连续谱。
9.原子中原子核里的质子数目决定了它所代表的元素。
10.原子光谱的复杂性通常反映了原子本身的复杂性。
11.诸如铁的单元素原子可以产生许多吸收线，这主要是两个原因。首先，正常铁原子中的26个电子可以在所有可能的能级之间形成数量庞大的不同跃迁。第二，许多铁原子是被电离的。
12.当气体云包含许多混合在一起的不同气体时，我们可以通过专注于辐射的某些特定波长就能排除所有其他种类的原子或粒子。通过鉴别许多不同原子重叠在一起的吸收和发射光谱，就可以确定气体云的成分。
3.4分子
1.分子是一组紧密束缚在一起的原子，通过它们轨道电子的相互作用聚集在一起------我们把这样的相互作用称为化学键。
2.除了由电子跃迁产生的谱线，还有另外两种变化能产生分子谱线，而这对原子来说是不可能发生的：分子可以旋转，同时也可以振动。当分子改变它的转动或振动状态时，就会发出或吸收光子。特定种类的分子产生特有的谱线。
3.一般来说：
- 分子内的电子跃迁产生可见光和紫外谱线(能量最大的变化)。
- 分子振动的变化产生红外谱线。
- 分子转动的变化产生电磁波谱中射电波段的谱线(能量最小的变化)。
3.5谱线分析
1.炽热的恒星内部，原子是被完全电离的。电子在气体中自由运动，不受任何原子核束缚，因此辐射谱是连续的。然而，在相对较冷的恒星表面附近，某些原子保留了一些甚至大多数的轨道电子。
2.通过将所见谱线与已知原子，离子和分子的实验室光谱匹配，来确定恒星的化学成分。
3.谱线的强度(亮度或暗度，取决于在发射或吸收时谱线是否可见)取决于产生谱线的原子数量。
4**.越多的原子发射或吸收恰当频率的光子，谱线就越强。但谱线的强度也极度依赖于包含这些原子的气体温度**，因为温度决定了在任意时刻有多少电子正处于正确的轨道并发生特定的跃迁。
5.熟悉的谱线排列虽然经常出现，但这些谱线却偏离它们通常的位置。一组谱线可能被认为是属于某种特定元素的，但这些谱线相比正常波长都移动了相同的比值------蓝移或者红移。这些移动是由多普勒效应造成的，使得天文学家可以测量辐射源沿着观测者的视线方向移动得有多块（源的视向速度）。
6.如图3.10所示，有以下公式表述：
该星系正在以620km/s的速度接近我们。
7.如下图3.11所示，谱线的亮度在中心最大，往两边下降。早前我们强调光子以非常确定的能量或者频率被发射和吸收。那么，为什么谱线不是极端狭窄，仅仅出现在特定的波长上呢？这种谱线的增宽是由发射或吸收所处的环境导致的------即形成谱线的气体或恒星的物理状态。
8.一些过程可能会使谱线致宽。最重要的过程涉及多普勒效应。如下图3.12所示，由于气体内部的热运动，观测到的发射线和吸收线的频率，相比当云里原子不动时我们所期待的那些谱线，会略有不同。
9.气体越炽热，多普勒运动扩散得越广，谱线也就越宽。通过测量谱线的宽度，天文学家可以估算出粒子的平均速度，因而也能估算出产生谱线的气体的温度。
10.自转和湍流，也能产生类似的效果。考虑一个天体(恒星或一团气体云)绕着某个轴自转，如图3.13所示的那样，或是有着某些其他的内部运动，比如各种尺度的湍流或漩涡。
11.从那些朝向我们的活动区域发出的光子由于多普勒效应而产生蓝移；从那些远离我们的活动区域发出的光子则产生红移。
12.由于研究对象通常太小或是距离太远，所以我们的设备不能区分或者分辨观测对象的不同部分------所有发出的光线混合落在我们的探测器上。这种情况导致观测到的谱线被致宽。内部运动速度越快，我们所见的致宽越大。这种致宽与产生这些谱线的气体温度毫无关系，一般重叠在热致宽上。
13.仍然由其他的致宽机制完全不依赖于多普勒效应。例如电子在轨道运动时，它们的母原子与另外的原子发生碰撞，发出或吸收的光子能量会略有改变，使谱线柔化。上述机制称为碰撞致宽。致宽的大小随着发射或吸收的气体的密度增加而增大，也就是说经常发生在致密气体中。
14.最后，磁场也可以通过被称为塞曼效应的过程致宽谱线。原子里的电子和原子核像微小的旋转磁铁，结果导致谱线产生微小分裂，然后融入整体致宽的谱线里去。一般来说，磁场越强，产生的致宽越明显。
观测到的谱线特征 | 提供的信息 |
峰值频率或波长(连续谱) | 温度(维恩定理) |
出现的谱线 | 成分，温度 |
谱线强度 | 成分，温度 |
谱线宽度 | 温度，湍流，自转速度，密度，磁场 |
多普勒频移 | 视向速度 |
