溫度是決定粒子產生什麼譜線的關鍵物理量

2020-10-16 15:40:13 2617 views
摘要

在物理學裡面「基爾霍夫定律」描述了光譜產生的條件,要產生連續譜的話,它的輻射源必須是熱的、緻密的固體、液體或者是氣體,當這些輻射經過了冷的氣體之後可能會產生吸收線,這是恆星輻射所具有的兩個基本的特性,另外要產生髮射線通常是熱的、稀薄的氣體。

【作者:黃媂

恆星離我們這麼遙遠如何測量它到底有多熱?

回答這個問題之前,先了解一下恆星基本輻射的特徵,像太陽這種典型的恆星,它的光譜主要由兩部分來組成的:

第1部分:連續譜、

第2部分:疊加在連續譜上的吸收線、

溫度是決定粒子產生什麼譜線的關鍵物理量

圖解:黑色的色條——吸收線

為什麼不同類型的天體會具有不同的輻射?

在物理學裡面「基爾霍夫定律」描述了光譜產生的條件,要產生連續譜的話,它的輻射源必須是熱的、緻密的固體、液體或者是氣體,當這些輻射經過了冷的氣體之後可能會產生吸收線,這是恆星輻射所具有的兩個基本的特性,另外要產生髮射線通常是熱的、稀薄的氣體。

譜線,無論是發射線、吸收線或是連續輻射主要的來自於微粒子狀態的變化,比如電子能級的變化,電子可以處於不同的能級狀態上,最穩定的能級稱為「基態」,這個時候電子被束縛在離原子核最近的軌道上,如果軌道逐漸增大它所具有的能量狀態就越高,如果電子運動地太快了可能會逃脫原子核的束縛可能會變成自由態,所以電子在束縛態之間的躍遷以及束縛態和自由態之間的躍遷,以及自由態和自由態之間的躍遷都會產生髮射線或者吸收線,輻射本身實際上就反映了粒子的微觀物理狀態以及狀態的變化。

溫度是決定粒子產生什麼譜線的關鍵物理量

恆星光譜形成

恆星的光譜主要是連續譜加上吸收線,恆星的連續輻射是來自於它的核心高溫、緻密的核反應區域,在區域內產生了大量的熱光子,光子在向外面傳輸的過程裡面不斷與周圍冷的氣體發生相互作用,比如被吸收了、被散射了,最終從恆星的「光球層」逃脫出來了,在這個過程裡面一部分的光子就被太陽內部大氣裡面的冷氣體所吸收了,所以就烙上了吸收線的印記,因此看到的來自太陽光譜,就不僅僅包括連續譜也包括恆星的吸收線。

溫度是決定粒子產生什麼譜線的關鍵物理量

「黑體」與「黑體輻射」

研究恆星或其他天體的物理性質主要就是通過對輻射譜的研究來得到它們的一些基本物理信息,研究輻射譜首先要從連續輻射入手,在介紹連續輻射之前,在物理學上有一種稱為「黑體」的假想天體,所謂黑體就是它能夠吸收所有的外來輻射,不產生任何的反射,然後把 輻射變成自己的內能再通過電磁輻射把它再輻射出去,這類理想的物體或者說天體,具有一個特定溫度的黑體所產生的輻射稱為叫「黑體輻射」, 很多天體,特別是大部分的恆星的連續輻射都可以近似地用黑體輻射來表示。

溫度是決定粒子產生什麼譜線的關鍵物理量

  • 黑體:能吸收所有的外來輻射而不產生任何的反射,並全部再輻射的天體。
  • 黑體輻射:具有特定溫度的黑體的熱輻射。

黑體輻射的形狀

黑體輻射強度可以用「普朗克定律」來描述,黑體輻射強度是指天體在單位面積、單位時間、單位頻率向單位立體角所發射的能量,普朗克定律反映了能量和頻率之間的關係,黑體輻射強度和兩個物理量有關係:

第1個物理量:頻率。

第2個物理量:溫度——溫度越高輻射強度就越高,溫度越低輻射強度相應地就變低了。

另外一個重要特性是溫度越高的天體輻射強度最強的位置所對應的頻率也就越高,而溫度越低的天體輻射強度所對應的頻率就越,這就是所謂的「韋恩定律」實際上反映了天體輻射譜的形狀和溫度之間的關係。

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除了連續輻射之外,譜線也可以提供天體的信息

發射線就是電子從高能態躍遷到低能態,這個過程會釋放一個光子,反過來如果是從低能態躍遷到高能態就會吸收一個光子,而光子的能量和它兩個能態的差別是完全相等的。

溫度是決定粒子產生什麼譜線的關鍵物理量

不同的元素由於它的結構不一樣,所以產生的吸收或者是發射線,光子的能量也是不同的,比如氫原子的電子能級從高的能級躍遷到基態,這個時候所釋放的譜線稱為「Lyman senes」,從更高的能級躍遷到第一基態稱為「Balmer senes」,所以要產生特定的吸收線或者發射線,要求電子必須處於特定的能級上,但是電子在特定能級上的布居取決於溫度的高低,因為粒子總是在相互碰撞的,溫度越高粒子碰撞就越頻繁就越可能佔據比較高的能態,溫度越低就越容易佔據基態,這就意味著溫度是決定粒子產生什麼譜線的關鍵物理量。

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根據特徵吸收線的位置和強度也可以估計出恆星的溫度

當溫度高到5萬K時幾乎所有的氫原子能都電離了,所以它們很難產生各種譜線,氦原子部分也被電離了,所以它可以產生氦原子的吸收線或者是發射線,隨著溫度的下降氫原子的作用逐漸地顯著起來,所在在幾千到上萬K的時候,從中性的氦到中性的氫它們所對應的各種譜線就可以被觀察到了。

當溫度進一步下降的時候分子會產生譜線,可以利用不同的特徵譜線來估計產生最普遍的粒子所處的溫度,這是測量恆星溫度的另外一種辦法,利用這樣的辦法得到了恆星的溫度之後,人們就把恆星按照溫度從高到低的序列進行排序,排序觀測的基礎是利用恆星的各種光譜特性,光譜特性就反映了溫度的變化,把這種變化以光譜型的形式來表示出來,光譜型分別用字母O,B,A,F,G,K,M來表示。

每一種光譜型就對應了一個特徵溫度,當然這樣的表示辦法有的時候會顯得過於粗糙,所以又把特徵溫度進行了進一步的細分,分成了從0~9這樣的次型,比如太陽的光譜型就用G2來表示。

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恆星的七種光譜型

不同的光譜型對應了不同的溫度,下面詳細解釋下恆星的七種光譜型:

  • O型星:這類星的光譜特性是具有很強的氦電離線,所以它需要非常高的溫度,這個溫度通常可以達到3萬K,顏色表現為藍色。
  • B型星:這類星的輻射主要是中性的氦線和重元素的一次電離線,它的溫度達到了2萬K,顏色表現為藍白色。
  • A型星:這類星的輻射是以氫線和一些重元素的一次電離線為主的,溫度達到了1萬K,顏色表現為白色。
  • F型星:這類星的輻射是以重元素的一次電離線和氦線及中性金屬線為主的,溫度達到了7000K,顏色表現為黃白色。
  • G型星:這類星的輻射是以重元素的一次電離線和中性金屬線為主的,溫度達到了6000K,顏色表現為黃色。
  • K型星:這類星的輻射是以中性金屬線和重元素的一次電離線為主的,溫度達到了4000K,顏色表現為紅橙色。
  • M型星:這類星的輻射是以中性金屬線和分子帶為主的,溫度達到了3000K,顏色表現為紅色。
溫度是決定粒子產生什麼譜線的關鍵物理量

譜線還可以提供關於恆星的另一種信息

每一種元素都有它獨特的結構,在原子裡面電子躍遷所產生的譜線是不相同的,把恆星的光譜和實驗室裡面的光譜進行比對,就可以通過它本身的位置和強度去推測恆星裡面擁有的元素,這也是測量在宇宙裡面各種元素丰度的主要手段,通過對於恆星光譜的和實驗室光譜的比對,像太陽這樣的恆星它絕大部分質量是由氫和氦來組成的,準確的說是70%的質量是由氫構成的,28%的質量是由氦構成的,剩下的2%是重元素,所以宇宙從可見物質來講主要是由氫和氦這兩種元素來組成的。

作者:黃媂

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