Rychlokurz spektroskopie aneb jak číst „sluneční čárový kód“

Byl obyčejný horký letní den, na obloze ani mráček. Stejně jako všichni ostatní jsem se těšil na to, jak si zaplavu v chladivých vlnách Jaderského moře. Ovšem, to by můj kamarád, laserový fyzik Mateusz, nesměl vylovit z tašky přenosný spektrometr. Aniž bych nad tím pořádně přemýšlel, tak už jsem držel spektrometr v ruce a jal se měřit…

První problém je samotné zaměření spektrometru ve směru Slunce. Nemusí se to zdát, ale Slunce je na obloze překvapivě malé – v průměru má lehce přes půl úhlového stupně. Takovou jednotku úhlu si snadno můžete demonstrovat. Pokud dospělý člověk natáhne ruku a zvedne malíček, tak šířka jeho malíčku zakrývá přibližně jeden úhlový stupeň, tedy pořád dvakrát více než činí na obloze průměr Slunce. Zvlášť problematická je tato situace ve chvíli, když míříte na něco, na co se nemůžete přímo podívat. Každopádně experimentální fyzik si musí umět poradit. Mé řešení bylo umístit sondu spektrometru na plastovou láhev, co jsem měl po ruce. Postup si můžete vyzkoušet také. Namiřte láhev či jiný podlouhlý předmět ve směru, kde byste čekali Slunce. Pomalu různě měňte směr láhve a sledujte, jak se mění její stín. Ve chvíli, kdy bude stín minimální, tak láhev míří směrem na Slunce.

Jakmile spektrometr mířil na Slunce, začalo se vykreslovat spektrum, které vidíte na obrázku. Graf zobrazuje intenzitu záření v závislosti na jeho vlnové délce/barvě. Spektrum, které jsem naměřil, představuje pouze část slunečního spektra omezenou možnostmi užitého spektrometru. Slunce vyzařuje na mnohem širší oblasti vlnových délek/energií. Navzdory omezení spektrometru pozorujeme širší spektrum než očima. Pomocí spektrometru vidíme mimo viditelného světla i záření infračervené a ultrafialové. Druhou odlišností spektrometru od našich očí je, že umožňuje pozorovat jemnější detaily spektra – namísto barev pozorujeme vlnové délky.

Díky tomu, že spektrometr rozšiřuje naše pozorovací schopnosti můžeme rozšířit i naše povědomí o světě okolo nás. První měření bylo jednoduché – nechal jsem světlo ze Slunce projít slunečními brýlemi a porovnal získaná spektra. Výsledek mě potěšil, ultrafialová část spektra byla odstíněna. Další měření už bylo trochu abstraktněji zaměřeno – určil jsem vlnovou délku, pro které nabývá spektrum maxima (v grafu jsem ji označil červenou čárou). Mělo by nás to ale zajímat? Nese hodnota maxima spektra nějakou specifickou informaci? Odpověď je kladná, alespoň pokud je studovaným zářičem objekt, který jde přibližně popsat jako tzv. absolutně černé těleso. Jedná se o fyzikální idealizaci jako třeba hmotný bod či sférická kráva. Absolutně černé těleso je zdroj záření, který neodráží záření od jiného zdroje a vyzařuje pouze na základě své teploty. V roce 1893 Wilhelm Wien formuloval jednoduchý empirický zákon:

Později, v roce 1911 se Wien dokonce dočkal Nobelovy ceny „za objevy týkající se zákonů, kterými se řídí vyzařování tepla“, mezi které patří i tato kapesní formulka. K přesnému popisu spektra bychom dnes spíše využili obecný Planckův vyzařovací zákon, nicméně výhodou Wienova vztahu je jeho jednoduchost. Při dosazení 530 nm do levé strany rovnice získáme teplotu slunečního povrchu rovnou 5 500 Kelvinům neboli 5 200 stupňům Celsia, což je jen o trochu nižší hodnota, než se udává na základě komplexních měření. Kromě maxima grafu nás jistě budou zajímat i jeho minima. Oblasti s nulovým signálem jsme vysvětlili výše omezenou citlivostí spektrometru, ale co menší propady vyznačené na grafu zelenými kroužky?

Čárový kód

Téměř okamžitě mě napadlo, že se jedná o důsledek absorpce záření v atmosféře. Princip absorpce a emise si představte jako vysílání a přijímání signálu pomocí antény, přičemž anténě o určitém rozměru odpovídají pouze určité možné vlnové délky/energie. V přírodě může hrát roli mikroskopické antény například vazba mezi atomy v molekule. Bylo tomu tak i v případě našeho měření, jak jsem předpokládal? Pouze částečně. I když třeba velmi výrazný propad na 759 nm opravdu odpovídá absorpci na atmosférickém kyslíku O2, tak většina propadů nemá se složením zemské atmosféry co dělat. Až při prohlížení různých spekter během dalšího dne přišel „today I learned“ („dnes jsem se naučil“) okamžik, kdy jsem přidal do svého slovníku nový odborný název. Propadům ve spektru, které jsem naměřil, se říká Frauenhoferovy linie.

Joseph von Frauenhofer detailně proměřil sluneční spektrum v roce 1814, přičemž v něm pozoroval temné proužky korespondující s našimi propady. Tyto propady odpovídají absorpci slunečního záření při průchodu vnějšími chladnějšími vrstvami Slunce. Na své vysvětlení si však podivné čáry musely počkat ještě pár desetiletí. Když se 19. století blížilo ke své polovině založili Gustav Kirchhoff a Robert Bunsen na univerzitě v Göttingenu nový vědní obor, spektrografii. Kirchhoffa možná znáte z hodin fyziky jako autora pravidel výpočtu veličin v elektrických obvodech, ale kdo byl onen Robert Bunsen? Inu, Robert Bunsen přinesl světu zdroj kontrolovaného plamene, který naleznete v jakékoliv učebně chemie. Na Bunsenovu počest nese toto základní laboratorní vybavení jeho jméno. Když pak Kirchhoff s Bunsenem do žáru Bunsenova kahanu začali vkládat namleté kovy a pozorovat jejich spektra, všimli si pozoruhodného jevu – každý prvek vložený do plamene vytvářel unikátní spektrum emisních čar. Podrobné vysvětlení původu atomových spekter v souvislosti se strukturou atomu přinesla až moderní fyzika. Neznalost příčiny jevu však nebránila jeho okamžitému využití ve formě snadné a levné analýzy prvkového složení či dokonce ve své době k využití metody pro objevy nových chemických prvků! S celým příběhem spektroskopie je pak spojen ještě jeden překvapivý objev, ten nás vrací zpět k mému měření.

V roce 1859 Kirchhoff v Měsíčníku Královské Pruské akademie věd vyslovuje na základě podobnosti slunečního spektra a některých emisních čar spalovaných prvků hypotézu, že Slunce musí být složeno z týchž prvků jako svět okolo nás a absorpce je způsobena průchodem slunečního záření vnějšími vrstvami Slunce. Tím se mění paradigma, Slunce přestává být něčím mýtickým, tajemných a nedotknutelným. Už to nebylo jen Slunce, které sahá na naši pokožku, ale poprvé jsme si i my mohli skrze analýzu slunečního spektra sáhnout na Slunce.

Zdroj/rozšiřující studijní materiál: