Istotnym aspektem opisu promieniowania, jest zbadanie jego związku z materią. Już na podstawie prostych obserwacji możemy wyróżnić kilka rodzajów oddziaływania fal elektromagnetycznych z obiektami posiadającymi masę:

  • emisja — tworzenie promieniowania i przenoszenie go do otoczenia
  • absorpcja — inaczej pochłanianie promieniowania z otoczenia przez masywne ciało
  • odbicie — nieprzyjmowanie wiązki światła przez ciało, ze zmianą jej trajektorii

Zjawisko odbicia możemy dostrzec, na przykład obserwując Księżyc odbijający światło słoneczne. Warto zauważyć, że światło odbija się w różny sposób w zależności od tego, na jaką powierzchnię pada. Przedmioty, jak biała ściana i lustro odbijają inaczej. Ściana ze względu na chropowatą strukturę rozprasza promienie, natomiast lustro równoległe do siebie wiązki odbija pod tym samym kątem.

Artykuł napisał Jurand Prądzyński.

Natura światła a nasze postrzeganie

Natura samego promieniowania nie podlega jednak prostej wizualizacji. Opisany w poprzednim artykule serii foton będący najmniejszą, niepodzielną cząstką światła można rozumieć zarówno jako kulę podlegającą prawu odbicia i załamania, jak i jako falę.

Rodzą się od razu pytania co przenosi te fale i w czym właściwie się one rozchodzą. Odpowiedź na pierwsze z tych pytań jest znana już od XIX wieku, kiedy to pierwszy raz opisano światło jako oscylujące wektory natężenia pola elektrycznego i indukcji magnetycznej, czyli falę elektromagnetyczną. Odpowiedź na drugie pytanie wynika z odpowiedzi na pierwsze. Do zmian pola elektromagnetycznego nie potrzeba nic, a więc i same fale elektromagnetyczne nie potrzebują ośrodka.

Ktoś mógłby zapytać, jaka jest lepsza i właściwsza interpretacja zjawiska światła — czy poprzez cząstki, czy fale. Otóż promieniowanie elektromagnetyczne zachowuje się jak promieniowanie elektromagnetyczne. Przyjmowane przez nas przyrównania do cząstek, lub fal wynikają z próby zrozumienia w sposób geometryczny, intuicyjny i podobny do naturalnych dla nas zjawisk świata makroskopowego, a nie z rzeczywistej odpowiedniości.

Wiele o promieniowaniu możemy dowiedzieć się, znając długość fali. Z fizyki szkolnej wiemy, że fale o długości od około 400 nm do około 750 nm wchodzą w skład światła widzialnego. Zakresom długości tych fal odpowiadają znane nam barwy, np. światłu zielonemu około 540 nm, a światłu czerwonemu 600 nm. Wiązkę światła zawierającego fotony wszystkich długości z zakresu światła widzialnego nasze oko interpretuje, jako kolor biały.

To jakie barwy widzimy dookoła nas, jest uzależnione od dwóch czynników — od tego jakie długości fal materia nas otaczająca odbija (te widzimy), a jakie pochłania oraz od tego, jakim światłem dana rzecz jest oświetlona. Gdyby pokój pomalowany na niebiesko oświetlić światłem wyłącznie czerwonym, jego ściany będą się wydawały czarne, ponieważ całe promieniowanie będzie pochłonięte. Nasz mózg na ogół stara się interpretować obserwowane w różnym świetle rzeczy, tak jakby znajdowały się one w najbardziej naturalnym dla nas oświetleniu. W ten sposób obserwując sukienkę w specyficznym ujęciu, jedni powiedzą, że jest ona koloru biało-złotego, natomiast inni uznają, że jest ona niebiesko-czarna.

Widma obiektów na niebie

Widzimy już, że mówiąc o źródłach oświetlenia, warto myśleć o wykresie natężenia promieniowania od długości fali. Jednak trudna do zinterpretowania byłaby informacja, że z wiązki światła na daną powierzchnię w ciągu jednej sekundy pada 8 fotonów o długości 700 nm. Na wykresie więc umieszcza się przeważnie liczby o wymiarze \frac{\textrm{natężenie promieniowania}}{\textrm{długość fali}} i liczy się jako pole pod wykresem na przykład od argumentu 610 nm do 620 nm.

Na rzeczywistych rozkładach promieniowania ciał niebieskich widoczne są piki dla pewnych długości fali. Wynikają one z faktu, że gazy występujące np. w składzie mgławic, oświetlane przy pomocy światła białego (pełen zakres promieniowania widzialnego) pochłaniają tylko fotony o określonych częstotliwościach. Gaz taki nie pozostaje w stanie wzbudzonym przez foton cały czas, ale po chwili od przyjęcia energii reemituje promieniowanie w dowolnym kierunku fotony — przeważnie o takiej samej długości fali, jaka została wcześniej przyjęta. Dzięki temu zjawisku na ziemię dociera cześć promieniowania, które zostało wyemitowane przez gwiazdę w innym kierunku. Promieniowanie o takim charakterze nazywamy emisyjnym, a mgławice o tym widmie określamy mianem emisyjnych.

Widmo emisyjne atomu żelaza

Wskutek tego samego zjawiska część promieniowania wysłana w kierunku Ziemi przez jądro gwiazdy jest pochłaniana przez gazową otoczkę i rozproszona, przez co wykres posiada miejsca o głębokich, stromych minimach. Takie widmo nazywamy absorpcyjnym i najczęściej widujemy je, obserwując gwiazdy. Widmo bez gwałtownych ekstremów wywołanych liniami widmowymi, przypominające wykres funkcji ciągłej nazywamy widmem ciągłym.

Zestawienie widma absorpcyjnego w podczerwieni dla stałego dwutlenku siarki z porównywane z widmem absorpcji w podczerwieni lodu na Księżycu Jowisza, Io.

Prawo Kirchhoffa

Na koniec przyjrzymy się temu, jak ma się emisja promieniowania do absorpcji przez to samo ciało. Otóż to jak wiele obiekt produkuje/pochłania promieniowania z zakresu fal o długościach (\lambda, \lambda + \Delta \lambda) zależy od temperatury, w jaką ma to ciało. Dla każdego materiału można ułożyć funkcje postaci E(\lambda, T), A(\lambda, T) opisujące jaką moc w zakresie (\lambda, \lambda + \Delta \lambda) ciała te wyemitowały z jednego metra kwadratowego w czasie jednej sekundy. Okazuje się, że prawdziwe jest tak zwane prawo Kirchhoffa mówiące, że istnieje uniwersalna dla każdego ciała funkcja \epsilon(\lambda, T) taka, że:

    \[ \frac{E(\lambda, T)}{A(\lambda, T)} = \epsilon(\lambda, T) \]

Oznacza to, że zdolność ciała do emisji promieniowania i jego absorpcji jest proporcjonalna! Stąd rzeczy o ciemnych barwach szybciej pochłaniają promieniowanie, ale też i najlepiej je emitują. Co się więc dzieje z takim promieniowaniem? Mimo że dana czarna substancja może pochłaniać promieniowanie w części widzialnej spektrum, to ze względu na niskie temperatury panujące na Ziemi, reemituje ona zazwyczaj promieniowanie w postaci fotonów o bardzo niskiej energii, np. w podczerwieni.

Z tym zjawiskiem związane jest pojęcie ciała doskonale czarnego, omówione szerzej przy okazji poprzedniego artykułu serii. Stanowi ono dobre przybliżenie bardzo wielu ciał z punktu widzenia mechaniki emisji i absorpcji promieniowania.

Autor

Redakcja AstroNETu