Ciemna linia w widmie i zachowanie energii

Rozwiązanie

Wybierz granicę układu, zanim zapiszesz bilans

Detektor patrzy w jeden kierunek i mierzy wybrany zakres długości fal. Mniejszy sygnał w tym kanale nie mówi jeszcze, ile energii ma cały układ: źródło, gaz i promieniowanie lecące w pozostałych kierunkach.

Atom może pochłonąć foton, przechodząc do stanu o większej energii. Energia promieniowania maleje wtedy o tyle, o ile rośnie energia materii. Samo pochłonięcie nie jest zniknięciem energii.

Co może wydarzyć się później?

Wzbudzony atom może wyemitować promieniowanie w innym kierunku. Energia może także zostać przekazana innym cząstkom podczas zderzeń lub zostać oddana przez kilka przejść. Nie zakładamy, że każdy pochłonięty foton musi natychmiast wrócić do tego samego detektora z identyczną długością fali.

Rysunek pokazuje przykładowy bilans 10 J energii w rozpatrywanym przedziale czasu: 6 J opuszcza obszar w wybranym kierunku, 2 J w innych kierunkach, a 2 J zwiększa energię gazu. To umowny przykład bilansu, nie dane z zadania ani model natężenia konkretnej linii.

E_{\mathrm{we}}=E_{\mathrm{wy,\ detektor}}+E_{\mathrm{wy,\ inne}}+\Delta U_{\mathrm{gazu}},\qquad10=6+2+2.

Dlaczego linia jest ciemniejsza?

Wzdłuż linii widzenia do detektora dociera mniej promieniowania w zakresie pochłanianym przez gaz niż w sąsiednim fragmencie widma ciągłego. Dla tej geometrii absorpcja przewyższa uzupełnianie obserwowanej wiązki przez emisję gazu. Energia jest nadal rozliczona w szerszym układzie.

Linia absorpcyjna nie dowodzi naruszenia zasady zachowania energii. Dowodzi zmiany strumienia w określonym kanale obserwacyjnym. W stanie ustalonym gaz nie musi stale gromadzić energii; może oddawać ją innymi drogami.

Sprawdź wniosek: czy obserwator zbierający tylko 6 J może powiedzieć, że pozostałe 4 J przestały istnieć? Nie, dopóki nie zbada pozostałych kierunków i materii. Dokładnie ten sam błąd popełnilibyśmy, traktując głębokość jednej ciemnej kreski jak pełny bilans energii gwiazdy i otaczającego ją gazu.

Powiązana teoria

Widma liniowe: jak odczytywać skład bez pobierania próbki gwiazdy?

Dalsza lektura

Materiał referencyjny