Čiarové kódy prírody
Slnko je tvorené prevažne z vodíka a hélia, no obsahuje aj kyslík, uhlík, neón a mnohé ďalšie plyny. Ako to môžeme vedieť?
Odpoveď na túto otázku sa skladá z dvoch častí. Ako dobre vedia nielen fanúškovia skupiny Pink Floyd, (biele) svetlo sa skladá z rôznych farieb. Ak zasvieti slnečný lúč na hranol zo skla – rozdelí sa na jednotlivé farby. Rôznym farbám odpovedajú rôzne vlnové dĺžky, napríklad modrá farba má vlnovú dĺžku 450 nanometrov, červené zas 620 nanometrov. Svetlo je tvorené z malých častíc, voláme ich fotóny. Významným objavom vo fyzike bolo zistenie, že energia fotónov závisí (nepriamo úmerne) od ich vlnovej dĺžky – fotóny modrého svetla majú väčšiu energiu ako fotóny červeného svetla.
Druhá časť odpovede súvisí s kvantovou mechanikou (nebojte sa, nebude to bolieť). Najvýznamnejšie triumfy fyziky v minulom storočí súvisia so skúmaním atómov, ktoré vykazujú mnohé vlastnosti, na ktoré v “bežnej” fyzike nie sme zvyknutí. Jednou z nich je, že sa atómy môžu nachádzať len v diskrétnych stavoch – vysvetlíme si to na príklade klasických a digitálnych hodiniek. Na klasických hodinkách sa sekundová ručička pohybuje plynulo – ukazuje 1. sekundu, 2. sekundu a ak máte rýchle oči, tak ju uvidíte ukazovať aj 1,23 sekundy (a aj všetky hodnoty medzi nimi). Pre digitálne hodinky to neplatí – ukazujú 1. sekundu, potom 2. sekundu a nič medzi tým. Z toho pohľadu sa atómy podobajú na digitálne hodinky – môžu byť len v diskrétnych stavoch (a preskakovať medzi nimi).
Rôzne stavy môžu mať rôzne energie a veľkou časťou kvantovej mechaniky je ich výpočet. Vždy, keď atóm preskakuje do stavu s inou energiou, musí tento rozdiel buď prijať, alebo odovzdať. Prebytočnej energie sa atóm zbavuje tak, že vyžiari drobné kvantum energie – fotón. Ak to zas atómu vyhovuje pre skok na vyššiu hladinu, okoloidúci fotón zachytí.
Zoberme si jeden konkrétny príklad – atóm vodíka. Za výpočet možných energií vodíka dostal Nobelovu cenu za fyziku Erwin Schrödinger. Vďaka nemu vieme, že ak skočí vodík z tretej hladiny na druhú tak vyžiari fotón s vlnovou dĺžkou 656 nanometrov – a to je práve červené svetlo. Ak tam skočí až z hladiny piatej, tak vyžiari svetlo s vlnovou dĺžkou 434 nanometrov – čiže modré. Funguje to aj naopak. Ak na vodík v druhej hladine zasvietite modrým svetlom, zachytí fotón a vyskočí na hladinu piatu.
Možných preskokov medzi hladinami vodíka je veľa, vo viditeľnom spektre je okrem spomínanej 434 nanometrovej modrej a 656 nanometrovej červenej ešte niekoľko ďalších hodnôt. No a teraz sme pripravení na veľké rozuzlenie – čo sa stane, ak pustíme biele svetlo cez plyn vodíka? Väčšina fotónov cez neho prejde bez povšimnutia, ale časť z nich s vlnovými dĺžkami na ktoré ma vodík chuť sa zachytí (vďaka čomu sa dostane na vyššiu energetickú hladinu) a neprejde ďalej. Ak takéto svetlo necháme prejsť hranolom, uvidíme v jeho spektre štrbiny! Kľúčové je, že rôzne atómy majú rôzne energetické hladiny, tým pádom pohlcujú (a vyžarujú) fotóny s inými vlnovými dĺžkami a tvoria tak iné štrbiny.
Týmto štrbinám v spektre sa hovorím spektrálne čiary a tak ako rôzne čiarové kódy v obchode odpovedajú rôznemu tovaru, tak rôzne spektrálne čiary odpovedajú rôznym atómom a molekulám. Na základe spektrálnych čiar tak dokážeme určovať nielen chemické zloženie plynov v laboratóriach a atmosfére Zeme, ale aj Slnka, či vzdialených (exo)planét. Stačí svetlo rozložiť na jednotlivé farby a pozrieť sa, ktoré vlnové dĺžky v ňom chýbajú.
Poznámky pod čiarou :
1. Presnejšie je povedať, že sa atómy nachádzajú v diskrétnych stavoch, alebo v ich superpozíciach.
2. Erwin Schrödinger odvodil rovnicu, podla ktorej dokážeme hľadať energie rôznych stavov atómov a molekúl. Energie atómu vodíka sú len jej najjednoduchšou aplikáciou.
3. V prípade Slnka sa spektrálne čiary volajú Fraunhoferove (podľa ich objaviteľa, aj keď v jeho dobe sa ich podstate ešte nedalo plne rozumieť)
