BLOG
Samuel Kováčik
Samuel Kováčik
5 812

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.

1
Viditeľné spektrum a odpovedajúce vlnové dĺžky (v nanometroch). Naľavo pokračuje ultrafialová, napravo infračervená.

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.

2
Pri prechodoch na nižšiu energetickú hladinu atóm fotón vyžiari, pri prechode na vyššiu ho potrebuje zachytiť.

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.

3
Hore : chýbajúce vlnové dĺžky sú tie, ktoré dokáže vodík zachytiť a preskočiť na vyššiu hladinu Dole : pri prechode na nižšiu hladinu ich zas vyžiari. Iné atómy vytvárajú v spektre štrbiny na iných miestach.

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.

4
Rozložené Slnečné svetlo. Čiary A,B,a odpovedajú kyslíku; H,F vodíku (to už viete) atď.

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)

 

Zdroj obrázkov : wikipedia.org a internet

Text je súčasťou blogov Denníka N, nie je redakčným obsahom.
Administrátorov blogov môžete kontaktovať na adrese blog@dennikn.sk.

Aj priestor pre blogerov Denníka N vznikol vďaka vám. Predplaťte si nás a podporte našu snahu o kvalitnú žurnalistiku.

Pridajte sa k predplatiteľom

Dnes na DenníkN.sk

Absolvent teoretickej fyziky na Bratislavskom Matfyze, momentálne pôsobiaci na výskumnom inštitúte v Dubline.

Blogy

|