ספקטרום השמש

ספקטרום השמש הוא ספקטרום רציף של אור הנפלט מהשמש. את ספקטרום השמש ניתן לתיאור על ידי מודל גוף שחור, אך גם נראים בו קווי פליטה בדידים, שלפיהם ניתן לדעת על שכיחות היסודות הכימיים על פני השמש. השכיחות הגדולה ביותר היא של מימן והליום. קיומו של היסוד הליום התגלה לראשונה מהספקטרום של השמש, ובתחילה נחשב ליסוד המצוי רק על פני השמש, ומכאן שמו (רק מאוחר יותר הוא התגלה גם על פני כדור הארץ).

ספקטרום רציף עם קווי בליעה, כפי שמתקבל מהשמש

היסטוריה

בשנת 1666, אייזק ניוטון ערך ניסוי בו הציב מנסרה משולשת אל מול סדק בתריס, דרך הסדק עברה אלומת אור מהשמש אשר התפצלה לצבעי הקשת בעוברה במנסרה, זאת כך אשר ניוטון ראה על פני מסך שהציב מאחורי המנסרה את ספקטרום השמש. ניוטון לא הבחין בקווי הבליעה על פני הספקטרום כיוון שהאמצעים האופטיים שהיו בידיו, ככל הנראה, לא היו מספיק מדויקים. ניוטון קבע כי המנסרה מפרידה את האור למרכיביו - צבעי הספקטרום, מה שעורר פולמוס באותה תקופה, כיוון שעד גילוי זה רווחה הדעה כי גורם כלשהו במנסרה עצמה מעניק לאור את צבעיו.

ב-1802 ויליאם וולסטון הבחין בקווים הכהים בספקטרום השמש. הוא חשב כי מדובר בגבולות טבעיים כלשהם של הצבעים ודיווח על תגליתו אך לא התעמק בעניין.

פראונהופר עם הטלסקופ

מספר שנים לאחר מכן, בשנת 1814, יוזף פראונהופר הצליח לספור את הקווים הכהים כאשר השתמש בטלסקופ במקום במסך של ניוטון. הוא הגיע לכדי 576 קווים כהים. ולכן קווים אלה נקראו על שמו - קווי פראונהופר. הוא אף החל להבחין כי הקווים הכהים זהים במיקומם ובמרחקם זה מזה לקווי הפליטה אשר מופיעים בספקטרום הפליטה של יסודות מסוימים.

גילוייו הובילו את החוקרים גוסטב קירכהוף ורוברט בונזן ב-1861 למציאת הסבר לקווי פראונהופר בספקטרום השמש. השניים צלחו בזיהוי היסודות על פני השמש על ידי השוואת קווי הבליעה המתקבלים לקווי פליטה של יסודות שונים. הם העלו את הטענה כי חלק מן האור המגיע מן השמש נבלע בכרומוספירה של השמש על ידי היסודות הנפוצים בה, ולכן על כדור הארץ מתקבל ספקטרום רציף עם קווי פראונהופר. קירכהוף ניסח חוקים בעקבות הממצא:

• מוצק, נוזל או גז דחוסים ולוהטים פולטים קרינה אלקטרומגנטית שהספקטרום שלה רציף
• גז לוהט בצפיפות נמוכה, או גז בצפיפות נמוכה העובר התפרקות חשמלית, פולטים ספקטרום המורכב מקווי אור בדידים האופייניים לסוג הגז.
• כאשר אור לבן, כלומר אור בעל ספקטרום רציף, עובר דרך שכבת גז שצפיפותה נמוכה, מתקבל ספקטרום רציף אך עם קווים אפלים - קווי בליעה - האופייניים לסוג הגז.

היסוד הליום על שם אל השמש היווני הליוס, התגלה על פני השמש בזכות קווי פראונהופר בשנת 1868 עת ליקוי חמה בהודו, הוא התגלה על ידי אסטרונום צרפתי בשם פייר ג'אנסן שחשב את הקו בטעות לנתרן. החוקר נורמן לוקייר האנגלי גילה באותה שנה כי מדובר ביסוד חדש, שלעולם לא נמצא עד אז על פני כדור הארץ, ולכן החליט לקרוא ליסוד יחד עם אדוארד פרנקלנד בשם הליום. הראשונה שקראה נכון את ספקטרום אור השמש הייתה ססיליה פיין-גפושקין

עקרונות יסוד

קרינה רציפה מהשמש

גוף חם פולט קרינה אלקטרומגנטית בכל ארכי הגל, כל אורך גל מסמל קו צבע מסוים וספציפי בספקטרום ואנרגיה שמתאימה לאורך הגל.

תהליך הפליטה של כל אורכי הגל בספקטרום השמש מתרחש הודות לטמפרטורות העצומות השוררות עלייה, השמש היא כוכב מטיפוס G לפי הסיווג ספקטרלי. כוכבים בקבוצה זו הם בעלי טמפרטורות של כ-6000K ויש בספקטרום שלהם קווי מימן חלשים (בהתאם להרכבם הכימי). כתוצאה מהטמפרטורה הגבוהה, השמש מתנהגת כמו גוף שחור ופולטת קרינה הקרויה קרינת גוף שחור, קרינה אשר תלויה אך ורק בטמפרטורת הכוכב. קרינת הגוף השחור מגיעה מן השמש מכיוון שבטמפרטורה גבוהה כל כך האטומים של היסודות השונים בשמש מצויים במצב המעורער (כלומר מעל מצב היסוד n=1), ולכן מתרחשת תופעת פליטה של פוטונים בכל אורכי הגל. ואלה נפלטים בקרינה באופן רציף, מה שאמור ליצור לכאורה ספקטרום רציף המכיל את כל הצבעים הנראים.

אולם על כדור הארץ וגם מחוצה לו אין רואים ספקטרום רציף לגמרי של השמש, כאשר מתבוננים בו דרך מנסרות שונות. אם מביטים היטב על רצף הצבעים ניתן להבחין בקיומם של פסים כהים, הם קווי פראונהופר. קווי פראונהופר (על שם הפיזיקאי יוזף פראונהופר) המופיעים כאשר מעבירים אלומת אור מהשמש דרך מנסרה, מאפיינים בעצם את היסודות בעלי הסבירות הגבוהה ביותר להיות הנפוצים על פני חמה. קווים אלה מופיעים עקב תהליכי בליעה בכרומוספירה של השמש.

הבליעה של האור

כאשר יסודות נמצאים במצב היסוד שלהם, בו האנרגיה של אלקטרונים היא הנמוכה ביותר, הרי שיכולה להתרחש תופעת הבליעה באטום. במהלך תופעה זו אלקטרון בולע פוטון בעל אורך גל מדויק שמתאים לאותו הפרש אנרגיה שדרוש למעבר בין המסלול הראשון (רמת היסוד, n=1) למסלול "מותר" אחר, גבוה יותר (המהווה מצב מעורר, כלומר בעל אנרגיה גבוהה). תנאים מתאימים לכך נמצאים במעטפת השמש, הכרומוספירה עם הצפיפות הגבוהה והטמפרטורה היחסית קרה לשמש עצמה. לכן גם ניתן להבחין באותם קווי פראונהופר המופיעים על פני הספקטרום המתקבל מהשמש. אותם קווים מציינים את אורכי הגל והאנרגיה של הפוטונים השונים שנבלעו על ידי היסודות הנפוצים במעטפת, לפיהם ניתן לבדוק על ידי השוואה לספקטרום פליטה של יסודות שונים, אילו יסודות מצויים על פני השמש (לכל יסוד מבנה רמות אנרגיה אלקטרוניות אופייני לו, וההפרש בין רמות המעבר מתאים לאורך גל הפוטון המתאים הנפלט.

לדוגמה: כאשר לפוטונים הנפלטים מהשמש אורך גל המתאים למעבר אלקטרון של יסוד כלשהו המצוי בכרומוספירה לרמת אנרגיה גבוהה יותר, הם ייבלעו במעברם דרכה החוצה. אמנם, לאחר מכן אטומים מעוררים אלה יפלטו פוטונים באותו אורך-גל בדעיכתם חזרה לרמות נמוכות יותר, אבל מאחר שכיווני פליטה זו אקראיים, הרי שהם יגיעו לעין הצופה על כדור הארץ, דרך אמצעים אופטיים המשמשים לכך, בעוצמה חלשה בהרבה, יחסית לפליטה ללא בליעה בכרומוספירה, עובדה היוצרת הבדלי עוצמה משמעותיים בין אורכי-הגל בספקטרום השמש, כאשר החלשים ביותר בהם, הנראים שחורים, נקראים קווי פראונהופר.

ראו גם

• ספקטרומטר אופטי
• השמש
• ספקטרום
• ספקטרום רציף
• ספקטרום בליעה
• קווי פראונהופר
• קרינת השמש

לקריאה נוספת

• הספר "היקום המשתנה- מהלך חייהם של כוכבים" מאת מאיר מידב וחגי נצר
• בריטניקה לנוער, כרך י"א, ערך ספקטרום.
• הספר "קרינה וחומר מודלים של האטום והגרעין" מאת עדי רוזן.