Z czego zrobione są gwiazdy?

W przeciwieństwie do obiektów Układu Słonecznego, takich jak planety i satelity, gwiazdy nie są dostępne dla pojazdów kosmicznych lub, jak w przypadku Słońca, są zbyt gorące, by się do nich zbliżyć. Jak więc możemy je poznać, jeśli nie mamy możliwości wysyłania sond, łazików czy astronautów, którzy mogliby je zbadać? Odpowiedzi należy szukać w świetle gwiazd. Wiemy, że kolor gwiazd wskazuje na ich temperaturę (Ribeiro, 2015), jednak jak stwierdzić z czego są one zrobione? Odpowiedź ponownie znaleźć można w świetle gwiazd, a dokładniej w ich widmie.

Podczas festiwalu Science on Stage, który odbył się w Londynie w czerwcu 2015 roku, odbyła się dyskusja na temat połączenia łatwych eksperymentów z nauczaniem o chemicznym składzie gwiazd. Wówczas zrodził się pomysł na poniższe ćwiczenie. Uczniowie w wieku 15-18 lat badają podczas niego różne widma i mogą zrozumieć jak z ich pomocą zidentyfikować pierwiastki chemiczne w świetle lampy oraz, przede wszystkim, w świetle naszej najbliższej gwiazdy, Słońca.

Spektrum elektromagnetyczne

W swoim słynnym eksperymencie z 1666 roku Izaak Newton użył pryzmatu aby udowodnić, że światło może być rozszczepione na składające się na nie kolory oraz, że kolory te mogą zostać połączone ponownie tworząc białe światło. Pokazał, że kolory nie pochodzą z pryzmatu, jak uważano wcześniej, ale że są składowymi światła (falami o różnej długości). Wprowadził pojęcie ‘widma’, aby opisać kolory, a jego odkrycie zapoczątkowało naukę zwaną spektroskopią.

Newtonowi widmo słoneczne wydawało się być ciągłe, bez przerw w kolorach. Jednak w roku 1814 Joseph von Fraunhofer odkrył, że gdy światło wpadające przez wąską szczelinę zostanie wystarczająco rozproszone, jego widmo ukazuje pewną liczbę czarnych linii, nazywanych dziś liniami Fraunhofera (ryc. 1). 45 lat później linie te stały się podstawą do ustalenia składu Słońca przez Gustava Kirchhoffa i Roberta Bunsena.

W 1860 roku Kirchhoff i Bunsen badali różne rodzaje widm. Nie obserwowali ciemnych linii na jasnym tle, ale jasne linie na tle ciemnym, które emitowane były przez pierwiastki rozgrzane palnikiem gazowym Bunsena. Jeden z tych obrazów był widmem sodu (ryc. 2), które można uzyskać spalając sól kuchenną (NaCl) lub świecąc niskociśnieniową lampę sodową, jaką używa się do oświetlania ulicy.

Bunsen i Kirchhoff stwierdzili, że pierwiastki chemiczne mogą być identyfikowane przy pomocy tych linii emisyjnych i korzystając z tej wiedzy odkryli w ciągu dwóch lat dwa nowe pierwiastki: cez i rubid.

Kirchhoff zauważył też, że linie emisyjne pokrywają się z kilkoma liniami Fraunhofera. Na przykład jasnożółta linia widma sodu znajdowała się na tej samej pozycji co ciemna linia w żółtym rejonie widma słonecznego, oznaczona przez Fraunhofera jako D.

Opisane eksperymenty pokazały, że istnieją trzy podstawowe rodzaje widm: ciągłe, absorpcyjne i emisyjne. Pierwsze pokazuje wszystkie długości fal, drugie zawiera fale o niektórych długościach, a trzecie posiada ciemne linie na jasnym tle. Widma powstają zgodnie z trzema prawami spektroskopii Kirchhoffa:

1. Widmo ciągłe emitowane jest przez rozgrzane ciała stałe, płyny i gazy poddane wysokiemu ciśnieniu.
2. Widmo absorpcyjne powstaje, gdy widmo ciągłe przechodzi przez chłodny, rozrzedzony gaz.
3. Widmo emisyjne jest emitowane przez rozgrzany gaz poddawany niskiemu ciśnieniu.

Kirchhoff odkrył, że pierwiastki chemiczne są odpowiedzialne za powstawanie linii widmowych znajdujących się na tej samej pozycji w widmach emisyjnych i absorpcyjnych, ale również to, że Słońce zawiera sód. Aby zatem poznać skład Słońca i każdej innej gwiazdy należy po prostu porównać widma znanych pierwiastków z widmami tych gwiazd.

Uzyskiwanie widma różnych źródeł światła

Materiały

• Kilka źródeł światła (np. lampy żarowe, lampy fluorescencyjne, lampy uliczne, lampy neonowe).
• Spektroskopy – skonstruowane przy użyciu pudełka po płatkach śniadaniowych^w1 (zobacz pudełko do szkolnych eksperymentów) lub zakupione i złożone z zestawu minispektroskop (dostępne online^w2).
• Widma emisyjne różnych pierwiastków – odpowiednie ilustracje można znaleźć w książkach lub w Internecie^w3.
   

Konstruowanie spektroskopu

Materiały

• Pudełko po płatkach śniadaniowych
• Gruby papier
• Płyta CD
• Nożyczki
• Ciemna taśma

Wykonanie

1. Na jednej z wąskich stron pudełka zrób nacięcie, aby utworzyć poziomą szczelinę. Szczelina powinna być precyzyjna, możesz więc użyć taśmy, aby skleić ze sobą dwa małe kawałki papieru, pomiędzy którymi powstanie prześwit. Idealna szerokości szczeliny to 0,2 mm.
2. Przetnij płytę CD nożyczkami na pół. Po stronie przeciwnej do tej, na której wyciąłeś szczelinę, zrób poziome nacięcie. Powinno ono sięgać poza oba rogi pudełka. Zrób to w taki sposób, aby płyta CD umieszczona w nacięciu znajdowała się pod kątem 60° względem dna pudełka.
3. Wytnij dziurę we wierzchu pudełka, przez którą będzie można obserwować płytę CD.
4. Upewnij się, że do pudełka nie dostaje się żadne dodatkowe światło zaklejając brzegi płyty ciemną taśmą.

Więcej informacji na temat konstrukcji pudełka znajdziesz tutaj. 
 

Możesz również użyć składanego minispektroskopu dostępnego online^w2. Umożliwia on uczniom sfotografowanie obserwowanego widma przy pomocy smartfona.

Procedury

Porównanie widm

Poproś uczniów, aby przyjrzeli się widmom różnych źródeł światła przy użyciu spektroskopu. Uświadomi im to, że nie wszystkie źródła są takie same, ponieważ ich widma różnią się od siebie.

Pytania:

1. Jakie widmo jest emitowane przez każde ze źródeł światła?
2. Jakie wnioski dotyczące źródła światła można z tego wyciągnąć?
3. Które ze źródeł światła jest najpowszechniejsze i dlaczego?

Wyjaśnienie:

Uczniowie zaobserwują widma różniące się od siebie w zależności od źródła światła:

• Żarówka emituje spectrum ciągłe, w którym widoczne są wszystkie kolory.
• Lampy wyładowcze zawierają zazwyczaj hel (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr) i ksenon (Xe) (ryc. 3). Każdy z gazów wytwarza swoje własne widmo emisyjne.
• Lampy uliczne zwykle zawierają sód, więc utworzą widmo emisyjne sodu.
• Widmo emitowane przez żarówki LED zależy od półprzewodnika w żarówce. Niebieskie żarówki LED wytwarzają spektrum ciągłe z jaśniejszą niebieską częścią spektrum.
• Słońce wytwarza widmo ciągłe. Bardziej skomplikowany spektroskop pokaże ciemne linie absorpcyjne pochodzące od pierwiastków, przez które przechodzi światło w atmosferze Słońca.

Różnorodność widm wskazuje, że źródła światła oraz mechanizmy jego wytwarzania różnią się między sobą, z wyjątkiem Słońca i lamp żarowych. Najpowszechniejsze źródło światła to lampy żarowe, które posiadają widmo ciągłe, jak Słońce.

Analiza widm emisyjnych

Poproś uczniów, żeby zidentyfikowali pierwiastki obecne w różnych lampach wyładowczych porównując widmo lampy z obrazami widm emisyjnych różnych pierwiastków. Jest to podstawa spektroskopii jako metody analizy chemicznej.
 

Pytania:

1. Czy wszystkie linie widmowe mają takie samo natężenie?
2. Jaki jest związek pomiędzy liniami widmowymi a kolorem lampy?
3. Jak można użyć widm do identyfikacji pierwiastków chemicznych?

Wyjaśnienie:

Niektóre długości fal mają większe natężenie niż inne, co powoduje, że niektóre linie emisyjne są jaśniejsze. Wskazuje na to kolor lampy. Na przykład światło lampy sodowej ma żółtawy kolor, ponieważ lampa emituje głównie światło żółte, choć światło czerwone i zielone również są w niej obecne. Każdy pierwiastek ma właściwą dla siebie długość fali, więc można użyć widm do ich identyfikacji.

Rozwinięcie

Aby otrzymać dokładniejsze pomiary można przeprowadzić więcej ćwiczeń z użyciem spektroskopu, który wykrywa linie absorpcyjne Słońca oraz z pomocą odpowiedniego oprogramowania. Ryc. 4 i 5 powstały przy użyciu spektroskopu Ocean Optics Red Tide oraz programu LoggerPro.

Uzyskane widma różnią się od tych, które uzyskać można przy pomocy prostego spektroskopu. Zawierają one więcej informacji, w tym długość fali każdej linii widma oraz jej względne natężenie. Widmo słoneczne pokaże również, że obecność linii absorpcyjnych nie jest wynikiem całkowitego braku fal o pewnych długościach, ale że przyczyna tego stanu rzeczy tkwi w mniejszym natężeniu tych fal.

 

Materiały

• Spektroskop^w4 (bardziej zaawansowany od użytych wcześniej)
• Program do rejestracji danych^w5

Procedury

Uczniowie mogą uzyskać obraz widma słonecznego przy użyciu bardziej zaawansowanego spektroskopu. Program do rejestracji danych pokaże długości fal linii absorpcyjnych wybranych przez uczniów. Należy wybrać najbardziej oczywiste linie absorpcyjne. Obecne w widmie pierwiastki można zidentyfikować na dwa sposoby: 

1. Uczniowie porównują długość każdej fali z danymi w tabeli dostępnej np. na stronie Columbus Optical SETI Observatory^w6.
2. Uczniowie rejestrują widma emisyjne kilku pierwiastków, po czym porównują otrzymane linie z liniami w widmie Słońca. Liczba zanalizowanych pierwiastków ograniczona jest tu do tych obecnych w lampach wyładowczych. Można rozgrzać metale, aby otrzymać widma emisyjne, jednak będą w nich obecne linie pochodzące od innych pierwiastków. Na przykład linie o największym natężeniu na ryc. 6, powstałe podczas rozgrzewania magnezu, wynikają z obecności azotu.
    

Uzyskując widma pochodzące od różnych źródeł światła oraz pierwiastków chemicznych i porównując je z widmem słonecznym uczniowie nauczą się identyfikować skład Słońca i innych gwiazd.