Реликтовое излучение

Серия Бальмера: эмиссионный спектр водорода

Названа в честь швейцарского математика Иоганна Бальмера, серия Бальмера описывает спектральные линии излучения водорода. Сама серия образуется при переходе электрона с высокого энергетического уровня на более низкий.

Образование серии Бальмера

Своим красным цветом эмиссионная Туманность Ориона обязана нейтральному атомарному водороду, излучающему в первой линии Бальмера H с длиной волны . Переходы между энергетическими уровнями обозначаются греческими буквами. Например, переход с третьего уровня на второй обозначается .

Спектральные линии в серии Бальмера

Видимые линии излучения водорода включают красную линию H, имеющую длину волны , а также линии H и H в ультрафиолетовой области. Длины волн конкретных линий удовлетворяют формуле Бальмера:

где = 3, 4, 5, 6; = 3645,6 Å.

Другие спектральные серии

В настоящее время для серии Бальмера используется частный случай формулы Ридберга:

где — длина волны, ≈ 109737,3157 см−1. Первые 4 линии серии находятся в видимом диапазоне, остальные — в ультрафиолетовом диапазоне.

История и значимость

Иоганн Бальмер предложил простую формулу для объяснения излучения водорода, которая позднее получила развитие от других ученых, таких как К. Рунге, Й. Ридберг и В. Ритц. Сегодня эта формула используется не только для водорода, но и для описания спектральных линий других элементов.

Эта серия спектральных линий открывает двери для понимания строения атомов и спектрального анализа, имея большое значение в физике и химии.

Формула Бальмера: физический смысл

Безрезультатные попытки объяснить физический смысл формулы Бальмера продолжались почти 28 лет. В начале 1913 года Нильс Бор работал над тем, чтобы устранить противоречия между классическими законами физики и предложенной Резерфордом планетарной моделью атома. Спектроскопист Ханс Хансен посоветовал Бору обратить внимание на спектральные формулы.

Исследования реликтового излучения

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Георгием Гамовым в 1948 году в рамках теории Большого взрыва. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Реликтовое излучение рассматривается как одно из основных подтверждений теории Большого взрыва.

Первое обнаружение

Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они не учитывали закон Планка и были зависимы от расположения наблюдателя. Результаты Гамова были дополнительно подтверждены в 1960-х годах. Создание радиометра Дикке позволило провести более точные измерения спектра реликтового излучения.

Измерения и карты

Спектрофотометр FIRAS на спутнике COBE сделал наиболее точные измерения спектра реликтового излучения, подтвердив его соответствие абсолютно чёрному телу с температурой 2,725 К. Карта реликтового излучения WMAP дала возможность построить подробную карту анизотропии излучения.

Таким образом, исследования реликтового излучения продолжаются и приносят новые данные для понимания происхождения Вселенной.

Восстановленная карта Анизотропии Реликтового Излучения

Восстановленная карта (панорама) анизотропии реликтового излучения с исключённым изображением Галактики, изображением радиоисточников и изображением дипольной анизотропии. Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области. По данным спутника WMAP

Карта дипольной анизотропии реликтового излучения (горизонтальная полоса — засветка от галактики Млечный Путь). Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области. По данным спутника WMAP

Отношение к Большому взрыву

Фотоны микроволнового излучения рассеиваются на свободных зарядах, таких как электроны, которые не связаны в атомах. В ионизированной Вселенной такие заряженные частицы были выбиты из нейтральных атомов ионизирующим ультрафиолетовым излучением. Сегодня эти свободные заряды имеют достаточно низкую плотность в большей части объёма Вселенной, так что они не влияют заметно на реликтовое излучение. Однако если межгалактическая среда была ионизирована на очень ранних этапах расширения, когда Вселенная была намного плотнее, чем сейчас, то это должно было вызвать два основных следствия для реликтового излучения:

  • Изменение углового распределения анизотропии с гармониками
  • Искажение полного временного профиля линейно поляризованных многочастичных структур

Оба этих эффекта наблюдались космическим телескопом WMAP, что свидетельствует о том, что Вселенная была ионизирована на очень ранних этапах (на красном смещении более 17). Происхождение этого раннего ионизирующего излучения всё ещё является предметом научных дискуссий. Это излучение, возможно, включает свет самых первых звёзд, сверхновых, которые явились результатом эволюции этих звёзд, и ионизирующее излучение, возникающее при аккреционных дисках массивных чёрных дыр.

Наблюдения реликтового излучения

Радиотелескопы в Антарктиде:

Спектр мощности реликтового излучения (распределение энергии по угловым масштабам, то есть по мультиполям. Спектр получен по данным наблюдений: WMAP (2006), Acbar (2004) Boomerang (2005), CBI (2004) и VSA (2004). Розовая область показывает теоретические предсказания.

Анализ реликтового излучения с целью получения его карт, углового спектра мощности, а в конечном итоге космологических параметров, является сложной, вычислительно трудной задачей. Хотя расчёт спектра мощности на основании карты является принципиально простым преобразованием Фурье, представляющим разложение фона по сферическим гармоникам, на практике трудно учитывать шумовые эффекты.

Для анализа данных используются специализированные пакеты:

  • Healpix
  • S2LET
  • PolSpice

Каждый пакет использует свой формат хранения карты реликтового излучения и свои методы обработки.

Исследование реликтового излучения в научно-фантастическом мире

В незавершенном научно-фантастическом сериале Звёздные врата: Вселенная исследование реликтового излучения — главная миссия Судьбы, беспилотного корабля расы Древних.

Согласно мифологии сериала, Древние устанавливают, что реликтовое излучение содержит в себе сложно структурированный сигнал и, возможно, носит искусственный характер. Однако, начав эксперимент миллионы лет назад, Древние так и не довели его до конца из-за своего вознесения. К моменту начала сериала Судьба продолжает путь в автоматическом режиме в миллионах световых лет от Земли к предполагаемому источнику сигнала, ожидая возвращения своих создателей.

Значение реликтового излучения в научной литературе

В китайском научно-фантастическом романе Задача трех тел и сериале, снятом по этому произведению, инопланетяне демонстрируют одному из главных героев искусственное мерцание вселенной в реликтовом излучении.

Постоянная Ридберга и её значение

Данная константа изначально появилась как эмпирический подгоночный параметр в формуле Ридберга, описывающей спектральные серии водорода. Позже Нильс Бор показал, что её значение можно вычислить из более фундаментальных постоянных, объяснив их связь с помощью своей модели атома (модель Бора).

Постоянная Ридберга является предельным значением наивысшего волнового числа любого фотона, который может быть испущен атомом водорода.

Таблица значений постоянной Ридберга для различных атомов:

АтомЗначение постоянной Ридберга (в м⁻¹)
Водород10 973 731,568 160(21)
Гелий5 739 302,5
Литий3 360 776,9

Как видно из таблицы, с увеличением массы ядра значение постоянной Ридберга стремится к определённому значению, которое является пределом для водородоподобных атомов.

Применение постоянной Ридберга в атомной физике

Постоянная Ридберга также используется в качестве единицы измерения энергии, называемой ридбергом, где 1 ридберг соответствует энергии фотона с определённой частотой.

В заключение, постоянная Ридберга играет важную роль в атомной физике и спектроскопии, а её значения определяют важные характеристики атомов и молекул.

Для обычных атомов приведённая масса, выражающаяся как , близка к массе электрона, поскольку , а значит и Однако для атома позитрония, состоящего из электрона и позитрона — частиц с одинаковой массой, приведённая масса равна , и, следовательно,

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *