Záhada Fraunhoferových čar

27. srpen 2009 | 06.00 |
› 

Fraunhofer

Sluneční spektrum rozložené optickým hranolem nebo mřížkou se na první pohled jeví zcela souvislé – spojité. Tak to také vnímal Newton, který sluneční světlo hranolem  rozložil na duhu a následně dalším převráceným hranolem složil tyto duhové složky zpět do bílého světla. Ovšem sluneční spektrum obsahuje velké množství černých čar! Všiml si toho až Josef von Fraunhofer.

Fraunhofer byl brusičem čoček v optické dílně v Mnichově. Když jednoho dne v dílně leštil čočky do brýlí spadnul na něj strop. Majitel dílny byl tak překvapen tím, že se Fraunhofer šťastně zachránil, že mu z radosti věnoval pěknou finanční částku. To umožnilo Fraunhoferovi stát se ve svých 24 letech ředitelem společnosti, následně k jeho finanční nezávislosti a možnosti svobodně se věnovat optickým experimentům.

Snažil se zdokonalit výrobu speciálních skleněných čoček, které by při zobrazování například v dalekohledech, poskytovaly obrazy bez duhových okrajů, tedy bez barevných vad čoček. Hledal různé druhy skel a přitom srovnával jejich indexy lomu. K tomu potřeboval zdroj světla jedné barvy, k čemuž použil právě spektroskop, kterým zkoumal sluneční spektrum.

Sluneční světlo neprocházelo před dopadem na hranol malou dírkou, ale dlouhou tenkou štěrbinou v kovové desce. Tím se vytvořilo dlouhé pásové spektrum, které pak sledoval pod mikroskopem. Spatřil však něco podivného – pás spektra byl přerušen černou čárou, tenkou jako vlas. Takových čar při podrobném zkoumání našel mnohem víc. Nebyl prvním člověkem, který si tohoto jevu všiml, uviděl je totiž už 12 let před ním anglický metalurg William Wallaston. Ten viděl takových čar pouze 7 a pokládal je navíc omylem za rozhraní mezi jednotlivými barvami ve spektru. Fraunhofer objevil, že temné čáry jsou vidět, i když místo hranolu použil difrakční mřížku (leštěnou kovovou destičku pokrytou velkým množstvím rovnoběžných vrypů, které rozkládají sluneční světlo na jednotlivé barvy podobně jako hranol).

Tím přinejmenším dokázal, že pozorované temné čáry nevyvolal hranol, ale jsou vlastní slunečnímu světlu.

Časem získal ještě dokonalejší spektroskop a v roce 1823 měl už proměřenu polohu 574 spektrálních čar. Nejvýznamnější z nich pojmenoval písmeny abecedy. Fraunhoferovy černé čáry neodpovídají ani tak chybějícím barvám světla jako chybějícím vlnovým délkám. V současné době znají astronomové více než 25000 vlnových délek Fraunhoferových čar.Znečišťují sluneční spektrum podobně jako proužky čárového kódu na zboží v supermarketu.

Fraunhofer zkoumáním přišel na 400 vhodných barevných světel, jeho temné čáry posloužily zprvu ke hledání a srovnávání indexů lomu nejrůznějších skel. Stejné čáry pak pozoroval ve spektru dalších pozorovaných hvězd a tím bylo dokázáno, že hvězdy jsou něco podobného jako naše Slunce.

Uplynulo však dalších více než 30 let, než se záhada Fraunhoferových čar vysvětlila. Podařilo se to německému fyziku Gustavu Kirchhoffovi. Ve spolupráci s chemikem z Heidelbergu Robertem Bunsenem pozorovali spektrum světla plamene z různých látek přesným spektrometrem. V něm zjistili, že každý chemický prvek má odlišné vlastní spektrální čáry, tak jako se liší otisky palce lidí na světě. Kirchhoff porovnával spektra získaná v plameni se spektrem Slunce a všiml si několika významných tmavých čar ve žluté oblasti slunečního spektra. Označil je písmenem D. Zaujímaly přesně stejnou polohu jako dvojice čar ve spektru plamene syceného sodíkem. Domníval, se, že musí existovat spojitost mezi slunečním zářením a sodíkem. Ve snaze zjistit, co to znamená, nechal Kirchhoff procházet sluneční světlo plamenem sodíku. Ve slunečním světle prošlém plamenem překryly sluneční tmavé čáry D přesně jasné čáry sodíku. Očekával, že tyto čáry se zjasní, ale naopak ztmavly. Vysvětlením by bylo, že sodík v plameni absorboval sluneční světlo přesně na vlnových délkách slunečních čar D. Někde po cestě k Zemi bylo sluneční světlo pohlceno jiným sodíkem, který by byl chladnější než Slunce. Jedinou možností pak bylo uznat, že se sodík musí také nacházet v relativně chladnější vnější sluneční atmosféře. Vycházel přitom z prací Anderse Angstroma, který 5 let před ním objevil, že plyn vždy pohlcuje světlo stejných vlnových délek, jako světlo vyzařuje. Když je plyn teplejší než světelný zdroj, pak více světla vyzařuje než pohlcuje a vytváří ve spektru jasnou čáru. Když je naopak plyn chladnější než zdroj světla, stane se opačná věc: více světla se pohltí než vysílá a tím vznikají ve spektru ony tmavé čáry.

Kirchhoff dokázal, že i na Slunci se vyskytuje stejný prvek jako na Zemi – sodík. Pak znovu procházel sluneční spektrum a hledal další charakteristické stopy chemických prvků a objevil železo. Záhada Fraunhoferových čar byla rozluštěna – ve slunečním spektru jsou "otisky prstů" všech různých atomů, které na Slunci existují. Našel vápník, uhlík, také stříbro, křemík, zirkon, zinek... Slunce je složeno z atomů stejných prvků jako Země (pochopitelně v jiném procentuelním zastoupení). Později byla objevena výrazná čára, která dosud neodpovídala žádnému známému prvku na Zemi.

Srovnáváním tmavých čar ve spektru světla pozorovaných hvězd s jasnými čarami vytvořenými prvky v laboratoři je dne běžně možné určit složení hvězd. Zrodila se zcela nová věda – astrofyzika.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 2 (6x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře

RE: Záhada Fraunhoferových čar stm 27. 08. 2009 - 07:50
RE: Záhada Fraunhoferových čar moriarty* 27. 08. 2009 - 15:43
RE(2x): Záhada Fraunhoferových čar fyzmatik 27. 08. 2009 - 17:55