Fraunhofer lines

Joseph von Fraunhofer.
Kuva Wikimedia Commons.

Tämä blogikirjoitus syntyi hieman erikoisella tavalla, jota en ole aikaisemmin käyttänyt. Joskus sopivien kirjoitusten aiheiden löytäminen ei ole aivan niin itsestään selvää kuin luulisi. Tavallisesti aihe pomppaa esiin jostain ajankohtaisesta uutisesta, joka selvästikin vaatii aiheen käsittelyn syventämistä.

Tällä kertaa aihe valikoitu arpomalla. Otin kirjahyllystäni kirjan nimeltään ”A Dictionary of Physical Sciences” ja sitä satunnaisesti ”pläräämällä” ja sormella tökkäämällä aiheeksi valikoitu ”Faunhofer lines. Ei huono aihe, sillä se liittyy yhteen tähtitieteen perustutkimusmenetelmiin nimittäin spektroskopiaan.

Joseph Fraunhofer (1787–1826) oli saksalainen optikko, hienomekaanikko ja ennen kaikkea tutkija ja keksijä, jonka saavutukset ovat perustavaa laatua vielä edelleenkin (mm. akromaattinen objektiivi). Yksi hänen saavutuksistaan oli tummien viivojen havaitseminen Auringon spektristä. Löydön hän teki vuonna 1814 keksimällään instrumentilla, jota nykyisin kutsutaan spektroskoopiksi.

Tarkasteltuaan uudella laitteella tulenliekkiä, hän havaitsi valon jakaantuneen kirkkaiksi viivoiksi. Hän arveli auringonvalon muodostuneen samalla tavalla ja liitti laitteensa kaukoputkeen. Hänen ja muun maailman yllätykseksi Auringon spektrissä hän näkikin 574 tummaa viivaa. Ne ovat absorptioviivoja, joiden syntytavan selvittivät Gustav Kirchhoff (1824–1887) ja Robert Bunsen (1811–1899) vuonna 1859.

Fraunhofer esittelee spektroskooppinsa
toimintaa. Richard Wimmerin
 kaiverrustyö.
Kuva public domain /
Wikimedia Commons.

Ensimmäisten spektroskooppien valoa taittavana elementtinä oli kruunulasinen prisma^[1]. Fraunhofer ei kuitenkaan tyytynyt prismaan, vaan onnistui kehittämään käyttökelpoisen valon aallonpituudet erottelevan hilan vuonna 1821. Hila ei kuitenkaan ollut varsinaisesti Fraunhoferin keksintö, sillä senkin perusperiaate tunnettiin jo varhemmin^[2]. Fraunhofer onnistui havaitsemaan Siriuksen ja muutaman muun kirkkaan tähden spektrin ja totesi niiden poikkeavan Auringon spektristä.  Hilasta muodostuikin tähtitieteen perustyökalu ja uuden tutkimusalan, spektrokopian, peruspilari.

Sähkömagneettinen säteily emittoituu kun atomin elektronit siirtyvät suuremmalta energiatasolta pienemmälle. Vapautunut energia poistuu fotonina, jonka aallonpituus vastaa vapautuneen energian määrää. Jokaisella alkuaineella on elektronikuorillaan määrätyt energiatasot, joten niillä on myös useita erilaisia aallonpituuksia joita ne voivat emittoida (säteillä).

Jokainen aine siis säteilee sille tyypillisillä aallonpituuksilla ja aallonpituuksien suhteellinen osuus määräytyy säteilevän aineen lämpötilasta. Aineen emissio näkyy spektroskoopissa vaaleina viivoina ja valosäteilevän aine voidaan tunnistaa näiden viivojen aallonpituuksista.

Kontinuumspektri.

Auringon säteilemä valo muodostuu kuitenkin hyvin laaja-alaisesti fotosfäärissä ja sen spektristä emissioviivoja on äärimmäisen vaikea havaita. Tällöin puhutaan kontinuumispekristä ja sen perimmäinen syy on emission^[3] lähteen, plasman, jatkuva ”kiehuva” liike ja voimakkaiden magneettikenttien olemassa olo. Asiaan vaikuttaa Dopler-ilmio, eli emissioviivojen siirtyminen spektrissä sen mukaan muhin suuntaan aine havaitsijan suhteen liikkuu. Jos aineen liike on havaitsijaa kohti, spektriviivojen aallonpituus lyhenee ja jos liike on poispäin, aallonpituus pitenee. Tällöin puhutaan sini- ja punasiirtymästä. Auringossa tapahtuu kaiken aikaa molemman suuntaista liikettä, joten siirtymiset ovat molempiin suuntiin. 

Magneettikentät leventävät spektriviivoja. Tällöin puhutaan Zeemannin^[6] ilmiöstä. Yhdessä nämä ilmiöt sekoittavat spektriviivat toisiinsa, jolloin näemme kontinuumispektrin ja josta yksittäisiä viivoja on vaikea ellei aivan mahdotonta erottaa toisistaan.

Vedyn spektri.
Kuva Wikimedia Commons.

Fraunfoferin havaitsemat tummat spektriviivat syntyvät hieman toisella tapaa, vaikka ovat aallonpituudeltaan samoja kuin emissiospektrissä. Tummat viivat ovat absorption^[3] aikaansaamia siten, että fotosfäärin yläpuolella oleva kaasukerros imee itseensä kontinuumspektristä kunkin aineen sille tyypillisiä aallonpituuksia. Kun fotosfäärin plasmassa on samoja aineita kuin Auringossa yleensäkin, absorptioviivat muodostuvat vetyyn, heliumiin ja (vähäisistä määristä) muihin aineisiin imeytyneistä aallonpituuksista. Heliumin spektriviivat tunnistettiin^[4]  Auringon spektristä ennen kuin ainetta oli löydetty maapallolta^[5].

Huomautukset

[1] Prisman valoa taittava ominaisuus oli tunnettu jo huomattavasta aikaisemmin. Isaac Newton oli käyttänyt sitä tutkimuksissaan vuonna 1666.

[2] Hilan keksijänä pidetään skotlantilaista matemaatikkoa James Gregoryä, joka havaitsi linnun siipisulasta heijastuneen valon jakaantuneen spektrin väreihin vuonna 1667. Ensimmäisen hilan valmisti yhdysvaltalainen astronomi David Rittehouse vuonna 1785.

[3] emissio on valosäteilyä ja absorptio on valon imeytymistä.

Heliumin spektri.
Kuva Wikimedia Commons.

[4] Auringon heliumin havaitsivat Pierre Janssen, Joseph Locker ja Edward Frankland vuonna 1868.

[5] Maapallolta helium löytyi Dexterissä (Kansas, USA) maaperäkairausten yhteydessä kaasutaskusta purkautuneesta kaasusta otetusta näytteestä, josta peräti 1,8 % oli aikaisemmin tunnistamatonta kaasua. Se osoittautui samaksi aineeksi josta oli saatu spektriviivat Auringon spektristä. Löydön tekivät Halmiton Cady ja David McFarland vuonna 1903.