Глава 2. Свет и вещество

2.4. Спектр

2.4.3. Эффект Доплера

1

Рисунок 2.4.3.1. Опыт Доплера. Неподвижный наблюдатель отмечает фальшивые ноты движущегося оркестра

В 1842 году австрийский физик и астроном Христиан Доплер установил, что длина волны λ, принятая наблюдателем, связана с длиной волны источника излучения соотношением:

где V – проекция скорости источника на луч зрения. Открытый им закон получил название закона Доплера:

2

Рисунок 2.4.3.2. Продольный эффект Доплера. По оси абсцисс отложена скорость источника, по оси ординат – наблюдаемая длина волны

Смещение линий в спектре звезды относительно спектра сравнения в красную сторону говорит о том, что звезда удаляется от нас, смещение в фиолетовую сторону спектра – что звезда приближается к нам. Вследствие обращения Земли вокруг Солнца со скоростью V = 30 км/с, линии в спектрах звезд, удаляющихся от Земли, смещены в красную сторону на Δλ/λ = V/c = 10^–4. Для линии λ = 500 нм смещение составит 0,05 нм (0,5 Å). Для звезд, приближающихся к Земле, линии будут смещены на такую же величину в фиолетовую сторону.

Модель 2.9. Эффект Доплера

Если линии в спектре периодически изменяются, то звезда имеет спутник и они обращаются вокруг общего центра масс.

Эффект Доплера дает возможность оценить скорость вращения звезд. Например, вследствие вращения Солнца западный край Солнца удаляется от нас, а восточный край – приближается к нам. Поэтому наибольшая линейная скорость вращения Солнца, которая наблюдается на экваторе, равная 2 км/с, дает доплеровское смещение линии l = 500 нм (5000 Å) в Δl = 0,035Å. При этом на полюсах Солнца доплеровское смещение линий уменьшается до нуля.

3

Рисунок 2.4.3.3. Эффект Зеемана

Даже когда излучающий газ не имеет относительного движения, спектральные линии, излучаемые отдельными атомами, будут смещаться относительно лабораторного значения из-за беспорядочного теплового движения. Для общей массы газа это будет выражаться в уширении спектральных линий. При этом квадрат доплеровской ширины спектральной линии пропорционален температуре: T ~ (Δl)². Поэтому особенно сильно линии уширяются в спектрах горячих звезд. Таким образом, по ширине спектральной линии можно судить о температуре излучающего газа.

Линии могут уширяться не только за счет эффекта Доплера. Не менее важной причиной является столкновение атомов.

В 1896 году нидерландским физиком Зееманом был открыт эффект расщепления линий спектра в сильном магнитном поле. С помощью этого эффекта теперь стало возможно «измерять» космические магнитные поля.

Похожий эффект (он называется эффектом Штарка) наблюдается в электрическом поле. Он проявляется, когда в звезде кратковременно возникает сильное электрическое поле.

Близко расположенные спектральные линии могут сливаться. Получившаяся линия называется блендой.