Analizând lumina

Radiaţia emisă de obiectele cosmice este un amestec de lungimi de undă, printre care şi lumina vizibilă. Când trece printr-o prismă, lumina se descompune în lungimile de undă componente, formând o succesiune de culori, numită spectru.

Spectrul unei stele este format din linii de absorţie, care au o culoare închisă şi sunt provocate de absorţia fotonilor la anumite lungimi de undă,  de către atomii din atmosfera stelei. Acestea sunt folosite pentru a determina elementele chimice dintr-un  obiect cosmic.

Spectrul unei nebuloase poate dezvălui compoziţia ei chimică. Când sunt încălziţi de radiaţia emisă de o stea din apropiere, atomii nebuloasei emit lumină proprie. Spectrul care rezultă se numeşte spectru de emisie, format din linii viu colorate, caracteristice unor elemente diferite.

Un gaz dens şi fierbinte dintr-o stea produce un spectru de lumină continuu la suprafaţa ei, în care sunt reprezentate toate lungimile de undă, văzute oblic ca nişte linii, numite linii spectrale. Un gaz rece dintr-o stea produce apariţia unor linii de culoare închisă.

În fotografie, este reprezentat spectrul de emisie al fiereului (Fe).

Lungimi de undă şi expansiunea Universului

Să ne imaginăm o stea. Mişcarea particulelor încărcare electric ale stelei creează un câmp electromagnetic, care are două componente, oscilante şi perpendiculare una pe cealaltă: componenta electrică şi componenta magnetică. Distanţa dintre două puncte maxime succesive ale undelor electromagnetice sub forma cărora se transmite energia electromagnetică se numeşte lungime de undă. Spectrul electromagnetic, care include radiaţia electromagnetică de toate lungimile de undă posibile este energie pură şi include spectrul vizibil, radiaţia elecromagnetică pe care noi o numim lumină, pentru că interacţionează cu obiectele din jurul nostru şi este recepţionată şi interpretată de sistemul vizual sub formă de culori.

Când trece printr-o prismă, lumina se descompune în lungimile de undă componente, fapt ce pentru ochiul uman înseamnă o succesiune de culori, spectrul vizibil. Dacă gazul din care este formată steaua este fierbinte, steaua produce un spectru de lumină continuu de la suprafaţa ei, în care este reprezentată o largă gamă de lungimi de undă (culorile), văzute oblic, ca nişte linii, numite liniile spectrale . Dar, în cazul în care gazul stelei este mai rece, în spectru apar linii de culoare închisă.

Din cauza faptului că obiectele cosmice sunt în continuă mişcare, noi le putem  detecta deplasările măsurând poziţia liniilor spectrale. Dacă liniile spectrale ale stelei noastre indică lungimi de undă mai mari, observându-se o deplasare spre roşu, atunci steaua se îndepărtează de noi. În caz contrar, dacă liniile ei spectrale indică lungimi de undă mai mici, observându-se o deplasare către albastru, atunci steua se apropie de noi.

Astronomii au observat că deplasarea se măreşte odată ce viteza dintre sursă şi observator creşte. Deoarece galaxiile îndepărtate prezintă deplasări considerabile  spre roşu, ele se îndepărtează cu viteze uriaşe, numite deplasări cosmologice către roşu. Lumina obiectelor îndepărtate este cu atât mai slabă, cu cât deplasarea lor  cosmologică spre roşu este mai mare.

Aspectele prezentate în paragrafele anterioare duc la concluzia că Universul se află în expansiune, căci majoritatea galaxiilor par a se depărta rapid de galaxia noastră. În 1929, Edwin Hubble a demonstrat definitiv acest lucru, descoperind că viteza de recesiune creşte odată  cu distanţa de la Pământ la sursă, conform legii lui Hubble –    (D este distanţa dintre galaxie şi observator, măsurată în megaparseci, H₀ este constanta lui Hubble). Această descoperire a schimbat fundamental discuţia despre începutul Universului, căci dacă mişcarea de expansiune a Universului este dintodeauna, atunci rezultă pe care de consecinţă că a existat un moment iniţial al expansiunii, când tot ce există era într-un sigur loc, denumit de fizicieni singularitate.

 

Comportament de particulă

Radiaţia electromagnetică este formată din „cuante” de energie, numite fotoni. Aceştia nu au masă, dar transportă o cantitate fixă de enrgie, care depinde de lungimea de undă a fotonului – cu cât este mai scurtă, cu atât fotonul are energie mai mare.

Fotonii luminii albastre (cu lungime de undă mică) au mai multă energie decât fotonii luminii roşii (cu lungime de undă mare), după cum de monstrează şi imaginea de la jos.

Comportament de undă

Radiaţia electromagnetică se comportă ca o undă – o perturbare care mişcă energia.

Am să dau nişte definiţii, necesare înţelegerii complete a articolului anterior.

Lungimea de undă este distanţa dintre două vârfuri sau puncte maxime succesive ale undei.

Frecvenţa undei este determinată de numărul de unde care trec printr-un anumit punct, în fiecare secundă.

Formele de radiaţie ectromagnetică se deosebesc numai prin lungimea de undă.

Radiaţia electromagnetică

Cum este produsă ?

O sarcină electrică în mişcare creează un câmp magnetic. Dacă mişcarea este constantă, câmpul magnetic produce un câmp electric. Interacţionând, cele două câmpuri se susţin reciproc şi se mişcă prin spaţiu, transferând energie. În desen, λ  înseamnă  lungimea de undă.

Pe lângă lumina vizibilă, radiaţia electromagnetică include undele radio, microundele, radiaţia infraroşie, radiaţia ultraviolet, rezele X şi razele gamma, călătorind prin spaţiu cu viteza luminii – 300 000 km/s sau 1 000 000 000 km/h.

Clasificarea particulelor

→ particule elementare : – leptoni. Există 6 leptoni diferiţi, însă numai 2 sunt stabili (eletron, sarcina -1 şi neutrin, sarcina 0).

– quarci. Există 6 forme de quarci, însă numai două apar în materia obişnuită : „sus” şi „jos”. Fiecare poate avea una dintre cele 3 „culori” – verde, albastru, roşu.

– bosoni de etalonare – particule purtătoare de forţă (gluoni, fotoni, bosoni W⁺).

→ particule compuse : – bosoni – cu masa relativ mare, conţinând 3 quarci.

– mezoni – particule care conţin un quarc şi un antiquarc.

→ antiparticule. Majoritatea particulelor au un echivalent în antimaterie, care are aceeaşi masă, dar sarcină şi proprietăţi opuse : pozitron (antielectron), sarcina +1, antiquarci sus, sarcina -2/3, antineutrin, antiproton, antiquarc jos şi 2 antiquarci sus, sarcina -1, antineutron, antiquarc sus şi 2 antiquarci jos, sarcina 0.

Forţele din interiorul materiei

Particulele componente ale solidelor, lichidelor, gazelor şi plasmei sunt unite de forţa electromagnetică. Aceasta este forţa care menţine electronii (cu sarcină negativă) în învelişurile din jurul nucleului, respingându-se reciproc, dar fiind atraşi de nucleu (cu sarcină pozitivă). Particula purtătoare de forţă electromagnetică este fotonul.

Numită şi forţă de culoare, forţa nucleară tare leagă quarcii în interiorul protonilor şi neutronilor. Datorită ei, quarcii îşi schimbă constant „culoarea”, făcând schimb de gluoni virtuali (particule purtătoare de forţă).

 

Forţa nucleară slabă produce dezintegrarea radioactivă. Particulele acestei forţe se numesc besoni ( W⁺, W⁻, Z⁰ ).

 

Aceste forţe, împreună cu gravitaţia , sunt forţele fundamentale din interiorul materiei.