¿Por qué se dice que el espectro obtenido por la luz solar es continuo?

Question

Mi profesor ha hablado hoy de los espectros atómicos y ha explicado que, a diferencia del espectro que se obtiene al analizar la luz del sol, los espectros de los átomos no son continuos.

Tengo una pregunta sobre esto - incluso la luz del sol tiene las radiaciones emitidas por los átomos de los elementos que componen el sol, todavía espectro es continua, que está en oposición a la afirmación de que el espectro atómico es discontinua. Así pues, el espectro obtenido por la luz solar es continuo aunque sea un espectro atómico. Para explicar que el espectro obtenido por la luz solar es continuo y que el espectro atómico es discontinuo, ¿podemos confirmar que el sol está formado por todos aquellos elementos (sodio, helio, neón, mercurio, etc.) que emiten los colores de frecuencia pertenecientes a la región visible?

Answer 1

El espectro solar es muy complejo, y de hecho hay muchas "líneas" -tanto claras como oscuras (emisión y absorción)- en medio de un mar de lo que parecen ser frecuencias continuas.

Ten en cuenta que los átomos que estudias en un libro de texto son idealizaciones. En un objeto caliente como el Sol, algunos fotones nos llegan por medio de emisiones atómicas, pero las velocidades de los átomos que los emiten se distribuyen de forma continua (algo así como la distribución de Maxwell-Boltzmann), por lo que hay un desplazamiento Doppler en cada fotón emitido. Esto "amplía" la línea espectral, es decir, convierte una frecuencia discreta en un continuo. Esto se denomina Ensanchamiento Doppler o el ensanchamiento térmico. Sin embargo, esto no es suficiente para producir un espectro de cuerpo negro casi térmico (gracias a gigacyan por señalar que esto no estaba claro).

Otros fotones fueron emitidos por procesos nucleares y han estado rebotando en el interior del sol durante muchos años (un astrofísico probablemente podría decir cuántos), y cada una de estas colisiones ha desplazado su energía de forma algo aleatoria. Además, esta energía procedente de la fusión, junto con los efectos gravitatorios, deja la mayor parte del sol en estado de plasma, donde los iones y los electrones están separados unos de otros. Como este plasma es extremadamente caliente, las colisiones y recombinaciones producen aún más radiación, que es la fuente principal de la luz que nos llega. Lo que vemos se llama fotosfera que es la región de este plasma de la que puede escapar la luz.

El efecto global se llama termalización, donde la energía se desplaza en trozos hasta que todo está en equilibrio térmico. En el caso del sol es sólo aproximado, ya que las diferentes partes tienen diferentes temperaturas, por lo que es simplemente una tendencia.

Answer 2

El espectro continuo de la fotosfera visible de el Sol es atribuible al equilibrio radiativo del $\mathrm{H}^{-}$ ion . Esto se reconoce desde hace al menos 80 años ( Wildt 1939 ).

Este ion se forma por la unión de un electrón libre (con un espectro continuo de energías) a un átomo de hidrógeno, emitiendo un espectro continuo de fotones en el proceso. El proceso inverso, el fotodesprendimiento, se produce a la misma velocidad y es la principal fuente de opacidad del continuo en la fotosfera solar.

Absorción/emisión por H $^{-}$ exige que la temperatura sea lo suficientemente baja como para no disociar el electrón extra ( $<10^{4}$ K), pero lo suficientemente alto como para que haya un suministro de electrones libres donados por la ionización de los metales alcalinos ( $>3000$ K).

A este continuo se superponen rasgos de absorción oscuros y discretos causados por transiciones dentro de especies atómicas (principalmente metales, pero también H). Estos rasgos son oscuros porque los fotones a estas frecuencias llegan aquí desde más arriba en la atmósfera a temperaturas más frías.

La pregunta original sólo se refiere a la "luz del sol", y el H $^{-}$ La opacidad sólo es efectiva entre unos 3.000-10.000K. Las estrellas con fotosferas más calientes o más frías están dominadas por diferentes mecanismos de opacidad y, por tanto, de emisión.

En las estrellas más calientes, las principales fuentes de opacidad continua en las longitudes de onda visibles, a temperaturas superiores a los 10.000K, son la dispersión por electrones libres y el continuo de Paschen que surge de las transiciones entre el $n=3$ estado en átomos de hidrógeno e hidrógeno ionizado. También hay contribuciones más pequeñas de transiciones libres de electrones en los campos eléctricos de los iones (bremsstrahlung).

Por supuesto, puede haber una capa superpuesta más fría en las estrellas calientes donde el H $^{-}$ puede pero tiene una densidad menor y una profundidad óptica pequeña (es decir, los fotones viajan a través de ella) y, por lo tanto, no contribuye significativamente al continuo fotosférico.

En las fotosferas muy frías, no hay electrones libres y los átomos empiezan a formar moléculas como el monóxido de carbono, el agua, el hidrógeno molecular, el óxido de titanio, el óxido de vanadio, etc. En realidad, hay muy poca absorción/emisión continua real en la parte visible del espectro de estas estrellas. En su lugar, hay un lío superpuesto de transiciones moleculares rotacionales/vibracionales que forman un pseudocontinuo cuando se observan con instrumentos de resolución espectral finita. La opacidad dominante en el espectro visible justo por debajo de 3000K se debe a las moléculas de TiO.

A temperaturas aún más bajas (por debajo de 2500K, y acercándose al régimen subestelar), la absorción y la emisión por parte del polvo se vuelven importantes, aunque hay un flujo insignificante en las longitudes de onda visibles.

Answer 3

Se trata de una confusión bastante natural. Tienes razón, si el espectro solar se debiera puramente a la salida espectral de los átomos que lo componen, no podríamos obtener un espectro continuo. Sin embargo, la luz emitida por el Sol se debe a su temperatura. Todos los objetos que están por encima de $-273.15^{\circ}C$ (por lo tanto, todos los objetos) emiten radiación en un espectro continuo que se relaciona con su temperatura, llamamos al espectro dependiente de la temperatura un espectro de "cuerpo negro". El espectro solar se ajusta prácticamente a la perfección a esta relación para una temperatura de cuerpo negro de aproximadamente $5250^{\circ}C$ .

Si estás interesado en un poco más de información, incluyendo cómo somos capaces de ver un espectro continuo, echa un vistazo a un post anterior mío aquí .

Answer 4

Hay dos tipos de átomos que componen la mayor parte de la estructura del sol: el hidrógeno y el helio. Y éstos tienen un espectro no continuo.

Pero el sol tiene un espectro continuo como la radiación de un cuerpo negro debido a la radiación libre a la unión o libre a la libertad. Hay tres tipos de transición:

1. vínculo a vínculo (que es discreto)

2. libre de enlace (un electrón libre se une a un átomo e irradia fotones con frecuencia continua)

3. libre a libre (un electrón libre cambia su velocidad debido a la interacción con un potencial e irradia fotones con frecuencia continua)

Esta última también se llama radiación Bremsstrahlung.

Así, los electrones libres en el medio plasmático de la corona solar irradian radiación Bremsstrahlung debido a colisiones estadísticas y el resultado de salida es un espectro continuo como la radiación del cuerpo posterior.

El tungsteno de la luz de las bombillas también se comporta de esta manera. Los electrones de la corriente eléctrica chocan con los átomos pesados y se producen transiciones libres (radiación Bremsstrahlung) y tenemos una luz continua debido a esta interacción.

Lo mismo ocurre con la radiación continua de objetos y metales calientes.

También es importante señalar que el ensanchamiento Doppler no es la respuesta porque tiene un ancho de banda muy pequeño ( $\ll1$ nm) para la distribución de la velocidad del gas.

Answer 5

Ciertas longitudes de onda del espectro electromagnético se emiten cuando los electrones de un átomo para pasar de un nivel superior a uno inferior. La longitud de onda que se emite depende del número de capas en las que se mueven los electrones. Por ejemplo, cuando dos átomos de hidrógeno se fusionan en un átomo de helio, se produce luz visible. Como sabemos, la luz visible contiene todas las longitudes de onda de los colores del rojo al azul. Cuando se utiliza un espectrómetro, podemos ver una gama de frecuencias y, por lo tanto, lo llamamos "espectro continuo".

Sin embargo, el espectrómetro sólo sirve para analizar la luz que es visible para nosotros. No puede analizar la frecuencia que no es visible para nosotros. Como has dicho, el sodio, el neón y el mercurio existen en el sol pero, no emiten luz que sea visible para nosotros. Como sólo vemos la luz blanca, sólo ves esa luz dividida en una gama continua de colores