Phổ Mặt trời và vạch Fraunhofer
Năm 1802, nhà hóa học người Anh William Wollaston (1766 – 1828) là người đầu tiên chú ý đến sự xuất hiện của một số vạch đen trong quang phổ mặt trời[32]. Nhưng mãi đến năm 1814, Joseph von Fraunhofer (1787 – 1826) mới có những nghiên cứu chi tiết về nó. Trong quá trình thí nghiệm, ông đã phát hiện ra vạch sáng màu cam được tạo ra bởi ánh sáng của ngọn lửa natri. Các thí nghiệm để xác định xem liệu quang phổ mặt trời có chứa các vạch sáng màu cam hay không đã dẫn ông tới việc khám phá ra 574 vạch đen trong quang phổ mặt trời màsau này được gọi là vạch Fraunhofer. Ông đã thực hiện thí nghiệm như sau: cho ánh sáng mặt trời đi qua lăng kính được làm bằng thủy tinh flint, sau khi ra khỏi lăng kính ánh sáng đi qua một khe hẹp và ông dùng kính thiên văn để quan sát phổ[16].Ông đã vẽ phổ Mặt trời với các vạch có cường độmạnh hơnđược đánh dấu với các chữ cái từ A đến K và vạch có cường độ yếu hơn với các chữ khác như trong Hình 2.5.
Hình 2.5Phổ Mặt Trời với các vạch Fraunhofer14.
42
Năm 1859, Guvtas Kirchhoff (1824 – 1887) và Robert Bunsen (1811 – 1899), dựa vào thực nghiệm, đã rút ra định luật Kirchhoff – Bunsen: mỗi nguyên tố hóa học được đặc trưng bởi một quang phổ vạch nhất định. Từ đó, hai ông đã chứng minh được vạch Fraunhofer là các vạch hấp thụ bởi các nguyên tố hóa học trong bầu khí quyển [16].
Tiếp tục công trình nghiên cứu phổ Mặt trời của Fraunhofer, năm 1868, Anders Ångström (1814 – 1874)đã công bố một bài báo chi tiết xác định tên các nguyên tố tạo ra các vạch trong quang phổ mặt trời như Hình 2.6[8].
Hình 2.6Phổ Mặt trời với các nguyên tố tạo ra15.
Vào năm 1871, ông đã đo được bước sóng của bốn vạch nhìn thấy trong quang phổ nguyên tử hydro16
.Ông tiến hành thí nghiệm như sau: một ống thủy tinh có hai nắp đồng tạo thành một cylinder kín, trong cylinder có hai quả cầu bằng đồng a được dùng để tạo ra tia lửa điện,một ống b chứa khí được nối với cylinder. Cả hệ trên chính là
15 © Copyright http://www.astro.umontreal.ca.
43
nguồn sáng như thể hiện trong Hình 2.7. Ông sử dụng lăng kính thủy tinh flint và pin nhiệt điện để đo bước sóng[7].
Hình 2.7Nguồn sáng trong thí nghiệm của Ångström17
.
Dãy Balmer
Khi Ångström đo chính xác bước sóng bốn vạch hydro, ông nhận thấy có một thừa số chung cho các bước sóng này. Thừa số chung mà Ångströmđã tính toánvà kết luận là h=3645.6 Ao . Do đó, bước sóng của bốn vạch hydro có giá trị lần lượt là
9 4 25 9
, , ,
5h 3h 21h 8h. Bảng dưới đây cho biết bước sóng của bốn vạch hydro do Ångström đo được và có được từ tính toán[35].
17[35].
44
Bảng 2.1 So sánh sai lệch bước sóng của bốn vạch hydro giữa kết quả mà Ångström đo được và tính toán18
. Kết quả của Ångström Ao Sai lệch Hα (vạch C) 9 5h = =6562.08 6562.10 +0.02 Hβ (vạch F) 4 3h = =4860.80 4860.74 −0.06 Hγ (vạch G) 25 21h = =4340.00 4340.10 +0.10 Hδ (vạch H) 9 8h = =4101.30 4101.20 −0.10
Một giáo viên dạy toán cấp ba người Thụy Sĩ tên là Johann Balmer (1825 – 1898)đã tính được bước sóng của vạch thứ năm có giá trị là 49 3969.65 Ao
45h= tuân
theo quy luật trên của Ångström. Giá trị này nằm giữa vạch H 4101.20 A o
δ trong
phổ nguyên tử hydro và vạch H1 3968.1 A o (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong phổ nguyên tử Canxi do Ångströmxác định được. Do đó, theo Balmer, Ångström cũng phải xác định được vạch
o
3969.65 Anếu nó thật sự tồn tại. Nhưng vạch này vẫn chưa được tìm thấy, do
18[35].
45
đó,Balmer cho rằng hằng số h mà Ångström đưa ra là không chính xác. Sau khi tính toán, ông đưa ra giá trịh=3645 Ao và đưa ra công thức bước sóng hydro [35]
2 2 2 2 m h m = − λ . (2.4)
Dãy các vạch có bước sóng thỏa mãn công thức (2.4)được gọi là dãy Balmer. Ba năm sau đó, Rygberg đã tổng quát công thức (2.4)thành công thức (1.10)dùng để xác định bước sóng của nguyên tử hydro và các ion tương tự nguyên tử hydro mà tôi đã trình bày trong mục 1.3.
Để thu được hình ảnh của các vạch tiếp theo trong dãy Balmer, nhà vật lý người Mỹ Robert Wood (1868 – 1955)đã sử dụng một ống hydro dài dùng làm nguồn sáng cho thí nghiệm của mình. Phần trung tâm của ống có đường kính rất nhỏ so với phần đầu và phần cuối. Ông đã dùng lăng kính thạch anh để tán sắc và pin nhiệt điện để đo bước sóng. Qua thí nghiệm này, ông đã mở rộng việc đo đạc đến vạch thứ hai mươi của dãy Balmer [33].