[szerkesztés] A csillagászati színképelemzés története
A spektroszkópia tudományág kialakulása Newton 1666-os kísérletére vezethető vissza, amikor napszínképet állított elő prizma segítségével. Felfedezéséről és észrevételeiről az 1704-ben megjelent Optika című művében írt, ahol tisztázta a színek természetét, és az ún. törésmutató hullámhossztól való függését. A XVIII. század elején többen (Descartes, Hook, Herschel) is elvégezték ugyanezt a kísérletet. A jelenség behatóbb tanulmányozásához Wollaston (1766–1828) rést is alkalmazott a kísérleteinél, s első ízben felfedezte a napszínkép abszorpciós (elnyelési) vonalait. Szám szerint 7 spektrumvonalat figyelt meg – köztük a Na-dublettet –, jelentőségüket azonban nem ismerte fel. Ezt egy német optikus, Fraunhofer (1787–1826) tette meg, aki – távcsőhöz csatolva diszperzív optikai elemet – a Nap spektrumában mintegy 600, mai néven Fraunhofer-vonalat talált; melyek közül 350-nek a pontos pozícióját is meghatározta, kiszámítva az általuk letakart színek törésmutatóját. Ezzel 1814-ben megszületett a csillagászati spektroszkópia.
Fraunhofer felfedezésével egy időben, 1823-ban, W. H. Fox Talbot és John Herschel (William Herschel fia) különféle elemekkel festett lángok színképét vizsgálták, és utaltak rá, hogy ez alapján kémiai analízis végezhető. Brewster 1832-ben felfedezte, hogy a Fraunhofer-féle vonalak földi fényforrással is előállíthatók. A salétromsav gőzén átbocsátott napfény színképében mintegy 2000 vonalat számlált meg. Azt is megfigyelte, hogy a vonalak száma nő, ha növeljük a gázréteg vastagságát, sűrűségét vagy hőmérsékletét. E kísérletei nyomán Brewster úgy gondolta, hogy a Nap fehér fényéből a Föld légköre szűr ki bizonyos színeket, és ezek helyén észleljük a Fraunhofer-féle vonalakat. 1849-ben Foucault különféle eredetű színképek vizsgálatával szintén egy alapvető felismerésre jutott: a spektrum abszorpciós vagy emissziós volta attól függ, hogy a fény közvetlenül a fényforrásból érkezik hozzánk, vagy a fényforrást elhagyva egy adott anyagon haladt át. 1859-ben Foucault, és Bunsen (1811–1899) eredményeit felhasználva Kirchhoff (1824–1887) felállította a klasszikus spektrumanalízis 3 alaptörvényét:
[szerkesztés] A csillagászati színképelemzés elméleti alapjai
[szerkesztés] A színképvonalak és színképsávok kvantumos elmélete
A színképelemzés kvantumos elméletét csak sokkal később, a Bohr-atommodell (1913) megszületésekor dolgozták ki. Eszerint folytonos sugárzás keletkezik olyan szabad elektronoknak a lehetséges energiaszintek (pályák) valamelyikére történő számos ugrásnál, amelyek előtte az atommagok között szabadon mozogtak. Az egyedi esetekben keletkező sugárzás hullámhossza az elektron befogása előtti állapot energiájának és az elért pálya energiaszintjének különbségével arányos (Bohr III. törvénye alapján). Mivel az eredetileg szabad elektronok energiája jelentősen eltér egymástól, ezért a befogási folyamatnál jelentősen eltérő hullámhosszak keletkeznek, amelyek egyetlen kontinuummá „kenődnek szét”.
Tehát a színképeknél alapvetően két típust különböztetünk meg: folytonos és nem folytonos színképek. A nem folytonos színképek lehetnek vonalasak vagy sávosak, ami attól függ, hogy a színképet létrehozó részecske atom-e vagy molekula. A vonalas színképeket szériesz- és multiplett-spektrumokra osztjuk. Szériesz-spektrumoknál az alapnívóhoz magasabb nívók végtelen sorozata csatlakozik. Ilyen színképe van az egy vegyértékelektronnal rendelkező atomoknak, például a hidrogénnek. Az elektron lehetséges energiaállapotainak feltüntetésére a termeket használjuk. Multiplett spektrumok a több vegyértékelektronnal rendelkező atomok esetében jönnek létre, ekkor a termséma bonyolultabbá válik, aminek megfelelően bonyolultabbak és sokrétűbbek lesznek a spektrumok is; vonal helyett vonalcsoportok, azaz multiplettek jönnek létre. A molekulák energiaátmeneteiből kapott színképek sávosak, mivel egy-egy energiaszint sok, egymástól nem sokban különböző alszintre bomlik, emiatt a vonalak egymáshoz szorosan közel helyezkednek el. Így a molekulák vonalas színképének tanulmányozásához nagy felbontású spektroszkópiai eszközökre és különleges technikára van szükség. Az molekulák színképvonalai jóval bonyolultabb módon alakulnak ki, mint atomok színképvonalai. Itt ugyanis az elektronok mozgásán kívül az atommagok rezgéseket végeznek a magokat összekötő molekulatengely mentén, bizonyos egyensúlyi magtávolság környezetében, továbbá az egész molekula forog a súlypontján átmenő, a molekulatengelyre merőleges tengely körül. Ezért közelítőleg – a háromfajta mozgás közti kölcsönhatás elhanyagolásával – a molekula teljes energiája az elektron-, a rezgési és a forgási energia összege. A molekula rezgése és forgása különböző meghatározott energiaszinteken lehetséges. Amikor egy magasabb energiaszinten lévő gerjesztett molekula alacsonyabb szintre megy át, az energiakülönbséget egy foton formájában sugározza ki. Mindezek alapján a sávos molekulaszínképeknél három típust különböztetünk meg:
Az elektronsáv-színképek vizsgálata azért lényeges, mert segítségével meghatározható a magtávolság, a magrezgések frekvenciája illetve az elektronok elrendeződése. Az egyes elektronállapotokat bizonyos kvantumszámokkal és szimmetria tulajdonságokkal lehet jellemezni. Így például az atomok s, p, d, f,.. állapotaihoz hasonlóan megkülönböztetünk Σ, Π, Δ, Φ,… molekulaállapotokat aszerint, hogy az elektronok teljes impulzusmomentumának vetülete a molekulatengely irányára h/2π-nek 0, 1, 2,…-szerese.
A csillagászati színképelemzéseknél megfigyelt molekulák mind egyszerű felépítésűek, legtöbbjük kétatomos, ami a csillagok légkörének magas hőmérsékletével magyarázható. Magas hőmérsékleten ugyanis a molekulák disszociálnak (szabad atomokra bomlanak fel). A molekulasávok ezért a viszonylag hidegebb csillagok (például barna törpék) spektrumában figyelhetők meg.
Csillagászati színképelemzésnél bizonyos esetekben előfordulhatnak a spektrumban ún. tiltott vonalak. Ezek olyan színképvonalak, amelyek laboratóriumi körülmények között nem jöhetnek létre, mivel keletkezésükhöz extrém fizikai körülmények (például rendkívül kis sűrűség) szükségesek. Tiltott színképvonalak például az egyszeresen és kétszeresen ionizált oxigén (O+, O2+), a háromszorosan és négyszeresen ionizált neon (Ne3+, Ne4+), az egyszeresen és kétszeresen ionizált kén (S+, S2+), a háromszorosan és négyszeresen ionizált argon (Ar3+, Ar4+) vonalai. Legfontosabb az atomos hidrogén 21 cm-es rádióvonala, amely az alapállapotú elektron két ellentett spinű beállása közti kicsiny energiakülönbségnek felel meg. Az ilyen vonalak létrejöttéhez szükséges feltételek teljesülnek az emissziós ködökben. Ezek az objektumok általában 10–100 parszek átmérőjűek, sűrűségük pedig rendkívül alacsony, legfeljebb 10 ezer atom/cm3.
[szerkesztés] A hidrogénatom és a hidrogénszerű ionok spektruma
A Fraunhofer-vonalak keletkezésének folyamatát akkor lehet megérteni, ha a fény abszorpcióját és emisszióját a legegyszerűbb atom, a hidrogénatom modelljén magyarázzuk meg. Ha a hidrogénatom elektronja megváltoztatja állapotát, és egy másik, kisebb főkvantumszámú állapotot vesz fel, akkor az energiakülönbséget fénykvantumként kisugározza. A fény frekvenciája ν = E/h, a hullámszáma (az egy cm-re jutó hullámhossz) ν = ν/c = E/ch . A hidrogénatom színképekor a következő sorozatok adódnak:
A Lyman-sorozat az ultraibolya, a Balmer-sorozat a látható, míg a többi sorozat az elektromágneses spektrum infravörös tartományában helyezkedik el. A hidrogén egyszerű színképével szemben a nehezebb atomok (növekvő tömegszám szerint) spektrumai egyre bonyolultabbá válnak. A hidrogénszerű ionok, vagyis az egyszeresen ionizált hélium (He+), a kétszeresen ionizált lítium (Li2+), a háromszorosan ionizált berillium (Be3+) stb. spektrumai erős hasonlóságot mutatnak a hidrogénatom spektrumával, mert ezeket a rendszereket szintén egy elektron alkotja, ahol csak a magtöltés és tömegszám emelkedik. A Bohr-féle atommodell szerint az ilyen ionok lehetséges energiaértékei a H-atom energiaértékeinek Z2-szeresei:
Az ionizált hélium (He+-ion, Z=2) által kibocsátott sorozatok egyike a Dzéta Puppis csillag színképében még 1897-ben felfedezett Pickering-sorozat:
amelyet kezdetben a hidrogénatom színképvonalainak tekintettek. A Bohr-elmélet nyomán azonban a fenti sorozatot megtalálták a He+ színképében, héliumban létesített kisülések alapján.
[szerkesztés] Az alkáliatomok színképe
Az alkáliatomok a periódusos rendszer I. főcsoportjában helyezkednek el, azaz legkülső elektronhéjukat egy elektron alkotja, ezért az elemek közül a hidrogénhez hasonlítanak a legjobban, amelyben összesen csak egy elektron van. A legkülső elektron világító elektronnak vagy vegyértékelektronnak nevezzük. Az előbbi elnevezés arra utal, hogy az alkálifémek optikai színképe ennek az elektron a gerjesztése során jön létre, utóbbi elnevezés pedig az atom kémiai viselkedésében betöltött szerepét fejezi ki. A vegyértékelektron atomtörzsön belüli tartózkodási valószínűsége a mellékkvantumszámtól függ, ezért energiája – ellentétben a hidrogénatommal – a főkvantumszám mellett a mellékkvantumszámtól is függ.
c a fénysebesség, h =6,626*10-34 Js (Planck-állandó), R =1,097*107 m-1 (Rydberg-állandó), s ill. p korrekciós tagok (hidrogénatom esetén értékük 0) annál nagyobbak, minél nehezebb az atom, és minél kisebb az l mellékkvantumszám értéke. (A hidrogénatomhoz hasonlóan az l mellékkvantumszámnak kisebbnek kell lennie a főkvantumszámnál.) Az optikai színkép úgy jön létre, hogy két energiaszint közötti különbség fénykvantum formájában kisugárzódik. Az emissziós színkép vizsgálatakor négy intenzívebb, részben egymásba nyúló vonalsorozat figyelhető meg: a fősorozat, az első és második melléksorozat, valamint a Bergmann-sorozat:
Abszorpcióban rendszerint – ha az alkáligőz nem nagyon magas hőmérsékletű – csak a fősorozat jön létre. Mindegyik sorozat határához folytonos színkép – határkontinuum – csatlakozik, hasonlóan a hidrogén színképeinek esetéhez.
[szerkesztés] Az alkáliföldfémek színképe
Az alkáliföldfémek a periódusos rendszer II. főcsoportjában helyezkednek el, vegyértékhéjukat emiatt két elektron alkotja. A magnézium színképében szinglettek (különálló vonalak) és triplettek (vonalhármasok) sorozatai fordulnak elő, amelyek fel vannak tüntetve a Grotrian-diagramon. Kombinációkat nem figyeltek meg a szinglettek és triplettek között, de ez a kiválasztási szabály gyakran sérül ahogy az összetett atomok irányába haladunk a periódusos rendszer II. főcsoportjában. A magnéziumnál az 1's állapotból az alacsonyabb energiájú 33p állapot közepébe történő átmenetnek van jelentősége a csillagászatban.
Általánosságban az atomok energiaszintjeinek multiplicitását a vegyértékelektronok száma határozza meg. Az egy vegyértékelektronnal rendelkező magnéziumnál dublettek (vonalkettősök), a kettő vegyértékű magnéziumnál szinglettek és triplettek, a három vegyértékű alumínium színképében dublettek és kvartettek (vonalnégyesek) fordulnak elő. Az ionizált atomok energiaszintjeinek multiplicitása megfelel a vele azonos vegyértékhéjjal rendelkező atoméval.
[szerkesztés] A színképvonalak multiplicitása
[szerkesztés] A sugárzás elnyelése és kibocsátása
A Bohr-féle atommodell energiaszintjei stacionárius állapotok; az egyik állapotból a másikba történő átmenet csak valamilyen másik részecskével történő kölcsönhatás útján lehetséges (a fénykvantumot itt részecskéknek tekintjük). A kölcsönható részecske által kiváltott folyamat alapvetően kétféle lehet: gerjesztés vagy ionizáció. Gerjesztés során az atom egy olyan gyors elektronnal lép kölcsönhatásba, amely elegendő energiával rendelkezik ahhoz, hogy az atomot alapállapotból gerjesztett állapotba juttassa. Ezt általánosan így jelöljük:
ahol A* a gerjesztett atomot, e pedig az elektront jelöli. Az gerjesztett atom arra törekszik, hogy minél hamarabb alacsonyabb energiájú állapotba jusson, amit (2) folyamattal érhet el. Itt a hν szorzat egy fénykvantumot jelöl. Minden folyamat, amely egy atom gerjesztéséhez vezet, megfordítható (reverzibilis). Ekkor fénnyel történő gerjesztésről (3) beszélünk.
Ionizáció során az atom nagyenergiájú elektronokkal (4) vagy fotonokkal (5) ütközik, melynek hatására az atom elektronja olyan mértékben gerjesztődik, hogy elhagyja az atomot. A reakciót a következőképpen jelölhetjük:
ahol A+ egy olyan atomot jelöl, amelyből hiányzik egy elektron, és ezért +e töltésű. A megfordított folyamatot, amelynek során egy elektron befogása történik, miközben egy másik elektron a szabaddá vált energiát felveszi, hármas ütközés általi rekombinációnak nevezzük. A befogott elektron ilyenkor közvetlenül az alapállapotba juthat, vagy először egy gerjesztett állapotba, ahonnan kisugározva a rá jellemző vonalas színképnek megfelelő frekvenciájú fotont, eléri az alapállapotot. Annak az elektronnak a szerepét, amelyet nem fognak be, és a befogott elektron energiáját felvette, más atomok és molekulák is átvehetik. Az ionizáció végbemehet fotonok befogásával is, ekkor fotoionizációról beszélünk. A fotoionizáció feltétele, hogy a foton energiájának nagyobbnak kell lennie, mint az elektron alapállapotának és a sorozathatárnak a különbsége. Ez a reakció azt jelenti, hogy egy atom nem csak a rá jellemző színképnek megfelelő fotonokat képes elnyelni a (3) egyenletnek megfelelően, hanem a sorozathatárnál nagyobb energiájúakat is, és közben pozitív ionok keletkeznek, ami egyezik a tapasztalattal. A fotoionizáció fordított folyamatát sugárzással járó rekombinációnak nevezzük. Ennek során az ion egy elektront fog be, és ezáltal semleges atommá alakul. Ez többféleképpen is végbemehet:
Színképvonalak keletkeznek az ún. perturbáció jelenség során is. Ilyenkor egy szabad elektron egy atom közelében repül el, gyorsulást szenved, és - mint gyorsuló töltött részecske - elektromágneses sugárzást bocsát ki. Mivel az elektron szabad állapotai nem kvantáltak, ilyenkor folytonos emisszió lép fel.
[szerkesztés] Vonalprofilok, vonalkiszélesedés, ekvivalens szélesség
A színképvonalak nem végtelenül keskenyek, a sugárzás intenzitása a kontínuumtól a vonal közepe felé mindkét irányból folyamatosan csökken vagy nő, aszerint, hogy a vonal abszorpciós vagy emissziós. Ha az intenzitást a hullámhossz függvényében ábrázoljuk, akkor a vonalprofilt (vonalkontúrt) kapjuk. A középső szakaszt vonalmagnak, a két külső részt vonalszárnynak nevezzük, a három rész együtt a vonal szélességét adja. A gyakorlatban a szomszédos vonalak gyakran összeolvadnak („blend”), és ilyenkor nehéz mérni a vonal szélességét. A vonal erősségét az ekvivalens szélességgel jellemezzük. Ha a színképvonal intenzitását ahhoz az intenzitásegységhez viszonyítva ábrázoljuk, amely a kontínuumban a vonal helyén beérkezne, akkor a vonalprofil által körülfogott terület a vonal teljes abszorpciója. Az ezzel egyenlő területű, egységnyi magasságú téglalap szélessége a vonal szélessége. Ångströmben mérjük, definíciója:
Ahol Fc a kontinuum fluxusa, Fλ pedig a színképvonalon belüli fluxus, vonalprofil. (Az egyes színképvonalak ekvivalens szélességének fizikai paraméterektől való függésére a Schuster–Schwarzhild-féle modellből következtethetünk.) A színképvonalprofil azért jön létre, mert a színképvonal frekvenciatartományában a χv abszorpciós koefficiens megnövekszik, mivel ebben a frekvenciaintervallumban képes valamelyik atom abszorbeálni az elektromágneses spektrumot. Ahhoz, hogy a vonalprofil alakját elméleti úton meg tudjuk határozni, ismernünk kell a χ függését a frekvenciától. Az abszorpciós koefficiens két részből tevődik össze: χ folytonos abszorpciós koefficiensből és szelektív abszorpciós koefficiensből. A színképvonalon kívül csak χ-vel számolunk, a színképvonal frekvenciatartományában a összeggel.
Az rν = Iν / Iνo mennyiséget maradékintenzitásnak nevezzük. Ahol ν a folytonos színkép frekvenciája, Iνo az ehhez tartozó intenzitás, Iν a valódi intenzitás a színképvonal frekvenciatartományán belül. A színképvonal frekvenciatartományán kívül rν = 1; a színképvonalon belül rν < 1
A csillagok fotoszférájában keletkező színképvonalak profilját a folytonos és a szelektív abszorpció együttesen alakítja. A szelektív abszorpciónak két fajtája van. Bizonyos esetekben csak az egyik vagy csak a másik fajta abszorpció játszik szerepet (például a napkorong szélén csak a tiszta szórás). Valódi szelektív abszorpció során a foton abszorbeálódik valamilyen atomban és gerjeszti azt. A gerjesztett elektron 10·10−12 s alatt alacsonyabb állapotba kerül, de valódi ~ esetén nem a kiindulási állapotba, vagyis az elnyelt foton energiája nem egyezik meg az emittált foton energiájával. Tiszta szórás esetén a ν1 frekvenciájú foton abszorpciója után az emittált foton ismét ν1 frekvenciájú lesz. Mivel az emisszió izotropnak tekinthető, ezért tiszta szórás esetében egy párhuzamos sugárnyalábból izotrop sugárzás jön létre.
Egy adott csillag (fényforrás) vonalprofiljainak vizsgálata azért lényeges, mert belőlük az égitest több fizikai tulajdonságára következtethetünk:
A spektrumvonalak kiszélesedése
A vizsgálatok alapján kiderült, hogy a spektrumvonalak nem végtelen keskeny vonalból állnak, hanem van bizonyos kiterjedésük, amely a hullámhossztól függ. A jelenség a természetes vonalkiszélesedés, amit a Heisenberg-féle határozatlansági relációval magyarázhatunk. A reláció szerint az egymással fel nem cserélhető fizikai mennyiségek értékét nem tudjuk meghatározni egyidejűleg és egyforma pontossággal. Például egy kvantumállapot energiájára és élettartamára a következő összefüggés áll fenn: ahol τ a gerjesztett állapot élettartama, h a Planck-állandó, δE pedig a kvantumállapot energiabizonytalanságát jelöli. A vonalkiszélesedés másik oka az ún. ütközési csillapodás, vagy nyomási vonalkiszélesedés. Ennek az az oka, hogy az atomok ütközéseinek hatására lerövidül egy-egy gerjesztett állapot időtartama, így hamarabb visszatérnek az alapállapotba. A vonalkiszélesedés harmadik oka a termikus kiszélesedés (Doppler-kiszélesedés), amely általában 1-2 nagyságrenddel nagyobb mértékű, mint a természetes vonalkiszélesedés. Ezeken a mikrofizikai folyamatokon kívül további vonalkiszélesedést okozhat még a csillagok rotációja és/vagy pulzációja is.
A Doppler-eltolódás okozta vonalkiszélesedés mérését közvetlenül befolyásolja a spektrográf felbontása (nm/pixel; ångström/pixel). Ha ugyanis sebességegységekben mérünk, akkor a Doppler-formula a következőképpen írható fel: ahol Δλ az észlelt hullámhossztartomány centrálisa, λ a spektrográf felbontásának mértéke, c a fénysebesség és v a radiális sebesség.
[szerkesztés] Hőmérsékleti sugárzás
A csillagok többségénél a spektrumvonalak bizonyos (néha elég széles) tartományaiban az energia viszonylagos eloszlása közel áll az abszolút fekete test színképében tapasztalható energia eloszláshoz, amelyet a Planck-féle képlet ad meg, ez hullámhosszal kifejezve:
ahol h a Planck-állandó (h=6,54·10−27 erg s) k a Boltzmann-állandó (k=1,36·10−16 erg/grad) c a fénysebesség, T pedig a test abszolút hőmérséklete. A Planck-törvény – csillagászatban is gyakran alkalmazott - két folyománya a Stefan-Boltzmann törvény és a Wien-féle eltolódási törvény. A Wien-féle eltolódási törvény értelmében a Planck-görbe maximumának megfelelő λmax(T) hullámhossz és a T hőmérséklet szorzata állandó.
A Stefan-Boltzmann-törvény a Planck-törvényből minden frekvenciára és irányra való integrálás útján adódik, és kimondja, hogy a T abszolút hőmérsékletű fekete test egységnyi felületéről egységnyi idő alatt kisugárzott teljes energia a hőmérséklet negyedik hatványával arányos:
Rövid hullámhosszakon a Planck-függvény helyett a Wien-közelítés alkalmazható:
Hosszú hullámhosszakon viszont a Rayleigh-Jeans közelítés alkalmazható:
[szerkesztés] A színképvonalak Fowler–Milne-féle elmélete
Az atomok elektronhéjában az elektronok csak jól meghatározott (stacionárius) energiaszinteket foglalhatnak el. Az r-szeresen ionizált atom k-dik energiaszintje: (r, k), az ehhez a szinthez tartozó energia Er,k. Az atom csak olyan frekvenciájú sugárzást képes (ionizáció nélkül) abszorbeálni, amelyre vonatkozóan érvényes a következő egyenlőség: h * v = Er,k– Er,l ahol teljesül, hogy k > L.
Az (r, l) → (r, k) átmenethez tartozó színképvonal „erőssége” és profilja attól függ, hogy az adott típusú atomból mennyi található a csillag fotoszférájának egységnyi térfogatában, és hogy a fotoszférában előfordul-e jelentős mennyiségben az r-szeresen ionizált állapot. Azonos körülmények között a színképvonal erőssége függ a csillag atmoszférájában lévő ionizációs viszonyoktól, vagyis a hőmérséklettől.
A Fowler–Milne-féle elmélet a Saha-egyenlet segítségével azt vizsgálja, hogy miként függ egy meghatározott (r, k) szinten tartózkodó elektronok száma, és ezzel hozzávetőlegesen a színképvonal erőssége a hőmérséklettől. A termodinamikai egyensúly esetén érvényes Saha-egyenlet megadja a különböző ionizációs állapotú atomok relatív számát:
ahol nk,r az r -szeresen ionizált k-adik gerjesztett állapotban lévő atomok számsűrűsége, gk,r az egyes állapotok sztatikus súlya (táblázatból nyerhető), ne az elektronsűrűség Xr az ionizációs energia, me az elektron tömege. A csillagok színképében a különböző ionizációs állapotú atomok színképvonalának tanulmányozásából, például a növekedési görbe segítségével meghatározható az arány, amivel az egyenletből kifejezhető a csillag TI ionizációs hőmérséklete. Szintén termodinamikai egyensúly fennállásakor teljesül a Boltzmann-formula, amiből megállapítható a csillag ún. TG gerjesztési hőmérséklete:
ahol nr,k az adott kémiai elem r-szeresen ionizált atomjai közül azoknak a térfogategységre eső száma, amelyek a k-adik kvantumállapotban vannak, Er,k ugyanilyen fajtájú r-szeresen ionizált k-állapotú atom gerjesztési energiája. A csillag színképében azoknak a színképvonalaknak az ekvivalens szélessége amelyeknél az elektronátmenet az r, k állapotból kiindulva történik, arányos nr,k-val. Ugyanazon atom két különböző színképvonal-sorozatának vizsgálatából megállapítható az arány.
[szerkesztés] Zeeman-effektus
Pieter Zeeman (1865–1943) holland fizikus 1896-ban felfedezte, hogy a színképvonalak mágneses térben 3 komponensre hasadnak fel. A színképvonalak ún. pí-komponense a helyén marad, a két ró-komponens pedig szimmetrikusan eltolódik a rövidebb ill. a hosszabb hullámhosszak felé. A jelenség magyarázata, hogy mágneses mezőben az atomok mágneses momentuma a megegyező irányban rendeződik. Összesen 2J+1 beállási lehetőségük van, vagyis az atomok energiaállapotai 2J+1 szintre hasadnak fel. Bohr III. törvénye alapján a spektrumvonalak megfelelnek két energiaátmenet közötti energiakülönbségnek. Az energiaállapotok felhasadása a spektrumvonalak felhasadásában figyelhető meg.
Megkülönböztetünk normális és anomális Zeeman-effektust. Normális Zeeman-effektus esetén a fotont emittáló atomoknak csak pálya-impulzusmomentuma van (S=0, L≠0). A felhasadt spektrumvonalak egymás közti energiakülönbsége: ΔW = μB B ahol B a mágneses momentum abszolút értéke. A spektrumvonalak közötti frekvenciakülönbség ekkor: Δν = ΔW / h ≈ 14 GHz/T . Például a hidrogénatom színképvonalai 1 tesla mágneses indukciójú mezőben ∆v = 1,4 * 1010 Hz frekvenciakülönbséggel hasadnak fel. Ez a színképben nagyon kis eltéréseket jelent (a nátrium-dublett komponensei közti távolság 3%-át). Kimutatásához a spektrométernek ≥ 106 felbontóképességgel kell rendelkeznie.
Anomális Zeeman-effektus esetén a spektrumvonalat mutató atomban teljesül, hogy L≠0 és S≠0. Emiatt több spektrumvonal jelenik meg, mint normális Zeeman-effektus esetében. A Zeeman-effektus a spektrumvonal komponensek fényének polarizáltságával is jár. Ennek módja és mértéke a mágneses tér és a látósugár által bezárt szögtől függ. A felhasadást egyszerűbb vizsgálni emissziós színképvonalaknál. Ha egy fénykibocsátó gázt mágneses térbe helyezünk, és a mágneses tér iránya egybeesik a megfigyelés irányával, akkor normális Zeeman-effektus esetén csak a kettő, eltolódott ró-komponenst figyelhetjük meg, amelyek fénye arra merőlegesen lineárisan polarizált. Általános esetben, ha a mágneses tér iránya a látósugárral γ szöget zár be, a komponensek fényességének arányát az Frederick H. Seares által megfogalmazott formulával adhatjuk meg.
A napfoltok spektrumvonalainak több komponensre való felhasadására G. E. Hale adott magyarázatot, polarizációs mérésekkel igazolta, hogy a felhasadás a napfolt mágneses terében bekövetkező Zeeman-effektus következménye.
A Zeeman-féle jelenség felhasználásán alapul a magnetográf működése. Ez egy olyan berendezés, amelynek segítségével mérhető a Napon kialakuló mágneses terek erőssége, és meghatározható e mezők területi kiterjedése.
Johannes Stark (1874–1957) német fizikus megfigyelte, hogy erős elektromos mezőbe helyezett gázok színképvonalai is felhasadnak, hasonlóan a Zeeman-effektushoz. A felhasadás a térerősség négyzetével arányos. Ezt a jelenséget Stark-effektusnak nevezzük.
[szerkesztés] Az égitestek színképe
[szerkesztés] Nap
A Nap effektív felületi hőmérséklete a Stephan–Boltzmann-féle sugárzási törvény alapján 5785 °K = 5512 °C. Ezt a hőmérsékletet a Planck-féle sugárzási törvény (1900) és a Wien-féle eltolódási törvényből is le lehet vezetni. A Nap sugárzási maximuma ezek alapján 468 nm-nél van, ami az elektromágneses spektrum látható tartományába esik.
A Nap színképe folytonos spektrum, amelyre abszorpciós, ritkábban emissziós vonalak rakódnak. A folytonos színkép a fotoszférában keletkezik, az abszorpciós vonalak pedig a fotoszféra fölött elhelyezkedő kromoszférában. (Ma mintegy 25 ezer ilyen abszorpciós vonalat ismerünk, melynek mintegy 75%-át sikerült már azonosítani.) Az emissziós vonalak főként a naplégkör legkülső tartományában, a napkoronában jönnek létre. Ezen vonalak döntő többsége az optikai tartománynál kisebb hullámhosszú tartományba esik. Időszakos emissziós vonalak keletkeznek a napkitörések alkalmával, ekkor jelentős hőmérséklet-növekedés tapasztalható. Ez kb. 1-2 órás jelenség, utána a színképvonalak abszorpcióssá alakulnak.
A színképi vonalak intenzitásából megállapítható a Nap légkörének kémiai összetétele. Az adatok alapján világos, hogy tömegszázalék szerint 97%-ban, atomszám szerint 99,6%-ban a Nap hidrogénből és héliumból, vagyis a két legkönnyebb elemből áll. Az atomokra visszavezethető vonalakon kívül a Nap színképében található néhány színképi sáv is, ezek molekulák jelenlétére utalnak. A magas hőmérsékletnek megfelelően azonban főként olyan vegyületek jöhetnek szóba, amelyek két atomból állnak: OH, NH, CH, SiH, MgH, CaH, C2, CN, O2, TiO, MgO, AlO. A Nap spektrumában a földi légkör is otthagyja a nyomát. Bolygónk légköre hideg gázként viselkedik, elnyeli a Nap fényéből a rá jellemző hullámhossztartományokat.
Ezt igazolják a H2O, O2, O3, CO2, N2O, CH4, N2 atomok ill. molekulák napszínképre rakódó elnyelési vonalai, ami zavarja a valódi színkép vizsgálatát. A valódi ill. a Föld légköre okozta spektrumvonalak szétválasztása a naplégkörben keletkező spektrumvonalaktól a Doppler-effektus alapján történik. A földi légkör elemeinek vonalai ugyanis nem szenvednek eltolódást, így könnyen megkülönböztethetőek.
A Napról szerzett ismereteink jelentős részét a színképelemzés elvén működő műszereknek (spektroszkóp, spektrográf, spektrohelioszkóp, spektroheliográf) köszönhetjük. A spektroszkóp a színkép leképzésére szolgál, a spektrográffal pedig a színképet akár le is fényképezhetjük. A Napról azonban egyik sem ad képet. Ha az a célunk, hogy a Napkorongot lássuk, vagy egy felszíni jelenséget vizsgáljunk, de nem a teljes színképtartományban, hanem egy kiválasztott sávban, akkor alkalmazunk spektrohelioszkópot vagy spektroheliográfot. (Utóbbival fényképezni is lehet.) Ezek a műszerek a beépített, ráccsal ellátott ernyő révén csak a kívánt színképsávot engedik át a teljes spektrumból. Ez a spektrális tartomány általában a látható vörös fényt jelenti, mivel ez a tartomány árul el a legtöbbet a Napon végbemenő folyamatokról. A Nap ugyanis nagyrészt hidrogénből áll, a hidrogén által okozott legfényesebb színképvonal a hidrogén-alfa. Ez a vonal a lambda=6,5628*10-6 m hullámhossznál található. Hidrogén-alfa fényben figyelhetőek meg a napfoltok mágneses tulajdonságai. Két szomszédos napfolt esetén sötétebb „szálak” figyelhetőek meg H-alfa fényben, amelyek nagy ívekben futnak az egyik foltról a másik folt közepe felé, kirajzolva a mágneses erőtér vonalait.
[szerkesztés] Exobolygók
A Naprendszeren kívüli bolygók (ún. exobolygók) kimutatására napjainkban csak közvetett módszerek állnak rendelkezésünkre. A kimutatás történhet a bolygó csillagra gyakorolt gravitációs hatása alapján, mégpedig a csillag mozgásának közvetett (spektroszkópiai) megfigyelésével. A bolygó túl halvány a csillag fényéhez képest és túl közel kering hozzá, hogy távcsövekkel megfigyelhető legyen, de gravitációja közvetve nyomot hagy a csillag színképében. A bolygó és a csillag közös tömegközéppontjuk körüli keringése során a csillag radiális sebessége változik: a Doppler-effektusnak megfelelően a színképvonalak hullámhossza eltolódik, közeledéskor a kék, távolodás esetén a vörös hullámhosszak felé. Spektrográfiai eszközökkel ezt a hullámhosszváltozást mérni lehet, akár 1 m/s-os pontossággal. A Nap tömegközéppontjának mozgásában a Jupiter mintegy 12 m/s, a Föld 0,1 m/s sebességingadozást okoz.
[szerkesztés] Üstökösök, meteorok, kisbolygók
A fényes üstökösök színképe molekulák jelenlétéről árulkodik. A Nap UV-sugarai fluorszcenciát idéznek elő. A kóma és a csóva színképe részben folytonos, ami a Nap visszavert fényére utal, részben fényes vonalakból álló emissziós színkép. Elsősorban a C, H, N és O vonalai ismerhetők fel benne. A kóma semleges és ionizált, a csóva túlnyomórészt ionizált molekulákból áll. A kóma színképében található molekulák a CN, CH, OH, NH, C2, CH2, NH3, ionizált molekulák a CO+, CO2+, OH+, CH+. A csóvában pedig a CN, CO+, CO2+, CH+ és az N2+ sávok fordulnak elő. Az üstökösök színképének első elemzése Swings csillagász nevéhez fűződik.
A meteorok színképben elsősorban a Na, Fe, Ca, Mn, Cr, Si, Ni, Al semleges vonalai és a Ca, Fe, Mg és Si ionizált vonalai figyelhetőek meg. Gyors meteorok ( v > 30 km / s ) esetében a Ca II, H és K vonalak dominálnak. Az ionizációs energiából meghatározható a meteor sebessége az atmoszférába való érkezéskor.
A kisbolygók (aszteroidák) színképe a felszínt alkotó anyagoktól és a felszín állapotától függ. Ez alapján csoportosíthatóak:
[szerkesztés] Csillagok
A csillagok légkörét – fizikai tulajdonságai alapján – három részre oszthatjuk. A fotoszféra az atmoszféra legalsó rétege. A nagy nyomás és magas hőmérséklet mellett itt nagyon sok szabad elektron van. Ilyen körülmények között sor kerülhet a legkülönbözőbb pályákra való befogásukra, ami által folytonos színkép jön létre. Természetesen itt nemcsak a hidrogénről van szó, hanem nehezebb, bonyolultabb felépítésű atomokról is. A fotoszféra fölött helyezkedik el az alacsonyabb hőmérsékletű kromoszféra. Ez a réteg hideg gázként viselkedik, éppen azokat az energiamennyiségeket nyeli el, amelyek az elektronok gerjesztett állapotának eléréséhez szükségesek. Ekkor abszorpciós (elnyelési) vonalak keletkeznek. A kromoszféra fölött található a korona, melynek vastagsága nagyobb, mint 106 km. A hőmérséklet itt hirtelen óriásira nő, akár a 106 kelvin fokos nagyságrendet is elérheti. Ilyen fizikai körülmények mellett emissziós vonalak keletkeznek.
Hasonló kémiai összetételük miatt a normális elemgyakoriságú csillagok színképét - a légkörükben jelenlévő gerjeszthető atomokat és ionokat - elsősorban nem a kémiai összetétel, hanem a hőmérséklet és a légkörük nyomása határozza meg. (Ezért egyes elemek vonalainak hiányából nem szabad arra következtetni, hogy ezek az adott csillag légköréből hiányoznak. Ezek az elemek is előfordulhatnak, csak spektroszkópiai úton nem észlelhetőek, mert spektrumvonalaik a Föld felszínén vizsgálható színképtartományokban számottevő mértékben nem fordulnak elő.) A nyomástényező hatása főként a vonalak szélességét befolyásolja: kis nyomás mellett a keletkező vonal keskeny, éles, nagy nyomás esetén szélesebb. Az eltérő vonalintenzitást mutató csillagokat növekvő felszíni hőmérsékletük szerint rendezzük, ezen alapul a Harvard-féle színképosztályozási rendszer. Ez elméletben a csillagokra jellemző legfontosabb színképvonalak erősségének és ekvivalens szélességének megállapításával történik. Ezek a vonalak/vonalsorozatok/sávok az alábbiak:
E szisztéma fő hiányossága, hogy nem árul el semmit a csillag luminozitásáról. Többek között a csillagok e fontos paraméterének megállapítására vezették be a Yerkes-féle spektrálklasszifikációs rendszert.
A csillagok színképosztályának megállapítása a gyakorlatban a következőképpen történik. Egy nagy látószögű Schmidt-távcső fényútjába néhány fokos prizmát helyeznek, így a fotolemezen megjelenik minden csillagnak a színképe. Az így kapott spektrumok felbontása azonban nagyon gyenge, részletes tanulmányozásra nem alkalmas, viszont megfelel a spektrálklasszifikáció törvényeinek. Minden színképosztályhoz és alosztályhoz tartoznak standardcsillagok, melyeknek spektráltípusa adott. ( A standardcsillagok listája a csillagászati színképosztályozás szócikkben található. ) Ismeretlen spektráltípusú csillagok esetében a színképosztályokba történő besorolásnál az adott műszerrel először a standardcsillagról kell objektívprizmás felvételt készíteni, majd a kapott spektrumot a csillagéval összehasonlítani.
A spektroszkópiai kettőscsillagok kutatásában különösen fontos szerepe van a csillagászati színképelemzésnek. Ezek olyan kettőscsillagok, amelyekről csak spektroszkópiai úton állapítható meg a kettősség. Mivel a kettős rendszer két csillagkomponense a közös tömegközéppont (baricentrum) körül kering, ezért eközben radiális sebességváltozásokat mutatnak, kivéve ha a keringés pályasíkja merőleges a látóirányra. Ha egy ilyen kettős komponenseinek nagyjából megegyezik a fényessége, akkor két egymásra rakódott színképet látunk, amelyben a színképvonalak egymással ellentétes irányba elmozdulnak. A közeledő komponens vonalai a rövidebb, a távolodó komponens vonalai pedig a hosszabb hullámhossz irányába tolódnak el a Doppler-effektus alapján. Fél periódusidő elteltével fordított a helyzet, amikor pedig a csillagok látóirányra merőleges mozgást végeznek, akkor természetesen nincs Doppler-eltolódás. Összefoglalva a spektroszkópiai kettősök vonalai egy teljes keringési periódus alatt kétszer szétválnak, és kétszer összeolvadnak. Egy ilyen periódust megfigyelve megállapítható a keringési időn kívül a két csillag ellipszispályájának excentricitása (értéke többnyire 0,1 alatti) és a komponensek tömegének aránya.
[szerkesztés] Csillagközi anyag
A csillagközi anyag kutatása és a csillagok keletkezése mind a mai napig a modern asztrofizika egyik leghomályosabb területe. Az ezzel kapcsolatos legelső számítások S. Laplace nevéhez fűződnek, akinek elgondolásai mindmáig tükröződnek a modern elméletekben. Ő vetette fel először, hogy a csillagok – bolygóikkal együtt – a csillagközi anyagból, gravitációs összehúzódással keletkeznek. A csillagközi anyag felfedezésére ezután még több mint egy évszázadot kellett várni, hiszen ez a ritka anyag az optikai tartományban nehezen figyelhető meg. Ezért nem meglepő, hogy az első közvetlen megfigyelést csak viszonylag későn, 1904-ben végezték. J. F. Hartmann ekkor a Delta Orionis spektroszkópiai kettős színképét vizsgálva olyan abszorpciós vonalakat (pl.: Ca) talált a spektrumban, amelyek nem vettek részt a spektroszkópiai kettős keringése során bekövetkező egyéb vonalainak periodikus eltolódásaiban, hanem egy állandóan meghatározott hullámhosszon maradtak. Ez úgy magyarázható, hogy a vonalak nem a csillagokból származnak (ekkor ugyanis a Doppler-effektusnak megfelelően vonaleltolódásokat kellene megfigyelni), hanem a csillag és a megfigyelő közötti anyagból.
A csillagközi anyag spektruma folytonos színkép, amire emissziós vonalak rakódnak. E két összetevő intenzitásának aránya a köd típusától függ; a reflexiós ködöknél a folytonos (kékes) színkép, a H II felhőknél, planetáris ködöknél, szupernóva-maradványoknál, intersztelláris buborékoknál pedig az emissziós színkép dominál.
A csillagközi anyagban azonosított atomok és molekulák: Kétatomosak: OH, NH, CH, CO, CS, SiO, SiH, MgH, CaH, C2, CN, O2, TiO, MgO, AlO. Többatomosak: H2O, HCN, HCHO. Találtak már ciánacetilént (HC9N) is, ami 11 atomból álló molekula. Az ilyen molekulák előfordulása az élet kialakulásáról folyó viták (asztrobiológia) szempontjából nem lényegtelen. A vegyületekben leggazdagabb terület a Sagittarius (Nyilas) és az Orion (Kaszás) csillagképben található. Az összetettebb, 6–7 atomot is tartalmazó molekulák több változatát ebben a két csillagképben találták meg. Néhány érdekesebb szerves vegyület ezek közül: formaldehid HCHO, metil-cianid CH3CN, formaldimin CH2NH, metil-acetilén CH3C2H, acetaldehid CH3HCO, formamid NH2HCO és dimetil-éter (CH3)2O.
[szerkesztés] A galaxisok színképe
A galaxisok spektruma az őket alkotó fényesebb csillagok színképének a keveréke. A kontínuumon egyaránt megfigyelhetőek abszorpciós és emissziós vonalak. A spirális galaxisokban a HII tartományok és ionizált hidrogénfelhők vonalai mutatkoznak. Magjuk többnyire M- és K-típusú csillagokból épül fel, színképükben ezért a kétszeresen ionizált oxigénion vonalai találhatóak meg. A központi tartomány emellett igen széles emissziós vonalakat mutat, ami a csillagközi gáz nagy sebességére (~1000 km/s) utal. A spirálkarokban az I-es populáció fiatal kék forró csillagai figyelhetőek meg. A fénylő csillagközi gázfelhőkkel együtt ezek teszik megfigyelhetővé a spirális szerkezetet. A csillagközi gáz és por néhány száz parszek vastagságú korong formájában a fősíkba tömörül. A színkép összességében az A - F-ig terjedő színképosztályoknak felel meg.
Az elliptikus galaxisok magja - hasonlóan a spirális galaxisokéhoz - is II-es populációba tartozó csillagokból áll. Főként fényes vörös óriások figyelhetők meg, amelyek együttesen a K, L, M színképosztályt képviselik. A csillagösszetételnek megfelelően az elliptikus galaxisok inkább vörösek, a spirálisok pedig kékesek.
A világegyetem tágulása a galaxisok egymástól való távolodásában mutatkozik meg, ezért a galaxisok színképvonalai vöröseltolódást mutatnak. A vöröseltolódás legkönnyebben a kalcium H- és K-vonalánál figyelhető meg, ami a látható ibolya tartományból a kék-zöld tartomány felé történik. Az eltolódás mértéke annál nagyobb, minél kisebb a galaxisok látszólagos átmérője, illetve a látszólagos fényessége, vagyis minél nagyobb a távolságuk. Ezt az összefüggést írja le a Hubble-törvény. A legnagyobb vöröseltolódású extragalaxisok a kvazárok. Az eddig felfedezett legtávolabbi kvazár vöröseltolódása z = 6,28 az SDSS mérései alapján.
[szerkesztés] Csillagászati színképelemzés a gyakorlatban. Spektrográfok
Spektrográfok felépítése, tulajdonságai
Egy csillagászati spektrográf és egy laboratóriumban használt színképelemző berendezés között, bizonyos szempontból semmi, ugyanakkor mégis hatalmas különbségek vannak. A vizsgálni kívánt fény mindkét esetben hasonló utat fut be: legelőször áthalad egy résen, amely minden más zavaró fényforrást kizár, majd a divergens fénynyalábot a kollimátor párhuzamosítja, ezek után pedig a bontóelemre fókuszálja. A bontóelem (legtöbb esetben rács) a különböző hullámhosszú fénysugarakat különböző irányokba téríti el, előállítva ezzel a színképet. A spektrálisan bontott nyalábokat egy újabb optikai elem (kamera) vetíti a detektorra, aminek a síkjában így egymás mellé képződnek le a spektrum egyes tartományai. A detektor lehet fotolemez, vagy a legújabb technikának megfelelő CCD-mátrix.
A csillagászatban a vizsgálat tárgyát képező objektumok igen halványak, így egyetlen beérkező fotont sem szabad elveszítenünk a távcső által összegyűjtött fénynyalábból. Ez több feltételt is jelent a spektrográf felépítésére nézve. Például a rést kivilágító fénynyaláb a távcső optikájának megfelelően összetartó, majd a résen áthaladva széttartó fénykúpként jelentkezik. Ezt a kollimátornak maradéktalanul be kell fogadni, vagyis a kollimátor fényerejének nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie a távcső fényerejével. A spektrográf egyik legfontosabb értékmérője a reciprok lineáris diszperzió: ennyire „húzza szét” a színképet; ezt ångström/mm-ben mérjük (1 nm = 10 A). A másik fontos tulajdonsága felbontóképesség, amely megadja, hogy egy adott hullámhosszon mekkora az a Δλ érték, amelyre két egymáshoz közel eső színképvonal még éppen szétválasztható. (R = λ/Δλ) A diszperzió és a felbontóképesség hasonló okoknál fogva nem azonos, mint a nagyítás és a felbontóképesség a vizuális távcsöves megfigyeléseknél. Ha két színképvonal egy λ hullámhossznál akkor választható szét, ha hullámhosszkülönbségük legalább Δλ, akkor a λ/Δλ arányt nevezzük felbontóképességnek. A legtöbb csillag halvány, ezért a felbontóképességnek és a diszperziónak is határa van. A legnagyobb diszperzió – viszonylag fényes csillagok esetében – kb. 1 A/mm. A felbontóképesség 500 nm-nél kb. 0,001 nm-t, esetleg valamivel kisebb értéket érhet el.
A felbontóképességet másképpen is kifejezhetjük: ahol R a rés mérete, m a spektrális rend száma, ρ a rácsállandó, λ a vizsgálandó fény hullámhossza, W a spektrográf optikájának átmérője, φ a rés mérete, DT a távcső átmérője (pontosan látszó szögátmérő).
A rés mérete meghatározza felbontóképességet, minél kisebb a mérete, annál nagyobb a felbontóképesség. Ugyanakkor viszont a rés méretének csökkenésével a spektrográfba jutó fény mennyisége is csökken, ami hátrányt jelent a halvány objektumok vizsgálatánál. Egy halvány csillag esetében ez nem engedhető meg, vagyis a rés méretének nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie a csillag fókuszsíkbeli képénél. A rés méretét továbbá behatárolja a fényelhajlás (a távcső átmérője nem végtelenül nagy, a fény az objektív peremén elhajlást szenved) és a földi légkör. A fényelhajlás miatt a távcső a pontszerű csillag fényét nem egy végtelenül kicsi pontba, hanem egy kisméretű korongba és az azt körülvevő nagyon halvány gyűrűkbe vetíti (Airy-féle diffrakciós kép).
Optikai rács esetében a rácssorozat sűrűsége egyenesen arányos az elérhető felbontóképességgel: sűrűbb rács finomabb részleteket jelent. A rácsokat karcoló osztógépek azonban felső határt szabnak, a milliméterenkénti néhány ezer vonalnál nem lehetséges sűrűbb rácsot készíteni. Gyakorlatilag ρ = 1200 osztás/mm-nél sűrűbb rács nem fordul elő a csillagászati műszerekben. Efelett a határ felett ugyanis már jelentősen romlik a rácsok minősége, ami szórt fény megjelenéséhez vezet.
A spektrográfok fő típusai:
Az expozíciós időt befolyásoló tényezők:
A nagy felbontású spektrumok hosszabb expozíciós időt igényelnek, mivel a nagy felbontás fénysűrűség-csökkenéssel jár, ami hosszabb expozíciós időhöz vezet. Az expozíciós idő meghatározása a következőképpen történik:
Hullámhossz-kalibráció
A Doppler-effektusnak köszönhetően a színképben megfigyelhető vonalak a vörös vagy a kék hullámhossz felé tolódnak el, annak megfelelően, hogy a fényforrás távolodik, vagy közeledik felénk. Az eltolódás mértéke pedig a fényforrás sebességével arányos: Δλ / λ = v / c, ahol a Δλ a nyugvó rendszerbeli λ hullámhosszon megfigyelhető vonal eltolódása, v a fényforrás sebessége hozzánk viszonyítva, c pedig a fénysebesség. Az eltolódás Δλ értékének meghatározásához szükség van egy referenciára, ami a spektrumvonalak álló rendszerben megfigyelhető (laboratóriumbeli) pozícióit szolgáltatja. Fontos, hogy ez a referenciaforrás éles, jól elkülönülő vonalakkal rendelkezzen, lehetőleg a teljes vizsgálni kívánt spektrális tartományban. Erre az ún. spektrállámpát használják. Kisebb felbontóképességű spektrográfok esetén hélium-neon-argon gázzal töltött kisülési lámpákat alkalmaznak. Ezekben az anód és a valamilyen speciális fémmel bevont katód közötti magas feszültség ionizálja a lámpa töltésére használt gázt, ami így kisüléshez vezet az anód és a katód között. A nagy sebességgel katódba csapódó ionok a katód bevonatát adó fématomokat is kilökik, amik szintén ionizálódnak és fényt bocsátanak ki. Így a lámpa fényében egyszerre jelennek meg a gázra, és a katód bevonatára jellemző színképvonalak. Nagyobb felbontású műszerek esetén az argonnal töltött, tórium tartalmú katóddal rendelkező (ThAr) lámpákat használják referenciaként, mivel ezek szűk spektrális tartományon belül is számos vonallal rendelkeznek.
[szerkesztés] Spektroszkópiai módszerek
I. Radiális sebesség mérések a Doppler-effektus felhasználásával. A színképelemzés felvilágosítást adhat egy égitest radiális (látóirányú) sebességéről. Ehhez a Doppler által felfedezett, és róla elnevezett Doppler-effektust használják fel. Ha egy fényforrás távolodik vagy közeledik tőlünk, akkor hullámhossz-eltolódást mutat a vörös ill. a kék felé. A Doppler-eltolódás legvilágosabban a színképvonalakon mutatkozik meg. Az eltolódás mértékéből meghatározható a vr radiális sebesség, a összefüggés alapján, ahol Δλ a λ hullámhossz megváltozása, c pedig a fénysebesség. Ennek alapján például megállapíthatjuk a Nap radiális sebességét, mégpedig a napkorong szélein mutatkozó Doppler-effektus segítségével. A radiális sebességre vonatkozó képletbe írjuk a Hα vonal hullámhosszát (λ = 641,0256 nm), és a színképelemzéskor megállapított (Δλ = ± 0,0043 nm) hullámhossz-eltolódását. Így a napkorong széleinek mozgási sebességére v = ± 2 km/s értéket kapunk. Az itt alkalmazott formula azonban csak a fénysebességnél jóval kisebb sebességek esetén érvényes! Ellenkező esetben relativisztikus effektusok lépnek fel: . Itt analógiát találhatunk a világegyetem tágulásával, mivel az égitestek egymástól való távolodás az okozója a kozmikus vöröseltolódás jelenségnek. A vöröseltolódás mértékét a z = Δλ / λ kifejezés adja meg.
II. Csillagok állapotjelzőinek meghatározása a gravitációs vöröseltolódás hatásaiból. Az általános relativitáselmélet egyik következménye, hogy egy nagy tömegű égitest felszínét elhagyó fény energiát veszít, vagyis a színképvonalak a vörös felé tolódnak el. A Δλ / λ ralatív eltolódás az égitest M tömegével egyenesen, R sugarával fordítottan arányos:
A gravitációs vöröseltolódás hatását nehéz más effektusoktól elválasztani, ennek ellenére a jelenség eredményesen alkalmazható a fehér törpék és a különösen nagy tömegű csillagok (Trümpler-csillagok) tömegének mérésére.
III. Baade-Wesselink-analízis. A radiális pulzációt (rezgéseket) mutató csillagok egyensúlyi sugarának meghatározására szolgáló módszer. A legegyszerűbb megvalósítása szerint a csillag színhőmérsékletének és fényességének változását mérve (fotometriával) következtethetünk a sugárváltozások arányaira, a pulzáló légkör sebességgörbéjét mérve pedig (spektroszkópiával megfigyelve) kiszámíthatjuk a sugár változásait hosszmértékben (km-ben). Végül a sugár két időpontban vett értékének hányadosa és különbsége adódik, amiből a csillag sugarát ebben a két időpontban meg lehet határozni.
IV. Doppler-imaging. A módszer alkalmas gyorsan forgó csillagok periódusidejének meghatározására és a heterogén fényességeloszlású csillagok felszínének feltérképezésére (csillagfoltok kimutatása). A forgó csillag különböző felületi pontjai különböző radiális sebességűek, különböző Doppler-eltolódásúak. A csillagfoltok – mivel kevés fény érkezik róluk – nem mutatnak abszorpciós színképvonalakat. A foltok pozíciójának megfelelő Doppler-eltolódású hullámhosszokon egy jellegzetes „púp” jelenik meg a színképvonal profiljában, ami a csillag forgása miatt végigvonul azon. Ennek elemzésével megállapítható a foltok elhelyezkedése. A módszer hátránya, hogy csak precíz vonalprofilok esetén alkalmazható.
V. Spektroszkópiai parallaxis. Meghatározott színképtípushoz (MKK-féle osztályozási rendszer) többé-kevésbé (általában kettes faktornál kisebb bizonytalansággal) meghatározott abszolút fényesség tartozik. Az egyéb spektrális paraméterek alapján az abszolút fényesség meghatározása tovább finomítható. Ezt összevetve a csillag látszó fényességével, meghatározhatjuk annak távolságát. Az ilyen módon kapott távolságot (vagy parallaxist) nevezzük spektroszkópiai parallaxisnak. Ennek meghatározásában további nehézséget jelent, hogy a G, K és M színképosztályú csillagok között vannak óriások és törpék is. A színképtípus tehát nem határozza meg egyértelműen az abszolút fényességet. Ehhez szükség van a luminozitási osztály megállapítására is, ami többek között meghatározható az adott csillag légkörében uralkodó nyomásból.

Summary:
A színképelemzés vagy spektrumanalízis az összetevőire bontott elektromágneses sugárzás, a színkép vizsgálatát jelenti. A színképelemzéssel foglalkozó tudományágat spektroszkópiának nevezzük.
A csillagok atmoszférájának az összetételére és a fizikai állapotára vonatkozó ismereteinket a csillagászati színképelemzés eredményei tették lehetővé. (Az általános értelemben vett színképelemzéshez lásd: Spektroszkópia.) A csillagászati színképelemzés során megvizsgálják az egyes hullámhossz-tartományok intenzitását, erősségét ill. fényességét, továbbá az ún. Fraunhofer-vonalak helyzetét és szélességét. Ez utóbbiakat a földi anyagok színképelemzési eredményeivel összehasonlítva bizonyos elemeknek és vegyületeknek a csillag légkörében való előfordulására következtethetünk. A fényintenzitás folytonos színképbeli eloszlása a hőmérséklettől és az anyagi összetételtől függ, így ebből meghatározható a csillagok egyik legfontosabb tulajdonsága, a felszíni hőmérséklet. A színképvonalak Doppler-eltolódásának vizsgálatával információt nyerhetünk a csillag látóirányú (radiális) sebességéről, majd ebből közvetve – kettős vagy többesrendszer esetén – a rendszer tagjainak tömegére és egyéb fizikai tulajdonságaira következtethetünk.


[szerkesztés] Az élő fa
A fák évelő, fás szárú növények. Három jól elkülöníthető részük van, a gyökér, a törzs és az ágakat, leveleket magában foglaló korona. Magasságuk néhány métertől akár 50–100 méterig, törzsük átmérője 10 centimétertől több méterig terjedhet. Nincs rá egyértelmű szabály, de az ennél kisebb, vagy a föld fölött rögtön elágazó fás növényeket inkább cserjének nevezik. Faanyagként leginkább a törzsüket hasznosítják. Kívülről befelé haladva a következő részekből épül fel:
A fát kivágása, a fakitermelés változtatja át élőlényből ipari nyersanyaggá. Jelentősége, hasznossága nagyrészt annak köszönhető, hogy – a lágy szárú növényekkel ellentétben – elhalása, nedvességtartalmának elvesztése után is hosszú ideig megőrzi állagát, kedvező mechanikai tulajdonságait.
[szerkesztés] A fatest szerkezete
[szerkesztés] Sejtek
A kitermelt, felhasználásra kész fa anyagának túlnyomó része a növény elhalt sejtjeinek sejtfalaiból és az ezek közötti üregekből tevődik össze. E sejtfalak tartósságukat, merevségüket a sejtfalvastagodás során beépülő cellulózrostoknak, keménységüket az ezek közé rakódó ligninnek köszönhetik.
A fonál alakú, hosszú, párhuzamosan futó cellulóz makromolekulák kristályrácsba rendeződve úgynevezett micellumokat alkotnak. A micellumok a nem kristályos részekkel együtt elemi rostokat, micelláris kötegeket, ezek pedig mikrofibrilláris kötegeket képeznek, melyek szövedékei a sejtfalrostok, fibrillumok. Ez utóbbiak alkotják a sejtfal egyes rétegeit, lamelláit, melyekből a végleges sejtfal áll össze. A sejtfal belsejében illetve a felszínén különböző kémiai anyagok halmozódhatnak föl, az előbbi jelenséget inkrusztációnak, az utóbbit adkrusztációnak nevezzük. Inkrusztálódó anyag például a lignin, a festékanyagok, a kova, a kalcium-oxalát, a kalcium-karbonát, a nyálka és a mézga. A para és a viasz viszont többnyire adkrusztálódik.
A fa nem homogén anyag. Különböző formájú, funkciójú, de általában a fa hossztengelye irányában megnyúlt sejtekből épül fel, és e sejtek falai is rostos szerkezetűek. Ez eredményezi a fa anizotróp természetét, vagyis azt, hogy a fizikai hatásokra való reagálása azok irányától is függ.
[szerkesztés] Faelemek
A fa sejtjei – eredeti rendeltetésüktől függően – különböző méretűek, alakúak, felépítésűek, a faelemek ezekből és ezek egymásba kapcsolódásaiból keletkeznek. Ezek közül a legfontosabbak:
A fentieken kívül léteznek még átmeneti elemek, mint az edényszerű tracheida, a rostszerű tracheida, a tracheidaszerű edény, a pótlórost, a rekeszes rost.
A bélsugarak vékony falú parenchimatikus sejtjei az élő fában sugárirányban szállítják, raktározzák a tápanyagokat. Minden fatestben megtalálhatók.
[szerkesztés] Makroszkópos szerkezet
A fa makroszkópos, vagyis szabad szemmel látható sajátosságai nemcsak az anyag szépsége, felhasználhatósága szempontjából lényegesek, de a fafaj azonosításában is segítségünkre lehetnek. Ezek a jellegzetességek a fatest különböző irányú metszésfelületein különböző módokon mutatkoznak.
Kereszt- vagy bütümetszet a rostirányra, tehát a fa hossztengelyére merőleges metszésfelület. A fa középvonalán, belén áthaladó, a rostokkal párhuzamos metszet a sugármetszet. Húrmetszet minden olyan metszet, ami párhuzamos a rostokkal, de nem halad át a fa belén.
A fa anyagának makroszkópos jellegzetességei:
[szerkesztés] Lombos és tűlevelű fák
A faanyagokat felépítésük, tulajdonságaik éles eltérései alapján a lombos illetve tűlevelű kategóriákba soroljuk aszerint, hogy a zárvatermők törzsébe vagy a tűlevelűek rendjébe tartozó növényből származnak-e.
[szerkesztés] Trópusi fák
A trópusi fafajok szövete nem tér el lényegesen a mérsékelt égövi fákétól, de néhány különbség azért megfigyelhető:
[szerkesztés] Egyszikű fás növények
Az egyszikűek osztályában is találhatók fás növények. A bambuszok, pálmafélék, a nádbútorok gyakori anyagaként használt rattan fás anyaga alapvető vonásaiban különbözik az eddig tárgyaltaktól. Míg a tűlevelű és lombos fák esetében a vastagsági növekedést a fatestet körbefogó kambium osztódása eredményezi, az egyszikűeknél ez nem jellemző. A fatest itt nem a külső felületén körkörösen képződő új sejtek révén vastagodik, hanem az anyag egész térfogatában. A belső részek növekedése kívül feszültségeket, húzóerőt kelt. Ez a feszültség eredményezi a pálmafélék anyagának laza szerkezetét, a kemény anyagú bambuszféleségeknél ez a feszültség úgy oldódik meg, hogy belsejükben üreg alakul ki.
[szerkesztés] A fa tulajdonságai
[szerkesztés] Szag
A fák gyakran szagosak, illatosak, elsősorban azok, amelyek illóolajokban gazdag gyantaféléket, balzsamokat tartalmaznak. A frissen termelt, frissen megmunkált fa szaga erősebb; idővel teljesen el is tűnhet: ez okozza például az erdeifenyő faanyagot feldolgozó asztalosműhelyek, vagy akár a frissen vágott karácsonyfa jellemző gyantaillatát. Szaguk miatt egyes fafajok bizonyos – főleg élelmiszeripari – termékek tárolására nem alkalmasak. Más esetekben tudatosan használják fel a fa illatát, például a kubai szivarok hagyományos csomagolásakor a cedrela, „szivarláda-fa” dobozoknál a szivar aromájának gazdagítására. A valódi cédrusfából készült szekrények, fiókok állítólag távol tartják a ruhamolyokat. Az illatos kámforfa valaha az árnyékszékek komfortját emelte. A fából nyerhető illatanyagokat, mint amilyen a szantálfaolaj, a kozmetikai ipar hasznosítja.
Egyes trópusi fafajok aromatikus pora, illóanyagai nyálkahártya-gyulladást, bőrgyulladást, fejfájást, hányingert okozhatnak.
[szerkesztés] Szín
Amikor a fa színéről beszélünk, valójában egy sokrétű, összetett jelenségről van szó. A fa durva- és finomszerkezete bonyolult, a különböző irányú metszeteken teljesen eltérő képet mutat, ráadásul a fény nem közvetlenül a fa felszínéről verődik vissza, hanem kis mértékben behatol a fa anyagába, ahol a különböző faelemek eltérő módon hatnak rá. A finom pórusok lágy, selymes hatásúak a fény szóródása miatt, a bélsugarak viszont gyakran kis tükrökként verik vissza a fényt, kristályos csillogást adva a felületnek. A fa színe, fénye, megjelenése ezért nagyban függ a megvilágítás irányától is. De éppen ez a gazdagság, változékonyság adja a fa különleges szépségét, varázsát, ami értékes használati tárgyak, bútorok, szobrok, hangszerek készítésekor kap jelentőséget.
A különböző fajhoz, alfajhoz tartozó, különböző helyeken termett fák színskálája a majdnem fehértől a sárgán, narancssárgán, barnán, szürkén, vörösön, ibolyaszínen át egészen a feketéig terjed. Ebből a trópusi fafajok mutatnak különösen nagy színgazdagságot, szinte csak a tiszta kék és az élénk zöld hiányzik a palettáról. Általában a gesztnek van sötétebb, tüzesebb színe, a szíjács legtöbbször világosabb, szürkésebb.
Ha a fának eltérő színű, árnyalatú évgyűrűhatárai vagy növekedési zónái vannak, azok a fa különböző metszetű felületein jellegzetes erezetként, rajzolatként jelentkeznek. Egyes faanyagokban a farostok irányeltérései a megvilágítás irányától függően fényesebb és sötétebb területekből álló dekoratív mintázatot eredményeznek.
A fa színe hőkezeléssel, gőzöléssel sötétebbé, melegebbé, a rostok telítésével mélyebbé tehető, pácokkal, színezékekkel teljesen meg is változtatható. A fa levegővel, fénnyel érintkező felületei idővel sötétednek, szürkülnek vagy fakulnak.
[szerkesztés] Sűrűség
A fa sűrűsége nagyon fontos jellemző, amiből a fa egyéb fizikai tulajdonságaira is következtethetünk. Mértékegysége g/cm3 (gramm per köbcentiméter), angol nyelvű irodalomban gyakran pcf (pounds per cubic foot).
1 pcf = 0,016 g/cm3.
Mivel a fa higroszkópos anyag, sűrűsége erősen függ a nedvességtartalmától, ezért fontos tudnunk, hogy egy adott érték nyers, azaz élőnedves anyagra, légszáraz (12%–18% nedvességtartalmú) vagy abszolút száraz anyagra vonatkozik-e. A légszáraz fára gyakran a lutro rövidítés utal (német lufttrockenes Holz), az abszolút szárazra az atro (német absolut trockenes Holz). Így például egy bizonyos faféleségből 1 atro tonna tömeg nagyobb térfogatot, nagyobb mennyiséget képvisel, mint 1 lutro tonna.
Az egyes fafajok anyagának sűrűsége jelentősen különbözhet, a balsafáé például 0,13 g/cm3, a guajakfáé 1,4 g/cm3 körüli, noha a szilárd része, a sejtfal sűrűsége viszonylag szűk határok között marad. A cellulóz sűrűsége 1,58 g/cm3, a ligniné 1,38–1,41 g/cm3, a legnagyobb részben ezekből az anyagokból összeálló sejtfalak 1,52 és 1,62 g/cm3 közötti sűrűségűek. A fafajok sűrűségének nagy különbségeit tehát nem anyaguk különbözősége okozza, hanem anatómiai sokféleségük – elsősorban pórusosságuk, a beléjük zárt levegő mennyiségének különbözősége.
A fa sűrűsége nemcsak a fajtól függ, de a fa termőhelyétől, annak éghajlatától is, és egyazon fatesten belül is változhat.
Régebbi szakkönyvekben, táblázatokban a sűrűség helyett gyakran az ezzel arányos fajsúly, térfogatsúly szerepel, mértékegysége mN/cm3. Ha értékét elosztjuk a nehézségi gyorsulással (kb. 10 m/s2), megkapjuk a sűrűséget.
[szerkesztés] Nedvesség
A friss, élőnedves fában a víz kétféle módon van jelen: a sejtüregekben szabad, cseppfolyós alakban, illetve a sejtfalak molekulái között megkötött formában. A fa száradásakor először a sejtüregekben található víz távozik el, ekkor a fa tömege, sűrűsége csökken, de mechanikai tulajdonságai nem változnak számottevően. E folyamat végén már csak a fa rostjai tartalmaznak vizet: ezt az állapotot rosttelítettségi pontnak nevezzük. Mérsékelt égövi fáknál ez a pont 25–30% nedvességtartalmat jelent, trópusi fák esetén tágabb határok között, 14–60% között lehet. Ez után a további száradás már a fa mechanikai tulajdonságaira is erősen kihat, innentől kezdve a fa zsugorodik, ugyanakkor keményebbé, nehezebben megmunkálhatóvá válik. A száraz fa nedvesebb légköri viszonyok közé kerülve vagy vízbe merítve viszont újra nedvességet vesz fel, amíg a nedvességi egyensúly a fa és környezete között helyre nem áll. Eközben a fa dagad.
Ez az alakváltozás a fa anizotróp jellegéből adódóan különböző irányokban más és más mértékű. A zsugorodás és a dagadás a legkisebb a fa rostjainak irányában (0,1–0,6%), arra merőlegesen sugárirányban jóval nagyobb (3–8%), és legnagyobb húrirányban, az érintők irányában (5–18%). A fa dagadásakor fellépő erők hatalmasak lehetnek, felületegységre vetítve elérhetik a 10 000 N/cm2 nagyságrendet is. A különböző irányú elmozdulások eltérő mértéke az anyagban feszültségeket kelt, bizonyos esetekben deformációt – vetemedést, repedést stb. – okozhat. Ezt csak szakszerű kezeléssel, tárolással lehet megelőzni.
A fa zsugorodásának és dagadásának, vagy ellenkezőleg: használat közbeni stabilitásának mértéke fafajonként változó, a felhasználhatóság szempontjából lényeges tulajdonság.
[szerkesztés] Keménység
A faanyag egyik legfontosabb, a mindennapokban legtöbbször emlegetett tulajdonsága a keménysége. E sajátosság alapján különböztetünk meg puha- és keményfát, lágy- és keménylombos anyagot.
Keménységnek azt az ellenállást nevezzük, amelyet az anyag egy másik test behatolásával szemben kifejt. A különböző fafajok anyaga különböző keménységű lehet, de a sűrűség és a keménység között – azonos nedvességtartalom esetén – szoros összefüggés van. Ugyanabban a fatestben a geszt keményebb a szíjácsnál, mérsékelt égövi fák évgyűrűiben a kései pászta keményebb, mint a korai. A rostiránnyal párhuzamosan mért keménység nagyobb, legalább kétszer akkora, mint a rostirányra merőleges. A keménység nagyban befolyásolja a szilárdságot, a kopásállóságot és a megmunkálhatóságot.
Meghatározásának egyik ismert eljárása a Brinell-féle módszer. A Brinell-keménység mérésekor 10�mm átmérőjű golyót nyomnak adott nagyságú erővel a fatestbe, a keménységre az így okozott horpadás átmérőjéből lehet következtetni. Fa esetén leggyakoribb mértékegysége a MPa, azaz megapascal. A Janka-féle eljárás – ami kimondottan faanyagok keménységét méri – ennek fordítottja: egy 11.28�mm-es, átmérője feléig az anyagba benyomott golyó mindig 1�cm2 felületre hat, az ekkora benyomódáshoz szükséges erő adja meg közvetlenül a Janka-keménység mérőszámát. A fával dolgozó mesteremberek munkájuk során a fa keménységét ezekhez hasonló módon becsülik meg: hüvelykujjuk körmét megpróbálják az anyagba mélyeszteni, és ha semmilyen, vagy csak alig észrevehető nyom marad a felületen, akkor keményfáról, máskülönben a nyom mélységétől függően közepes keménységű, vagy puhafáról van szó.
[szerkesztés] Szilárdság
A szilárdság az anyag különböző igénybevételekkel: nyomással, húzással, hajlítással, nyírással stb. szembeni ellenállása. Ha az igénybevétel nagyobb feszültséget okoz, mint az adott anyag részecskéit összetartó erő, az anyag szerkezete megbomlik: eltörik, elszakad, elreped stb. A különböző igénybevételeknek megfelelő szilárdság az a feszültség, amelynél ez bekövetkezik. Ezeket a feszültségeket jobbára meghatározott felületen, keresztmetszeten ható erőkként írjuk le, tehát erő/felület jellegű mennyiségek. Mértékegységük lehet N/cm2 (newton per négyzetcentiméter), SI mértékegységrendszerben kPa (kilopascal) vagy MPa (megapascal), angol nyelvű irodalomban gyakran psi (pounds per square inch).
1 MPa = 100 N/cm2 = 1000 kPa; 1 psi = 6,895 kPa.
A fa szilárdsága függ annak keménységétől, nedvességtartalmától, göcsösségétől, az igénybevétel irányától, ismétlődésétől és sebességétől.
[szerkesztés] Rugalmasság, hajlékonyság
A külső erők által okozott igénybevételek a testekben alakváltozást okoznak, de az erőhatás megszűntével többé-kevésbé visszanyerhetik eredeti formájukat. Annál rugalmasabbnak tekintünk egy anyagot, minél nagyobb mértékű deformációt képes elviselni maradandó alakváltozás nélkül. A fa rugalmasságát nagyon sok tényező befolyásolja: az alakváltozás anatómiai iránya, az anyag rostszerkezete, keménysége, nedvességtartalma, hőmérséklete stb.
A fa merevsége annál nagyobb, minél nagyobb erő szükséges egy adott mérvű rugalmas alakváltozás eléréséhez. Ennek mértéke a rugalmassági modulus. A fának talán legértékesebb tulajdonsága, hogy rostjaira merőleges irányú hajlító igénybevétel esetén – rugalmassága mellett – tömegéhez képest rendkívüli merevséget mutat. Ez teszi lehetővé, hogy íjat, hangszereket, vízi, szárazföldi és légi járműveket, tetőszerkezeteket, hidat stb. készítsenek belőle.
Nagy nedvességtartalom, magas hőmérséklet hatására a fa ideiglenesen elveszítheti rugalmasságát, meghajlíthatóvá válik, majd új formájában visszanyerheti eredeti merevségét. Ezen alapul például a vesszőfonás ősi mestersége vagy a hajlítottbútor-gyártás.
[szerkesztés] Szigetelőképesség
A fa üreges szerkezete miatt jó hőszigetelő, különösen a kis sűrűségű, vékony sejtfalakból felépülő anyag. A hőszigetelés rostokra merőlegesen kb. kétszer jobb, mint rostirányban, és legalább ötszöröse a tömör tégláénak. Ilyen jellegű felhasználásának határt szab, hogy 100 °C fölötti hőmérsékleteken a fában visszafordíthatatlan kémiai átalakulások kezdődnek, még magasabb hőmérsékleten pedig meggyullad.
Alacsony hővezető képessége eredményezi többek között a fa otthonos, meleg tapintását is.
A teljesen száraz fa elektromos szigetelő, de minél nedvesebb, annál jobban vezeti az áramot. Ez teszi lehetővé a fa nedvességtartalmának elektromos áram segítségével történő meghatározását is. A fa tartalmi anyagai, rostszerkezete is befolyással van vezetőképességére.
A fa hangelnyelő képessége jobb, mint mondjuk a betoné vagy a tégláé, ennek ellenére a tapasztalat szerint a fa födémek, lépcsők jobban továbbítják a lépészajokat, mint a más anyagokból készültek. Ezekben az esetekben a fa rugalmas, ugyanakkor könnyű anyagában létrejövő hajlítási hullámok vezetik, sugározzák a hangot. A faanyagnak ez a tulajdonsága teszi azt is lehetővé, hogy hangszerek hangsugárzó alkatrésze, rezonánsa, és sokféle idiofon hangszer készülhessen belőle.
[szerkesztés] Tartósság
A fa tartóssága határozza meg, hogy mennyi ideig képes ellenállni a környezet romboló hatásainak, meddig tud rendeltetésének megfelelni. Ez a tulajdonság az években kifejezett használati időtartammal jellemezhető. A tartósságot egyrészt a fa belső tulajdonságai, másrészt a környezet, a felhasználás helyén uralkodó viszonyok határozzák meg.
A fa természetes tartósságára sűrűségéből, a sejtjeinek tápanyagtartalmából, gesztjének színéből, gyanta- és csersavtartalmából következtethetünk. Egy fajon belül legtöbbször a nagyobb sűrűségű anyag a tartósabb, de általában jellemző, hogy a kis és közepes sűrűségű lombos fafajok többsége nem rendelkezik nagy ellenálló képességgel. A farontó gombák, rovarok számára a vonzerőt elsősorban a sejtekben található fehérjék, cukrok, keményítő jelentik, ezek mennyisége nagyban befolyásolja a fa élettartamát. A szíjács ilyen szempontból veszélyeztetettebb, mint a geszt. A geszt színét a belerakódott tartósító hatású festő- és cserzőanyagok határozzák meg, ezért elmondható, hogy a sötétebb geszt általában ellenállóbb. A sejttartalom minősége és mennyisége az évszakokkal változik, a télen kitermelt faanyag e szempontból állítólag kedvezőbb. A fában megszilárduló gyanták és a csersavtartalom növelik a fa tartósságát.
A külső, környezeti tényezők lehetnek fizikai, kémiai természetűek, ilyen például a légkör oxigénjének korróziós hatása, a cellulózoxidáció, vagy a napfény ultraibolya sugárzása általi roncsolás, melyek következtében a felület színe szürkül vagy halványul, az anyag rugalmassága csökken, rideg, törékeny lesz. A biológiai károsítók – baktériumok, farontó gombák, rovarok, tengeri állatok – okozta meghibásodásokat a faanyag betegségeinek nevezzük.
Állandóan száraz helyen minden fafaj eléggé tartós. A nedvesség a farontó gombák egyik életfeltétele, de víz alatt a másik fontos életelemük, az oxigén hiányzik; emiatt az állandóan víz alatt lévő fa szintén sokáig használható marad. A fa élettartama szempontjából a legrosszabb, ha a nedvesség és a szárazság váltakozik, vagy ha állandóan nagyon nedves levegő veszi körül.
[szerkesztés] Fahibák
Fahibák a faanyag fajra jellemző alakjától, anatómiai szerkezetétől, színétől való eltérések. Általában a felhasználás szempontjából hátrányosak, de egyes fahibák esztétikai értelemben előnyösek is lehetnek, például a hullámos rostúság vagy a csomorosság.
[szerkesztés] A faanyag előállítása
[szerkesztés] Fakitermelés
Azt az életkort, amely egy bizonyos „véghasználatra”, kivágásra szánt faállomány korát jellemzi, vágásérett kornak nevezzük. Ez a kor fafajtól, termőhelytől és a felhasználás céljától függően évtizedekben vagy néha évszázadokban mérhető.
A fakitermelés során a fa, mint élőlény elpusztul, de értékes, sokoldalúan használható nyersanyagként születik újjá.
A fakitermelésnek főbb munkaműveletei a fa kidöntése, gallyazása, az úgynevezett erdei választékok létrehozása. Ide sorolható ezeken kívül a fa közelítésével és erdei szállításával kapcsolatos műveletek összessége is. A fa kidöntésének két fő módja a hajkos és az irtásos döntés. A kettő között a lényegi különbség, hogy az előbbinél a tuskó a földben marad, míg az utóbbinál a fát tövestől termelik ki.
[szerkesztés] Előkezelés
A kitermelt élőnedves fa víztartalmát szárítással kell lecsökkenteni a felhasználás helyének megfelelő értékre. Ez egyrészt javítja a faanyag mechanikai tulajdonságait, fokozza ellenálló képességét, másrészt a zsugorodás során a fa elnyeri nagyjából véglegesnek tekinthető geometriai méreteit. A nedvességtartalom elvesztése közben az eltérő zsugorodás miatt a fában feszültségek keletkezhetnek, amik repedésekhez, deformációkhoz vezethetnek. Ezt kíméletes, lassú természetes szárítással lehet elkerülni. Ilyenkor a fát máglyába rakják, és nyitott, levegős, de a csapadéktól védett helyen tartják. A száradási időtartam ez esetben a fafajtól, az anyag vastagságától, az időjárástól, a máglyázási módtól függően hónapokig, évekig, egy évtizedig is tarthat. A mesterséges szárítás jóval gyorsabb, zárt térben, magasabb hőmérsékleten, néha 100 °C fölött, száraz levegő áramoltatása mellett történik. A mesterséges szárítást is meg kell, hogy előzze hosszabb-rövidebb idejű természetes szárítás.
Gőzöléssel a fa átmenetileg megpuhítható, hogy késelésre, hámozásra, hajlításra alkalmas állapotba kerüljön. Ám a gőzölésnek egyéb, maradandó hatásai is vannak: elpusztítja a fában élő rovarokat, gombákat, kilúgozza a számukra táplálékul szolgáló anyagok egy részét, kiegyenlíti az anyagban lévő feszültségeket, csökkenti a vízfelvevő képességét. A fa ezáltal ellenállóbbá, stabilabbá válik. A gőzölés a fa színére is rendszerint jó hatással van. Gőzölőkamrákban, atmoszferikus vagy túlnyomásos gőztérben történhet, de a fa vízben való főzése is hasonló eredményre vezet.
[szerkesztés] Faválasztékok
A faválaszték a különböző alakú, méretű, rendeltetésű fa nyersanyagok gyűjtőfogalma.
[szerkesztés] A fa védelme
A faválasztékok természetes tartóssága a felhasználásuk, beépítésük előtt alkalmazott védőkezeléssel megnövelhető. Ha a fa már fertőzött, a kezelést a károsítók elpusztítása után kell alkalmazni. A fát lehetőleg meg kell védeni
A kátrány és az ásványolajok gombák és rovarok ellen alkalmazhatók nedves helyeken, bányában, vasúti talpfákon, távíróoszlopokon. Zárt térben a vízben oldódó szervetlen higany-, cink-, réz- és bórvegyületek is hatásosak. Vannak olyan szervetlen vegyületek, amelyeknek keverékei a fába jutva nehezen oldható sókomplexeket alkotnak, így nedvességnek kitett helyen lévő anyag esetén is használhatók. A réz-naftenát, a klór-naftenát és a penta-klór-fenol szintén alkalmasak a nedvesség károsító hatásainak kivédésére.
Ezeket az anyagokat sokféle eljárással lehet a faanyagok felületére, belsejébe juttatni. Mázolás, szórás, mártás, áztatás esetén a pórusokban ható kapilláris erőket lehet erre a célra felhasználni, de zárt térben túlnyomás, vákuum alkalmazásával, diffúziós, nedvkiszorító eljárásokkal a védőszereknek a fába való behatolása tovább növelhető.
[szerkesztés] A fa mechanikai feldolgozása
[szerkesztés] Megmunkálás
A fa mechanikai megmunkálásában forgácsoló és forgácsmentes eljárásokat különböztetünk meg. A fa forgácsoló alakításakor az alakítandó darabról a fölösleget éles forgácsoló szerszámok segítségével forgács formájában választják le, szemben a forgácsmentes alakítással, aminek során nem történik forgácsveszteség. Forgácsoló eljárások a fűrészelés, vésés, gyalulás, fúrás, esztergálás, marás, kaparás, reszelés, csiszolás. Forgácsmentes eljárás a hajlítás, a tömörítés, a préselés. Határeset az, amikor az előállított termék maga tekinthető forgácsnak, például a hasítás, késelés, hámozás, aprítás, köszörülés esetében. Ezeket az eljárásokat szintén a forgácsoló megmunkálás körébe szokás sorolni.
A fa megmunkálásánál – eltérően például a fémekétől – figyelni kell arra, hogy a rostos szerkezete miatt tulajdonságai erősen függenek a megmunkálás anatómiai irányától. Rendszerint az A, B és C főirányt különböztetik meg.
A fa forgácsolásakor nagy jelentősége van a szerszámok élességének, emellett gépi megmunkálásnál a forgácsolás, az előtolás sebességének is; utóbbiak rossz megválasztása az anyag szakadozásához, égéséhez, egyéb hibákhoz vezethet.
[szerkesztés] Rögzítés
A fa méretei – főleg rostjaira merőleges irányban – korlátozottak, ezért nagyobb tárgyakat, szerkezeteket fából csak több darabból, szilárd vagy oldható rögzítésekkel, kötésekkel lehet elkészíteni.
A fakötések lényege, hogy az egymáshoz rögzítendő faalkatrészek illeszkedő részeit úgy alakítják ki, hogy minél nagyobb felületen, minél szervesebben, teherbíró módon csatlakozhassanak. Feladatuk szerint lehetnek hosszabbító (toldó), szélesítő, sarok-, közbe- és keresztkötések, lapbakötések stb. Megoldásuk, kialakításuk szerint lehetnek lapolások, egyenes vagy fecskefarkú beeresztések, csapozások, fogazások.
A legtöbb faanyag ragasztással nagyon jól rögzíthető. A ragasztás műveletei: a felületek pontos illesztése, megtisztítása, a ragasztóanyag felvitele, a ragasztott felületek összepréselése, pihentetése. Hagyományos faragasztók a bőrből, csontból készített, tökéletesen illeszkedő felületeken nagyon erős kötést adó, meleg glutinenyvek. Ezek fő hátránya, hogy jó eredményt csak a frissen készített enyvvel érhetünk el, és az csak száraz környezetben tartós. A tej fehérjetartalmából készült hideg kazeinenyv kültéren is használható, nagyobb nedvességingadozást is elvisel. Elsősorban ipari célra gyakran használnak meleg eljárással nagyon gyorsan kötő karbamid-formaldehid gyantát. A poli(vinil-acetát) alapú vizes diszperziós faragasztó, a „fehér enyv” nagyon kényelmesen használható és szinte minden szempontból helyettesítheti a meleg enyvet. Tartós nedvesség hatására azonban megduzzad, ilyenkor kötőereje csökken. Fa ragasztására többek között még kontaktragasztók, epoxigyanták, ciánakrilát alapú pillanatragasztók is használhatók.
A fa rögzítéséhez használnak fém kötőelemeket is, szögeket, ácskapcsokat, facsavarokat, vasalásokat, a hordók, kádak dongáinak összeszorításához abroncsokat stb. is. Ezek használatához célszerű ismerni az adott fa szög- és csavarállóságát, vagyis hogy a szög, csavar mennyire kötődik a hozzá, mekkora terhelést bír ki.
[szerkesztés] Felületkezelés
A felületkezelés célja a fa színének, fényének ízlés szerinti megváltoztatása, illetve az anyag megvédése a környezet hatásaitól. A fa színe halványítással, színezéssel, pácolással változtatható meg; ellenállóbbá, fényesebbé viaszok, olajok impregnálásával vagy a felületen megkeményedő filmképző anyagok segítségével, festéssel, lakkozással tehető. A felületkezelésre használt anyagokat dörzsöléssel, mártással, ecseteléssel, szórással vihetjük fel. Festésre, lakkozásra a felületet előbb csiszolással, pórustömítéssel kell előkészíteni, ami után több, vékony rétegben, azok száradási idejét figyelembe véve hordjuk fel az anyagokat. Tükörfényes felületet a megkeményedett lakkréteg csiszolásával, polírozásával állíthatunk elő.
[szerkesztés] A fa kémiai hasznosítása
[szerkesztés] Gyanták, gumik
Az élő fák hasznosításának egyik módja a gyanta kinyerése. A legjelentősebb a fenyőgyanta, a terpentin: az ebből, a terpentinolaj elpárologtatása után visszamaradó szilárd anyag a kolofónium. A balzsamtartalmú trópusi fákból nyert anyagok a gyógyászat, a kozmetikai ipar, a lakk- és festékipar nyersanyagai. Ilyen a benzoe, a szandarak, a damár, a kopál, a masztix stb. Egy fatörzs évente 1–4�kg nyersgyantát adhat. Fontos ipari nyersanyag még az egyes trópusi fákból nyerhető latex – ez nyersgumit tartalmaz, ami a gumigyártás alapanyaga – és a gumiarábikum, amiből ragasztóanyag készül.
[szerkesztés] A fa mint tüzelőanyag
A fa éghető anyag. Elégetése a hőenergia előállításának egyik legősibb módja, és a világ nagy részén ma is nélkülözhetetlen a fűtéshez, főzéshez, egyes háziiparokhoz.
A felmelegített fa 100 °C fölött gázokat kezd kibocsátani, és ezek 220–290 °C között nyílt láng hatására lángra lobbannak, de az anyag tartósan még nem ég. 350–470 °C között a távozó gázok már külső láng nélkül is meggyulladnak: ez a gyulladási pont. Az égés folyamán a hőmérséklet folyamatosan nő, tartós fatüzelésnél 800–1100 °C-ig. A száraz fa fűtőértéke (14–16�MJ/kg) mintegy fele a kőszénének, de mivel kénmentes, a környezetet kevésbé károsítja. A fa megújuló, de legalábbis megújítható energiaforrás.
A tüzelőanyagként használt fa, a tűzifa mennyiségét a kereskedelemben kétféle módon szokás mérni: tömege alapján mázsában, vagy térfogata alapján erdei köbméterben. Egy mázsa (jele: q) = 100�kg, de fontos tudni, hogy a fa tömege nagyon erősen függ a nedvességtartalmától, ezért leggyakrabban élőnedves fára vonatkozik. A tűzifa térfogatának mérésekor az okoz nehézséget, hogy az a fűrészárutól eltérően szabálytalan formájú, nem lehet úgy összerakni, hogy a teret kitöltse. Az erdei köbméter emiatt gyakorlatilag 1,7 köbmétert, 1×1×1,7 métert jelent, ami például 1 méteres hosszra vágott fából 1,7 méter magasra rakott sarag 1 méter hosszan. Ez megfelel nagyjából 10-12q élőnedves keményfának.
A fa égése után visszamaradó szilárd anyag a hamu. A régi szappanfőzők, kelmefestők, fehérítők, cserzők lúgot készítettek belőle. Nagy mennyiségben használtak fahamut a hamuzsír, vagyis kálium-karbonát előállítására: ez volt az üveg, a szappan, a feketelőpor gyártásának egyik fontos alapanyaga.
[szerkesztés] A fa száraz lepárlása
A száraz lepárláshoz a fát zárt térben 430 °C-ig hevítik, hogy az anyagát alkotó szerves vegyületekből szenet és egyéb bomlási termékeket nyerjenek.
A fa lepárlásának hagyományos módja az erdei szenítés, szénégetés. A hasábokra darabolt fát szabályos rendben szorosan egymás mellé és egymásra állítgatják, lehullott falevelekkel, majd földdel betakarják. Ez a boksa. Belsejében üreget hagynak, és azt gyúlékonyabb anyaggal: forgáccsal, fahulladékkal töltik ki. A boksát a tetején gyújtják be. A fa lassan, füst nélkül, gőzölögve, 8–12 napig izzik, majd eloltják, az elkészült faszenet zsákokba töltik. Régen lakatosok, bádogosok fémek izzításához vásárolták, és ezzel fűtötték a régi vasalókat is. Ma már leginkább csak grillezéshez használjuk.
Így, boksaszenítéssel csak faszenet állíthatunk elő, a fa többi alkotórésze veszendőbe megy. Ezzel az eljárással egy köbméter bükkfából 130–140�kg faszén nyerhető. A fát vándor- vagy állandó retortában lepárolva abból egyéb termékeket: metanolt, ecetsavat, hangyasavat, kátrányt is kinyerhetünk.
Egy köbméter bükkfa lepárlásával retortában
[szerkesztés] Cellulózgyártás
A cellulóz fontos ipari nyersanyag: papír, vatta, mesterséges szálak, celofán, robbanóanyagok, lakkok alapanyaga. A száraz fa átlagos cellulóztartalma 55%, amibe 25% lignin épült be. Feltárásához a fát aprítják, majd vegyszerekkel nyomás alatt főzik, hogy az inkrusztáló anyagok kioldódjanak belőle, utána bizonyos esetekben fehérítik is. Aszerint, hogy a feltáráshoz kalcium-biszulfitot, nátrium-szulfátot vagy nátrium-hidroxidot használnak-e, megkülönböztetjük a szulfit-, szulfát- és nátroncellulózt. Ipari célra a legalkalmasabb cellulózforrás a lucfenyő, de sok más tűlevelű és lombos fafaj is megfelel erre.
[szerkesztés] Cserző- és színezőanyagok
Az élő fa cserző- és színezőanyagok kiválasztásával növeli tartósságát, a kártevők elleni ellenálló képességét.
A cserzőanyagok, a csersavak a kéregben, a fatestben, a gyökérben, gubacsokban halmozódhatnak fel. Kinyerésükhöz a felaprított növényi részeket lágy vízzel kilúgozzák, majd az oldatot besűrítik. Nyersbőr cserzésére használják, vagyis arra, hogy a bőrt a víznek, a rothadásnak ellenálló anyaggá tegyék.
Régen a színezőanyagok festőfákból való kinyerése fontos iparág volt, mára az olcsó szintetikus festékek miatt jelentősége csökkent. A vörös színű festéket szolgáltató brazilfa (Caesalpinia echinata, börzsönyfa, pernambuco) Brazília névadója lett.

Summary:
A fa mint anyag kemény, rostos, lignifikálódott szövet, ami a fás növények – fák, cserjék – szárának farészeiből áll. Szövettani szempontból másodlagos xilém, a növény szállítószövet-rendszerének része, ugyanakkor tartó funkciója is van: ez teszi lehetővé, hogy a fák magasra nőjenek és ott széles koronát fejlesszenek.
A fa heterogén, higroszkópos, sejtes szerkezetű és anizotróp anyag. 40–50%-ban cellulóz, 15–25%-ban hemicellulóz rostokból áll, melyek közé a lignifikáció során 15–30% lignin rakódik. Tartalmazhat még gyantát, zsírokat, olajokat, viaszt, csersavat, színes és ásványi anyagokat. A frissen vágott fában 20–50%, a levegőn szárítottban 10–20% víz van.
A fát, mint nyersanyagot az emberiség ősidők óta sok mindenre használja. Elégeti, hogy világítson, hőt termeljen vele, mechanikai tulajdonságait kihasználva eszközöket, műalkotásokat, járműveket, építményeket, épületeket hoz létre belőle, kémiai átalakításokkal faszenet, cellulózt, gyógyszereket, egyéb vegyi anyagokat gyárt belőle. A kitermelt fát sok hagyományos mesterség mellett elsősorban a faipar és a vegyipar hasznosítja.