Di cosa sono fatte le stelle

[Hydnum nigrum]

Ciao! Mi sono presentata ieri, ho tante domande, probabilmente anche stupide. L'argomento è la determinazione della composizione chimica delle stelle. Quello che ho capito è: sappiamo che ogni elemento quando brucia emette un colore caratteristico, quindi se voglio sapere di cosa è fatta una stella faccio passare la luce proveniente da quella stella su una pellicola di diffrazione (sinonimo di reticolo di diffrazione?), posso così discriminare lo spettro luminoso e stabilire così quali elementi sono presenti. Giusto? Quindi si esclude la possibilità che esistano elementi non presenti sulla terra che riflettono colori che sono al di fuori dello spettro visibile? Cioè la luce, i colori esistono solo entro lo spettro visibile (ma alla fine è solo un limite dell'occhio umano)? Non possono esistere altri colori che noi non riusciamo a vedere?
Grazie, Olivia

[Red Hanuman]

Se me lo ricordi tra una settimana, ti rispondo per bene...

[Gimo85]

Inizio con qualche spunto, poi Red Hanuman il compito di integrare e correggere:angel:

Per prima cosa è necessario capire la questione colore...ci provo, e visto che sei quasi medico spero tu abbia conservato il librone di chimica

Inizio dalla fine: lo spettro elettromagnetico non è soltanto la parte della luce visibile, ma comprende radiazioni a frequenza più alta (ultraviolette) e più bassa (infrarosse); perciò usando uno strumento sensibile alle diverse frequenze siamo sicuri di poter catturare tutte le possibili radiazioni emesse da una certa fonte.

Il punto centrale: un elemento allo stato gassoso emette (o assorbe) alcune particolari frequenze all'interno dello spettro elettromagnetico, caratteristica che lo differenzia da tutti gli altri elementi, costituendone una sorta di impronta digitale. Queste particolari frequenze emesse non sono soltanto nel visibile, ma si estendono alle altre regioni dello spettro.
Analizzando lo spettro di emissione proveniente da una stella, esso sarà la somma di tutte e sole le righe caratteristiche degli elementi che la compongono.
Avendo a disposizione una mappa di queste righe caratteristiche, ottenuta in laboratorio, è possibile individuare di conseguenza quali sono questi elementi.

[Hydnum nigrum]

Inizio con qualche spunto, poi @Red Hanuman (https://www.astronomia.com/forum/member.php?u=9) il compito di integrare e correggere:angel:.
Quindi la determinazione della composizione chimica dipende dalle diverse lunghezze d'onda delle radiazioni provenienti dalla stella in analisi? Lo spettro cromatico non c'entra niente? Grazie
Red Hanuman : certo, tra una settimana te lo ricorderò grazie

[Gimo85]

Non quotare l'intero messaggio precedente, puoi usare 'rispondi alla discussione' o quotare solo il passaggio interessante.

La parte visibile dello spettro è solo una parte della radiazione che emette un elemento chimico, quindi sì c'entra, ma non è solo quella che permette l'identificazione.

Il colore delle stelle invece dipende dalla radiazione di corpo nero (https://it.wikipedia.org/wiki/Corpo_nero) ed è quindi legato alla temperatura delle stesse.

Ad esempio lo spettro dell'idrogeno ha alcune righe spettrali di emissione nel visibile, la serie di Balmer, ma ne ha altre nell'ultravioletto e altre ancora nell'infrarosso.
30390

[Jeck]

Non so se hai visto la serie Cosmos: Odissea nello spazio, ma nello specifico ti può interessare questo episodio in cui si parla delle scoperte di Herschel e Fraunhofer che molto semplicemente spiega ciò che dice Gimo.
A partire dal minuto 20https://www.dailymotion.com/video/x5ne5o8

[Hydnum nigrum]

Forse ho capito, forse no. Perché la luce si divide in diverse lunghezze d'onda? Da dove parte poi? È l'energia della reazione di fusione nucleare, energia che si libera come luce e calore? O si libera luce e questa poi genera calore?

[Gimo85]

E' la radiazione elettromagnetica che si divide in diverse lunghezze d'onda; il nostro occhio è sensibile solo a una parte di questo spettro, quello della luce visibile, una radio è sensibile a quella parte dello spettro detto delle onde radio, il decoder del televisore è sensibile alla parte delle onde televisive, un rilevatore di raggi X a quella parte dello spettro ad alta frequenza detto appunto raggi x e così via...

La luce emessa da un elemento chimico è originata dagli elettroni di ogni suo atomo (per questo ti servirebbe il libro di chimica). Per semplificare, ogni orbita elettronica è dotata di una certa energia e un elettrone può saltare da un'orbita all'altra solo se gli viene fornito esattamente il salto energetico tra le due orbite prese in considerazione, si chiama salto quantico.
Un salto quantico che assorbe energia genera una riga scura nello spettro continuo (spettro di assorbimento), un salto che restituisce quell'energia precedentemente assorbita genera invece una riga chiara (spettro di emissione).

Questo è lo stesso principio che genera le aurore polari: gli atomi dell'alta atmosfera sono eccitati dalle particelle cariche provenienti dal Sole, gli elettroni di questi atomi assorbono i giusti pacchetti di energia, per poi restituirli generando luce. La luce verde è dovuta agli atomi di ossigeno dell'alta atmosfera, quella blu a quelli di azoto.

La fonte di energia nel caso delle stelle è proprio la fusione nucleare; l'energia prodotta si disperde in calore, luce e altri tipi di radiazione. La fusione nucleare è una reazione esotermica, quindi produce anche calore, oltre a onde elettromagnetiche in tutte le frequenze.

[Red Hanuman]

Allora... Le stelle emettono luce in proprio, perché hanno una fonte di energia interna ( la fusione nucleare) che eccita gli atomi che compongono la stella, facendole emettere una radiazione luminosa più o meno continua in tutto lo spettro, seguendo il principio della radiazione del corpo nero.
È quel più o meno che ci consente di capire la composizione delle stelle.
Gli atomi assorbono ed emettono luce in un modo caratteristico, che è in relazione con le proprietà dell'atomo stesso ( gli elettroni si dispongono su gusci energetici che dipendono dalla composizione del nucleo e dalle leggi della fisica quantistica, il loro saltare da un livello ad un altro avviene per assorbimento o emissione di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica).
Dall'analisi dello spettro di emissione e di assorbimento, si risale agevolmente alla composizione.

[mazzolatore]

Forse ho capito, forse no. Perché la luce si divide in diverse lunghezze d'onda? Da dove parte poi? È l'energia della reazione di fusione nucleare, energia che si libera come luce e calore? O si libera luce e questa poi genera calore?

Esatto la luce (piu propriamente lo spettro elettromagnetico) si divide in base alle lunghezze d'onda o frequenza, sono 2 facce della stessa cosa infatti \nu = \frac{c}{\lambda}
dove \nu è la frequenza
\lambda è la lunghezza d'onda
c è la velocità della luce.

come scritto gia in precedenza, la luce visibile è solo un piccolo pezzo di tutto lo spettro elettromagnetico, che si estende:
-dal radio (lunghezze d'onda anche di metri e centimetri)
-millimetrico, che sono per esempio le radiazione che mezze il forno a micro onde
-infrarosso-
-luce visibile, con tutti i colori all'interno
-ultra violetto
-raggi x
-raggi gamma
e chissà cos altro.

In particolare i colori hanno le seguenti lunghezze d'onda

Colore Frequenza Lunghezza d'onda
Violetto 668-789 THz 380–450 nm
Blu 631-668 THz 450–475 nm
Ciano 606-631 THz 476-495 nm
Verde 526-606 THz 495–570 nm
Giallo 508-526 THz 570–590 nm
Arancione 484-508 THz 590–620 nm
Rosso 400-484 THz 620–750 nm

Non è che dalla luce si libera calore, pensi il contrario dal calore si genera luce.
La temperatura interna di una stella è dell'ordine dei milioni di gradi, sufficiente a fondere i nuclei.
Ma se si va a vedere la somma delle masse dei 2 nuclei (reagenti) è maggiore della massa del nucleo (prodotto), come mai? Parte della massa viene convertita in altre particelle, come fotoni e neutrini, dove i primi sono i responsabili della luce.

[mazzolatore]

Le reazioni più frequenti all'interno del sole sono le seguenti.

^1H + ^1H \to ^2H + e^+ + \nu_e

nucleo di idrogeno si fonde con un nucleo di idrogeno per formare deuterio un positrone e un neutrino.

Successivamente

^1H + ^2H \to ^3He + \gamma

deuterio + idrogeno formano Elio + un fotone + energia

Da qui si innescano reazioni piu complicate meno probabili che formano elementi più pesanti della tavola periodica, il fatto che conosciamo la composizione delle stelle deriva dal fatto che la fotosfera, la parte più esterna meno calda e densa ( atmosfera solare) funziona esattamente coma l'atmosfera terrestre. Per esempio sappiamo che la nostra atmosfera non fà passare la radiazione ultravioletta, ma emette altri tipi di radiazione. Allo stesso modo la fotosfera non fa passare alcune frequenze ( assorbimento) ma ne emette altre ( emissione) in funzione agli elementi che la compongono.

[Albertus]

Forse ho capito, forse no. Perché la luce si divide in diverse lunghezze d'onda? Da dove parte poi? È l'energia della reazione di fusione nucleare, energia che si libera come luce e calore? O si libera luce e questa poi genera calore?

mi sembra che stai mischiando due meccanismi distinti
Lo spettro elettromagnetico (luce) emesso dal sole è continuo
due atomi di idrogeno si fondono generando un atomo di elio la cui massa è minore della somma delle masse dei due atomi di idrogeno
l'eccesso di massa si trasforma in energia a causa della super celebre equazione di Einstein
le righe spettrali che identificano la composizione chimica delle stelle sono dovuti ai salti quantici degli elettroni
l'energia del fotone di luce emesso (o assorbito ) e la relativa lunghezza d'onda / frequenza è proporzionale alla differenza di energia tra i due orbitali tra i quali avviene il salto
dato che il numero di orbitali ammissibili per ogni tipo di atomo è limitato ne segue che lo spettro è discreto e quindi identificativo del tipo di elemento

[Red Hanuman]

Forse ho capito, forse no. Perché la luce si divide in diverse lunghezze d'onda? Da dove parte poi? È l'energia della reazione di fusione nucleare, energia che si libera come luce e calore? O si libera luce e questa poi genera calore?

La luce si divide in diverse lunghezze d'onda perché ci sono altrettanti stati quantici in cui un elettrone si può trovare, il che produce uno spettro continuo, cioè una emissione di luce ininterrotta dai raggi gamma fino alle onde radio.
Ovviamente, parte da un elettrone eccitato, che può essere legato ad un atomo oppure orbitare in una molecola od infine essere immerso in un campo magnetico.
La fusione nucleare genera raggi gamma più o meno duri, ma questi prima di uscire dalla stella compiono una serie di rimbalzi tra gli atomi della stella, e la loro energia si frammenta in mille rivoli. Il che porta una stella a raggiungere una determinata temperatura superficiale, alla quale compete uno spettro di emissione simile a quello di un ideale corpo nero alla stessa temperatura. Di fatto, vi è una distribuzione probabilistica delle onde luminose.

[Hydnum nigrum]

Quindi, due atomi di idrogeno si uniscono e formano elio, si libera energia che a noi arriva sottoforma di radiazione elettromagnetica con uno spettro che si suddivide nelle diverse lunghezze d'onda, che rappresenta quindi infrarossi, luce visibile, UV. In questo caso è per il processo della fusione che gli atomi sono eccitati e quindi i loro elettroni compiono dei salti quantici che noi vediamo(con gli strumenti giusti, uno spettrometro) come dei disturbi nella luce, le righe nere tra i colori della luce visibile e in altri punti dello spettro; l'atomo eccitato, per le sue caratteristiche determinerà disturbi in punti diversi rispetto ad un altro elemento, in base alla posizione delle linee scure determiniamo di cosa sono fatte le stelle. È giusto?



Un salto quantico che assorbe energia genera una riga scura nello spettro continuo (spettro di assorbimento), un salto che restituisce quell'energia precedentemente assorbita genera invece una riga chiara (spettro di emissione).
Nel video linkato da Jeck, si parla di salto quantico verso un orbitale ad energia minore responsabile delle righe scure. Ma un salto in basso vuol dire emissione di energia? non dovrebbe allora essere responsabile della luce che vedo?


gli elettroni si dispongono su gusci energetici che dipendono dalla composizione del nucleo e dalle leggi della fisica quantistica, il loro saltare da un livello ad un altro avviene per assorbimento o emissione di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica.


le righe spettrali che identificano la composizione chimica delle stelle sono dovuti ai salti quantici degli elettroni
l'energia del fotone di luce emesso (o assorbito ) e la relativa lunghezza d'onda / frequenza è proporzionale alla differenza di energia tra i due orbitali tra i quali avviene il salto

Ma di preciso, quando si ha assorbimento e quando emissione?
Ma un raggio di sole corrisponde ad una radiazione elettromagnetica? E una sola radiazione deriva dalla fusione di due atomi? Allora cosa determina tutte le diverse lunghezze d'onda dello spettro di una radiazione?


Allo stesso modo la fotosfera non fa passare alcune frequenze ( assorbimento) ma ne emette altre ( emissione) in funzione agli elementi che la compongono.
Ma negli strati esterni si trovano tutti gli elementi che compongono una stella? Gli atomi più pesanti non si vanno a localizzare negli strati più profondi?

Sto cercando di mettere insieme tutto quello che mi avete spiegato

[Red Hanuman]

Allora... L'emissione l'hai quando un atomo che ha assorbito energia elettromagnetica la rimette, non necessariamente tutta in un colpo ( e quindi nella stessa lunghezza d'onda assorbita), ma può essere rimessa in fasi successive.
L'assorbimento lo hai quando un'onda elettromagnetica incontra un atomo che ha uno stato quantico corrispondente all'energia di quel fotone. Questa provoca l'assorbimento dell'energia ed il salto dell'elettrone ad un livello più alto di quello base, il che rende l'atomo eccitato.

[Albertus]

Ma di preciso, quando si ha assorbimento e quando emissione?
Ma un raggio di sole corrisponde ad una radiazione elettromagnetica? E una sola radiazione deriva dalla fusione di due atomi? Allora cosa determina tutte le diverse lunghezze d'onda dello spettro di una radiazione?




considera un atomo di idrogeno
l'elettrone può occupare solo certe orbite, a cui corrispondono determinati livelli energetici
diciamo e0-e2-e3...en
Questa è stata un idea rivoluzionaria nella fisica, pensa ad un satellite artificiale, puoi farlo ruotare a qualsiasi distanza dalla terra
perche un elettrone dovrebbe potere occupare solo alcune orbite ?
la luce o meglio le onde elettromagnetiche sono flussi di fotoni che trasportano un quanto di energia e = hf
dove f è la frequenza e h una costante
supponiamo che il quanto di energia "e" trasportato dall'onda di frequenza "f" coincida con la differenza tra due livelli energetici dell'atomo di idrogeno, per esempio
e = e4- e2
allora l'onda di frequenza f viene assorbita dalla massa di drogeno il cui elettrone salta dall'orbita e2 all'orbita e4
l'elettrone poi salta indietro allo stato e2
può fare un solo salto da e4 a e2 emettendo la frequenza f o due salti da e4 a e3 e da e3 a e2 emettendo due onde e di frequenza minore f1 ed f2 ma di pari energia totale
quando avviene l'emissione ?
Immediatamente dopo l'assorbimento ma noi possiamo misurare solo le frequenze assorbite che appaiono come righe nere perchè le frequenze emesse si diffondono in tutte le direzioni

non sono sicuro sul fatto che lo spettro della luce emessa dalle stelle sia legato ai salti quantici descritti sopra
se cosi fosse la radiazione sarebbe discreta cioè discontinua invece è continua
Si dice che la luca sia scomponibile nei vari colori
In realtà quello che noi chiamiamo rosso è un banda di frequenze continue tra un minimo e un massimo, senza buchi, che per convenzione cataloghiamo come colore rosso

la luce viene generata dalla fusione di due atomi di idrogeno
come certamente saprai E = mc^2
la somma delle due masse di idrogeno è leggermente maggiore della massa di elio
quindi la differenza di massa si trasforma in energia sotto forma di radiazione
puoi ragionare anche così
supponi di avere un atomo di elio costituito da due protoni legati insieme dalla forza nucleare
pensa , idealmente, di separarli per creare due atomi di idrogeno
devi fornirgli dell'energia dall'esterno , dove va a finire questa energia ?
si trasforma in massa dei due atomi di idrogeno
la fusione nucleare è il processo contrario
perchè da questo processo si origina una radiazione che contiene fotoni di tutte le frequenze e non solo alcune ?
francamente non me lo ricordo più ma non credo sia un effetto dei salti quantici degli elettroni

[Red Hanuman]

Attenzione, per il Sole non possiamo parlare di elettroni legati ad aromi, o almeno non solo. Abbiamo soprattutto plasma, tra l'altro in un campo magnetico. In questo caso, é intuibile che ci siano a disposizione una serie molto fitta di stati quantici, in più gli elettroni accelerati in un campo magnetico non sono soggetti agli stati quantici, ma assorbono ed emettono energia in modo continuo, a seconda di come vengono accelerati o decelerati dal campo stesso...

[Gimo85]

gli atomi sono eccitati e quindi i loro elettroni compiono dei salti quantici che noi vediamo(con gli strumenti giusti, uno spettrometro) come dei disturbi nella luce, le righe nere tra i colori della luce visibile e in altri punti dello spettro; l'atomo eccitato, per le sue caratteristiche determinerà disturbi in punti diversi rispetto ad un altro elemento, in base alla posizione delle linee scure determiniamo di cosa sono fatte le stelle. È giusto?

Esatto. Questo il meccanismo in generale. E se leggi gli interventi di Red Hanuman e di mazzolatore si può in realtà dedurre la composizione dello strato più esterno delle stelle, e dobbiamo anche filtrare le informazioni da tutta una serie di altri fenomeni. All'interno, nella fornace nucleare, le temperature e le pressioni sono così elevate da non consentire la presenza di elettroni attorno al nucleo atomico, quindi questo sistema sarebbe inutilizzabile.
Aggiungerei che i limiti della fusione nucleare non consentono di fondere elementi pesanti a piacere, quindi quando una stella raggiunge questo 'limite operativo' semplicemente entra nella fase finale della sua evoluzione (https://it.wikipedia.org/wiki/Evoluzione_stellare), per cui non possono esistere stelle che contengono atomi più pesanti del Ferro.

Gli spettri di emissione e assorbimento sono due facce della stessa medaglia. Alla tua domanda iniziale su eventuali altri elementi che non esistono sulla Terra risponderei di no, perchè la tabella periodica è ordinata secondo il numero atomico crescente, quindi di fatto conosciamo le impronte spettrali di tutti gli elementi chimici.

[Albertus]

Attenzione, per il Sole non possiamo parlare di elettroni legati ad aromi, o almeno non solo. Abbiamo soprattutto plasma, tra l'altro in un campo magnetico. In questo caso, é intuibile che ci siano a disposizione una serie molto fitta di stati quantici, in più gli elettroni accelerati in un campo magnetico non sono soggetti agli stati quantici, ma assorbono ed emettono energia in modo continuo, a seconda di come vengono accelerati o decelerati dal campo stesso...

effettivamente ho studiato queste cose molti anni fa e per di più al politecnico non a fisica quindi non insisto
quello che sapevo ( o credevo di sapere) era questo
lo spettro solare si può scomporre in due parti distinte
la parte continua, cioè l'iride, che ha origine dagli strati interni caldi con il processo di fusione nucleare
la parte discreta , con le righe scure di assorbimento , dalla quale si ricava la composizione chimica che ha origine negli strati esterni freddi con il meccanismo dei salti quantici
in altre parole
dal nucleo partono già fotoni di tutte le frequenze, prodotti falla fusione, che risalgono in superficie dove vengono parzialmente assorbiti

[Red Hanuman]

Dalla fusione nucleare si ricavano raggi gamma "duri" (molto energetici), non altro. Questi poi vengono scomposti dalle successive interazioni con il plasma, fino ad ottenere la radiazione superficiale che vediamo. Il resto è più o meno come dici.

[Albertus]

Dalla fusione nucleare si ricavano raggi gamma "duri" (molto energetici), non altro. Questi poi vengono scomposti dalle successive interazioni con il plasma, fino ad ottenere la radiazione superficiale che vediamo. Il resto è più o meno come dici.

ok, non intendevo dire che dalla fusione dell'idrogeno emergono fotoni di tutte le frequenze
I fotoni altamente energetici prodotti dalla reazione nucleare risalgono verso la superfice
Durante il viaggio urtano contro gli elettroni liberi del plasma , perdendo energia e quindi frequenza
la distribuzione continua dello spettro solare (iride) dovrebbe quindi essere essenzialmente dovuto ad un effetto statistico
alcuni fotoni perdono più energia altri meno
le righe nere dello spettro invece sono dovute propriamente ai salti quantici

[Red Hanuman]

Nere in fase di assorbimento, mentre luminose in fase di emissione.
Ci siamo capiti!