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Glossary term: 光谱

Description: 光穿过水滴,光线将分成紫色、蓝色、绿色到黄色、橙色和红色的基本颜色,这就形成了彩虹。每种颜色对应一个波长范围,彩虹的颜色是按照从紫到红的波长递增顺序排列的。这种按波长分解的光(或更一般的说法,电磁辐射)被称为光谱。

电磁辐射是由被称为“光子”的光粒子混合而成的。光谱相当于按能量对光子进行分类,并记录每个特定能量范围内有多少光子。根据量子力学的基本定律,这等同于按频率对光进行分类——这是描述光谱的另一种方式。

如果能量随波长(或光子能量,或频率)的变化平滑变化,则称为连续光谱。与此相反,光谱中某些波长处的尖锐凹陷或峰值分别称为吸收线和发射线。这些线是由于原子或分子(甚至原子核)内部不同能级之间的跃迁而产生的,它们会吸收或发射特定波长的辐射。例如,在可见光中,恒星会显示出带有吸收线的连续光谱。这些吸收线包含恒星化学成分的信息。对光谱的分析称为光谱学;能够记录光谱的仪器称为光谱仪、分光计或摄谱仪。

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Term and definition status: The original definition of this term in English have been approved by a research astronomer and a teacher
The translation of this term and its definition is still awaiting approval

The OAE Multilingual Glossary is a project of the IAU Office of Astronomy for Education (OAE) in collaboration with the IAU Office of Astronomy Outreach (OAO). The terms and definitions were chosen, written and reviewed by a collective effort from the OAE, the OAE Centers and Nodes, the OAE National Astronomy Education Coordinators (NAECs) and other volunteers. You can find a full list of credits here. All glossary terms and their definitions are released under a Creative Commons CC BY-4.0 license and should be credited to "IAU OAE".

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A composite showing four rainbows. Each is centred on different points

24 Hours of Rainbow

Caption: This panoramic view taken with a smartphone of Livorno, Italy, showcases a series of vivid rainbows captured on three different days in December 2021. Rainbows are the result of sunlight being refracted by water droplets suspended in the air, typically after rainfall or during misty conditions. The water droplets act like a prism, breaking up (refracting) the sunlight into the various colours. The different wavelengths of light are refracted by different amounts, which is why we see this layering of colours. The photographer skillfully merged the most remarkable shots taken on different days to highlight the diverse sizes and brilliance of these rainbows. The locations at which the rainbows appear to be centred are different because each rainbow appeared when the Sun was at a different position in the sky. This composite image beautifully captures the transient yet mesmerising allure of rainbows, illustrating their fleeting appearance and gradual dissipation influenced by the shifting atmospheric conditions.
Credit: Fabrizio Guasconi/IAU OAE (CC BY 4.0)

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一颗 O 型恒星的光谱

Caption: O 型恒星 HD 235673 的光谱,X 轴为波长(纳米),Y 轴为通量。图的上半部分显示了相同的光谱,但高通量的波长为亮斑,低通量的波长为暗斑。400 纳米到 700 纳米之间的线条颜色与人眼看到的该波长光的颜色基本一致。在 400 纳米以下和 700 纳米以上,人眼几乎看不到光,这两条线的颜色分别为蓝色和红色。 黑线表示恒星大气中不同元素的原子和离子造成的光谱吸收线。这些原子和离子会吸收特定波长的光,从而在光谱中形成尖锐的暗线。这些线条的强度取决于恒星大气层的温度。如果两颗恒星的大气层温度不同,那么由相同元素混合而成的两颗恒星的光谱中可能会出现大相径庭的光谱线。对于 O 型恒星来说,最重要的特征是由电离氦引起的少量谱线。O 型恒星中的这些谱线比冷态恒星中的谱线更强。氦原子和氢原子的谱线也出现在光谱中。光谱的蓝色端比红色端有更多的通量。
Credit: IAU OAE/SDSS/Niall Deacon

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一颗 B 型恒星的光谱

Caption: B 型恒星 HD 258982 的光谱。波长在 400 纳米到 700 纳米之间的光谱线的颜色大致与人眼看到的该波长光线的颜色一致。波长低于 400 纳米和高于 700 纳米时,人眼几乎看不到光,光谱线的颜色分别为蓝色和红色。 黑线表示恒星大气中不同元素的原子和离子造成的光谱吸收线。这些原子和离子会吸收特定波长的光,从而在光谱中形成尖锐的暗线。这些线条的强度取决于恒星大气层的温度。如果两颗恒星的大气层温度不同,那么由相同元素混合而成的两颗恒星的光谱中可能会出现大相径庭的光谱线。对于 B 型恒星来说,最重要的谱线是由氦原子产生的。这些谱线在 B 型恒星中最强,在较热和较冷的类型中较弱。氢原子产生的谱线也存在,但不如在较冷的 A 型恒星中那么强。
Credit: IAU OAE/SDSS/Niall Deacon

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A 型恒星的光谱

Caption: A 型恒星 BD-11 1212 的光谱。波长在 400 纳米到 700 纳米之间的光谱线的颜色与人眼看到的该波长光线的颜色大致对应。在 400 纳米以下和 700 纳米以上,人眼几乎看不到光,光谱线分别被染成蓝色和红色。 黑线表示恒星大气中不同元素的原子和离子造成的光谱吸收线。这些原子和离子会吸收特定波长的光,从而在光谱中形成尖锐的暗线。这些线条的强度取决于恒星大气层的温度。如果两颗恒星的大气层温度不同,那么由相同元素混合而成的两颗恒星的光谱中可能会出现截然不同的光谱线。来自氢原子的光谱线在 A 型恒星的光谱中占主导地位,并且在这种光谱类型中最强。
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一颗 F 型恒星的光谱

Caption: F 型恒星 2MASS J22243289+4937443 的光谱。波长在 400 纳米到 700 纳米之间的光谱线的颜色大致与人眼看到的该波长光线的颜色一致。波长低于 400 纳米和高于 700 纳米时,人眼几乎看不到光,这两条光谱线分别被染成蓝色和红色。 黑线表示恒星大气中不同元素的原子和离子造成的光谱吸收线。这些原子和离子会吸收特定波长的光,从而在光谱中形成尖锐的暗线。这些线条的强度取决于恒星大气层的温度。如果两颗恒星的大气层温度不同,那么由相同元素混合而成的两颗恒星的光谱中可能会出现截然不同的光谱线。在 A 型恒星中最强的氢原子谱线在 F 型恒星中仍然相对较强,但金属(尤其是电离钙)谱线在这一光谱类型开始变得较强。
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一颗 G 型恒星的光谱

Caption: G 型恒星 UCAC4 700-069569 的光谱。波长在 400 纳米到 700 纳米之间的光谱线的颜色大致与人眼看到的该波长光线的颜色一致。在 400 纳米以下和 700 纳米以上,人眼几乎看不到光,光谱线分别被染成蓝色和红色。 黑线表示恒星大气中不同元素的原子和离子造成的光谱吸收线。这些原子和离子会吸收特定波长的光,从而在光谱中形成尖锐的暗线。这些线条的强度取决于恒星大气层的温度。如果两颗恒星的大气层温度不同,那么由相同元素混合而成的两颗恒星的光谱中可能会出现截然不同的光谱线。在 G 型恒星中,氢原子的光谱线比 F 型恒星弱,而电离钙的光谱线则比 F 型恒星强。铁、钠和钙等金属原子的谱线也开始变得突出。
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一颗 K 型恒星的光谱

Caption: K 型恒星 2MASS J19554455+4754531 的光谱。波长在 400 纳米到 700 纳米之间的光谱线的颜色大致与人眼看到的该波长光线的颜色一致。波长低于 400 纳米和高于 700 纳米时,人眼几乎看不到光,光谱线分别被染成蓝色和红色。 黑线表示恒星大气中不同元素的原子和离子造成的光谱吸收线。这些原子和离子会吸收特定波长的光,从而在光谱中形成尖锐的暗线。这些线条的强度取决于恒星大气层的温度。如果两颗恒星的大气层温度不同,那么由相同元素混合而成的两颗恒星的光谱中可能会出现大相径庭的线条。K 型恒星的光谱主要由铁、钠和钙等金属原子构成。金属原子的谱线非常多,多到无法逐一标出,以至于光谱看起来波澜不惊、参差不齐。氢原子和钙离子的谱线比更热的 G 型恒星要弱得多。
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一颗 M 型恒星的光谱

Caption: M 型恒星 2MASS J15581272+8457104 的光谱。波长在 400 纳米到 700 纳米之间的光谱线的颜色大致与人眼看到的该波长光线的颜色一致。波长低于 400 纳米和高于 700 纳米时,人眼几乎看不到光,这两条线分别被染成蓝色和红色。 黑线显示的是恒星大气中不同元素的原子、离子和分子造成的光谱吸收线。这些原子、离子和分子会吸收特定波长的光线,从而在光谱中形成尖锐的暗线。这些线条的强度取决于恒星大气层的温度。如果两颗恒星的大气层温度不同,那么由相同元素混合而成的两颗恒星的光谱中可能会出现截然不同的光谱线。M 型恒星的大气层足够冷,可以形成一些化合物。这些化合物通常在天文学中被称为分子,尽管它们在化学中并不是严格意义上的分子。这些分子会在 M 型恒星的光谱中产生如此之多的谱线,以至于这些谱线看起来会合并成巨大的条带,从而从光谱中去除一大块。在 M 型恒星中,氧化钛在可见光中有大量这样的波段,占据了光谱的大部分区域。
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恒星光谱类型

Caption: 按光谱类型排列的七颗恒星的光谱,从顶部的最热(O 型)到底部的最冷(M 型)。x 轴表示光的波长,y 轴表示该波长接收到的光通量。每个光谱都经过归一化处理(每个波长的光通量除以该光谱的最大光通量),然后将光谱沿 y 轴相互偏移,以便于观察。400 纳米到 700 纳米之间的线条颜色大致与人眼看到的该波长光线的颜色一致。在 400 纳米以下和 700 纳米以上,人眼几乎看不到光,因此这两条线的颜色分别为蓝色和红色。 较热的恒星在光谱的蓝端有更多的通量,较冷的恒星在红端有更多的通量。不过,恒星发射的通量总量取决于它的大小和温度。因此,一颗热恒星发出的红光会比同样大小的冷恒星多,即使冷恒星发出的光几乎都是红光,但由于上文提到的归一化处理,这一点在本图中并不明显。光谱中的尖锐窄滴是由恒星大气中的原子和离子引起的吸收线。光谱线的强度取决于恒星大气的温度。以波长 656.5 纳米的氢线为例。该图中的所有恒星都主要由氢构成,但对于最热和最冷的恒星来说,656.5 nm处的氢线很弱,而对于光谱类型为A和F的恒星来说,氢线最强。这是因为在A和F恒星大气层的温度下,氢在656.5 nm处比在较热或较冷的恒星中吸收更多的光。 这里最冷的恒星,即 M 型恒星,其光谱中的吸收带很宽。这是因为这颗恒星足够冷,大气中含有氧化钛等化合物。这些化合物在天文学中通常被称为分子,它们会产生比原子或离子更宽的光谱吸收特征。
Credit: IAU OAE/SDSS/Niall Deacon

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恒星光谱类型 - 波段

Caption: 按光谱类型排列的七颗恒星的光谱,从顶部的最热(O 型)到底部的最冷(M 型)。x 轴显示的是光的波长,而每个波长上的亮度或暗度则与该波长上恒星接收到的光通量相对应,较暗的部分光通量较小,较亮的部分光通量较大。每个光谱都进行了归一化处理(每个波长的光通量除以该光谱的最大光通量),因此所有光谱的最大光通量应该具有相同的亮度。在 400 纳米到 700 纳米之间绘制的颜色与人眼看到的该波长光的颜色基本一致。在 400 纳米以下和 700 纳米以上,人眼几乎看不到光,因此这两条线分别用蓝色和红色表示。 较热的恒星在光谱的蓝端有更多的通量,较冷的恒星在红端有更多的通量。不过,恒星发射的通量总量取决于它的大小和温度。因此,一颗热恒星发出的红光会比同样大小的冷恒星多,即使冷恒星发出的光几乎都是红光,但由于上文提到的归一化处理,这一点在本图中并不明显。光谱中的暗窄斑块是恒星大气中的原子和离子造成的吸收线。光谱线的强度取决于恒星大气的温度。以波长 656.5 纳米的氢线为例。该图中的所有恒星都主要由氢构成,但对于最热和最冷的恒星来说,656.5 nm处的氢线很弱,而对于光谱类型为A和F的恒星来说,氢线最强。这是因为在A和F恒星大气层的温度下,氢在656.5 nm处比在较热或较冷的恒星中吸收更多的光。 这里最冷的恒星,即 M 型恒星,其光谱中的吸收带很宽。这是因为这颗恒星足够冷,大气中含有氧化钛等化合物。这些化合物在天文学中通常被称为分子,它们会产生比原子或离子更宽的光谱吸收特征。
Credit: IAU OAE/SDSS/Niall Deacon

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Hunting for spectra

Hunting for spectra

astroEDU educational activity (links to astroEDU website)
Description: Learn about light and spectra building a spectroscope with a CD!

License: CC-BY-4.0 Creative Commons 署名 4.0 国际 (CC BY 4.0) icons

Tags: Hands-on , Experiment , prism
Age Ranges: 8-10 , 10-12 , 12-14 , 14-16 , 16-19
Education Level: Informal , Middle School , Primary , Secondary
Areas of Learning: Guided-discovery learning
Costs: Low Cost
Duration: 1 hour
Group Size: Individual
Skills: Asking questions , Constructing explanations , Planning and carrying out investigations

Reading the Rainbow

Reading the Rainbow

astroEDU educational activity (links to astroEDU website)
Description: By understanding how rainbows work, you can discover about light and its properties, learning about stars, nebulae, galaxies, and our Universe.

License: CC-BY-4.0 Creative Commons 署名 4.0 国际 (CC BY 4.0) icons

Age Ranges: 14-16 , 16-19 , 19+
Education Level: Informal , Middle School , Secondary , University
Areas of Learning: Interactive Lecture , Observation based , Social Research
Costs: Low Cost
Duration: 1 hour 30 mins
Group Size: Group
Skills: Analysing and interpreting data , Asking questions , Engaging in argument from evidence

Find the hidden rainbows

Find the hidden rainbows

astroEDU educational activity (links to astroEDU website)
Description: Let’s reveal hidden rainbows around us and the physical processes that make them!

License: CC-BY-4.0 Creative Commons 署名 4.0 国际 (CC BY 4.0) icons

Age Ranges: 10-12 , 12-14 , 14-16
Education Level: Middle School , Secondary
Areas of Learning: Interactive Lecture , Observation based , Social Research
Costs: Medium Cost
Duration: 1 hour