CÁC ĐỊNH LUẬT BỨC XẠ VÀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ
Ba định luật của Kiêchôp có thể cũng đủ để làm sáng tỏ các vì sao cấu tạo từ những nguyên tố nào. Nhưng các nhà bác học còn quan tâm đến cả thành phần định lượng của chúng, tức là mỗi một nguyên tố chiếm mấy phần trong khối lượng chung của vật chất sao. Còn cần phải biết cả nhiệt độ, áp suất, và vận tốc chuyển động của khí trong khí quyển của sao. . . Cơ học lượng tử ra đời vào những thập niên đầu của thế kỷ XX đã cho phép xác định được những thông số đó cũng như những thông số khác.
Để mô tả được tất cả các hiện tượng liên quan đến sự bức xạ điện từ nếu chỉ biết về bản chất sóng của nó không thôi thì cho đủ: Hoá ra là ánh sáng được hấp thụ và phát ra bằng những suất không tách ra được nữa, có cảm giác như nó được cấu thành từ những hạt. Những hạt hoặc những lượng tử đó của ánh sáng gọi là phôton (quang tử). Năng lượng của phôton có liên quan đến bước sóng bức xạ điện từ.
Để có thể hiểu được các vạch phổ xuất hiện như thế nào, ta hãy xem xét qua ví dụ một nguyên tử phổ biến nhất trong Vũ Trụ: nguyên tử hyđrô. Nó gồm có một prôtôn và electron. Ở trạng thái bình thường (người ta gọi nó là trạng thái cơ bản), êlectron, nói một cách đơn giản, quay quanh prôton ở một khoảng cách nhất định. Năng lượng nguyên tử là cực tiểu. Nói cách khác, nguyên tử ở một mức năng lượng thấp nhất. Nếu bằng cách nào đó ta cho nguyên tử ấy một năng lưu bổ sung, thì êlectrôn sẽ còn sang một quỹ đạo xa hơn (còn nguyên tử sẽ lên một mức năng lượng cao) hơn. Các định luật cơ học lượng tử khẳng định rằng các quỹ đạo nơi êlectrôn có thể ở được xác định nghiêm ngặt. Và các suất năng lượng bổ sung để có thể tiếp cho nguyên tử cũng được quy định nghiêm ngặt. Chúng tương ứng với khoảng cách giữa các quỹ đạo. Vậy năng lượng bổ sung đó lấy từ đâu ra?
Trong khí loãng được đun nóng chốc chốc lại xảy ra sự va chạm giữa các nguyên tử với nhau và với các êlectrôn tự do. Đôi lúc trong sự va chạm ấy nguyên tử nhận được một lượng năng lượng đủ để cho êlectrôn chuyển sang một trong những quỹ đạo bên ngoài. Trạng thái như vậy của nguyên tử được gọi là trạng thái kích thích. Nguyên tử nằm trong trạng thái kích thích cả khi prôtôn "bắt sống" một êlectrôn lúc đầu không liên kết với nó và ở một quỹ đạo cách xa prôtôn.
Nét đặc trưng của trạng thái kích thích là tính ngắn hạn của chúng. Êlectron vẫn muốn quay về quỹ đạo thấp nhất. Nhưng bằng cách nào mà nguyên tử có thể giải thoát năng lượng "thừa"? Bằng bức xạ một lượng tử ánh sáng nhưng với một năng lượng được quy định nghiêm ngặt tương ứng với cự ly giữa các quỹ đạo. Êlectrôn có khả năng trở về quỹ đạo cơ bản ngay sau khi đã bức xạ lượng tử với một năng lượng lớn. Nó cũng có thể dừng lại trên đường về trên những quỹ đạo trung gian, nếu tổ hợp lượng tử phát xạ với năng lượng ít hơn. Nhưng trong mọi trường hợp bức xạ chỉ có thể có được trên những bước sóng do vị trí phân bố của các quỹ đạo hoặc các mức năng lượng của nguyên tử quy định. Bởi vậy phổ bức xạ các chất khí bao gồm chỉ những vạch màu nhất định:
Trong trường hợp khí đậm đặc tương đối lạnh được chiếu sáng bởi một nguồn bức xạ liên tục mạnh như trong khí quyển của Mặt Trời và các sao chẳng hạn thì vấn đề lại khác. Ở đây bức tranh hoàn toàn ngược lại. Các lượng tử của phổ liên tục có thể đẩy êlectrôn từ mức này lên mức khác cao hơn. Trong trường hợp này lượng tử sẽ biến mất, còn năng lượng thừa của nguyên tử sẽ bị khử khi nó va chạm với các nguyên tử khác. Electron sẽ rơi trở lại quỹ đạo thấp, còn năng lượng của nó chuyển thành năng lượng chuyển động nhiệt của các hạt va chạm nhau.
Chỉ có những lượng tử có năng lượng (bước sóng) hoàn toàn tương ứng với một trong những bước chuyển có thể có của êlectrôn trong nguyên tử mới tham gia vào quá trình này. Tất cả những lượng tử còn lại đi xuyên qua vật chất hầu như không gặp sự cản trở nào. Như vậy là trong sự bức xạ liên tục chỉ có những tia có màu sắc nhất định mới bị hấp thụ, và trong quang phổ của sao xuất hiện những chỗ sụt rất hẹp đánh dấu sự không có mặt của chúng, được gọi là các vạch hấp thụ của phổ.
Trên cơ sở những tư tưởng mới, các nhà vật lý đã giải thích được xuất xứ của các phổ vạch phổ liên tục các đường cong "bướu" của sự phân bố năng lượng trong phổ của những vật thể bị đốt nóng và nhiều hiện tượng khác. Những phương pháp do họ đề xướng cho phép các nhà thiên văn học nhận biết thành phần định lượng của khí quyển của các vì sao, nhiệt độ của chúng, và cả độ lớn từ trường . . . Ngoài ra, cơ học lượng tử còn tạo điều kiện cho sự ra đời của lý thuyết phản ứng hạt nhân trong lòng các vì sao, do đó đã giúp cho việc xác định nguồn gốc năng lượng của chúng và theo dõi được con đường tiến hoá của sao. Sự hợp tác của các nhà vật lý và thiên văn đã mang lại những thành quả tốt đẹp làm phong phú cho cả ngành vật lý lẫn thiên văn.
