Інформація про новину
  • Переглядів: 234
  • Дата: 17-06-2020, 03:16
17-06-2020, 03:16

11. Színképelemzés a csillagászatban. A csillagászati kutatások módszerei

Категорія: Tankönyvek magyar » Csillagászat





Попередня сторінка:  10. Modern földi teleszkópok. az optikai és rádióteleszkóp, a n...
Наступна сторінка:   12. A föld és a hold

1. Színképtípusok. Amikor 1666-ban Isaac Newton fénynyalábot bocsátott át háromoldalú hasábon, észrevette, hogy a fény nemcsak megtörik, hanem színekre bomlik. A képernyőn kapott, egymásba simán átmenő hét alapszínből álló sávot színképnek (spektrumnak) nevezték el.

A színképek megfigyelésére és vizsgálatára spektroszkóp elnevezésű eszközt használnak. Az égitestek színképeinek észlelésére és rögzítésére speciális színkép-elemző optikai eszközt, spektrográfot alkalmaznak.

A meglehetősen fényes égitestek színképeit résspektrográfokkal fényképezik, ami kollimátorból, hasábból és fényképező kamerából áll (2.10. ábra). Az égitest színképének fényképfelvételét spektrogramnak nevezzük. Szintén spektrogram-nak nevezik az égitest sugárzás-intenzitásának a hullámhossztól és -frekvenciától való függését ábrázoló grafikont.

Bármilyen fénylő testnek kibocsátási (emissziós) színképe van. A színképek lehetnek folytonosak, vonalasak és sávosak.

A folytonos színkép esetében a fény hullámhossz szerinti felbontása folyamatos, a vöröstől az ibolyáig folytonos átmenetben láthatók a színek (2.11. a ábra)

A folytonos színkép - folytonos sáv, amelynek a színei folyamatosan mennek át egymásba. Minden fénylő szilárd test — olvasztott fémek, igen nagy nyomáson lévő gázok és gőzök - folytonos színképet produkál. Ilyen színképet ad például az ívfénylámpa vagy az égő gyertya.

Más kinézetű a színkép, ha a fényforrásul izzásig hevített gázokat vagy gőzöket használnak a normálistól alig eltérő nyomáson atomi állapotban.

Ebben az esetben vonalas (atomi) színképről beszélünk. Ez külön színes monokróm vonalakból áll, amelyek nem olvadnak egymásba, és sötét közök választják el őket egymástól (2.11. b ábra). Megállapították, hogy magas hőmérsékletre hevített állapotban a gáz minden kémiai eleme atomokból áll és a csak rá jellemző vonalas színképet sugároz jellegzetes, mindig bizonyos helyen lévő színes vonalakkal.

A sávos színkép esetében sávok látszanak a színképben. Ez a vonalas színkép egy speciális fajtája, ahol a vonalak olyan sűrűn követik egymást, hogy azok sávoknak látszanak a megfigyelő számára. Vagyis a sávos (molekuláris) színkép különálló, sávokká összeolvadó, egyik oldalon éles, a másikon elmosódó vonalakból állnak (2.11. c ábra). Ilyen színképet a gázok és gőzök molekulái képeznek.

Az emissziós színképek mellett léteznek elnyelési színképek (2.12. ábra).

Az izzó gázokon és gőzökön áthaladó fehér fény nyomán létrejövő sötét vonalakkal vagy sávokkal tagolt folytonos színképet elnyelési (abszorpciós) színképnek nevezzük. Az elnyelési színképek létrejöttének vizsgálata megmutatta, hogy az anyag azokat a hullámhosszú sugarakat nyeli el, amelyeket az adott feltételek mellett maga is kibocsáthat (Kirchhof-törvény).

így minden kémiai elem esetében a kibocsátási vonalas színkép az elnyelési színkép fordítottja. Ez azt jelenti, hogy az elnyelési színkép sötét vonalainak elhelyezkedése pontosan megfelel a kibocsátási színképben lévő színes vonalak helyének.

A színképek tartalmazzák a legfontosabb információt a kibocsátásról (sugárzásról). A színkép általános képe és a benne lévő energia megoszlása a forrás hőmérsékletétől, vegyi összetételétől és fizikai tulajdonságaitól, valamint mozgási sebességétől függ. A testek kémiai szerkezetének és fizikai állapotának kibocsátási és elnyelési színképes vizsgálati módszerét színképelemzésnek (spektrálanalízis-nek) nevezzük.

2. Az égitestek kémiai összetétele. Joseph Fraunhofer német fizikus 1814-ben a Nap színképének a maga készítette diffrakciós ráccsal történő vizsgálata közben arra lett figyelmes, hogy a Nap folytonos színképe sok sötét vonalat tartalmaz. A tudós megállapította, hogy ezek a vonalak (amelyeket később róla neveztek el) mindig a Nap színképének bizonyos helyén vannak jelen. A Fraunhofer-vonalak különböző anyagok gőzeinek elnyelési vonalai, amelyek a folytonos színkép forrásának — a Nap fényes felszínének (a fotoszféra és a spektrális készülék között) - közelében található. A Napot gázburok veszi körül, amelynek alacsonyabb a hőmérséklete és kisebb a sűrűsége, mint a fotoszférának. Vagyis a Nap színképe ezeknek a gőzöknek az elnyelési színképe.

A Fraunhofer-vonalak részletes elemzése megmutatta, hogy a Napon minden földi elem megtalálható. így fedeztek fel egy új kémiai elemet, a héliumot, amelyet csak 26 évvel később mutattak ki a Földön.

Az égitestek színképeiben megfigyelhető elnyelési vonalak hullámhosszainak különböző anyagok laboratóriumban kapott vagy elméletileg kiszámított színképeivel történő összehasonlítása révén meghatározható az igen nagy távolságra lévő sugárzó égitest kémiai összetétele.

A színképelemzés nem csak a Nap, hanem más objektumok, így csillagok vagy ködök kémiai összetevőinek meghatározását is lehetővé teszi. A színképek elemzése a világűri objektumok fizikai természetének az asztrofizikában alkalmazott fő vizsgálati módszere.

3. Hőmérséklet. Wien és Stephan-Boltzmann törvényei. Minden test, még a gyengén felmelegített testek is elektromágneses hullámokat (hőmérsékleti sugárzás) bocsátanak ki. A 103 K-t nem meghaladó hőmérsékleteken főként infravörös sugarak és rádióhullámok kibocsátása történik. További hevítés hatására megváltozik a hőmérsékleti sugárzás színképe - megnövekszik a kisugárzott energia átlagmeny-

nyisége és megjelennek a rövid hullámhosszú sugarak, köztük látható (a vöröstói az ibolyáig terjedő) ultraibolya és röntgensugarak.

Hőmérsékleti sugárzás esetén a testet alkotó atomok és molekulák hőmérsékleti mozgásának belső energiája a kisugárzott elektromágneses hullámok energiájába megy át. Fényelnyeléskor ellenkező folyamat megy végbe, az elektromágneses energia a test belső energiájába megy át.

A hőmérséklet növekedésével az abszolút fekete test sugárzási maximuma a színkép rövidhullámú részébe tolódik el. Az energiamegoszlás maximumának megfelelő Xmax hullámhossz T abszolút hőmérséklettel kapcsolatos korrelációját Wien-féle eltolódási törvénynek nevezik: Xmax • T = b, ahol b — Wien-állandó (b ~ 2,9 • 10-3 m • K). Ez a törvény az elektromágneses sugárzásnak nem csak a látható, hanem bármilyen más tartománya esetében is teljesül.

A Nap spektrogramjában a legnagyobb sugárzás-intenzitás al = 480 nm hullámhosszra esik, ezért közelít a Nap fotoszférájának hőmérséklete a 6000 K-hez.

A hőmérséklet növekedésekor nem csak a sugarak színe, hanem teljesítménye is változik. Kísérletekre és elméleti számítások eredményeire alapozva megállapították, hogy az abszolút fekete test sugárzásának teljesítménye a hőmérséklet negyedik hatványával arányos (Stephan-Boltzmann-törvény). Az abszolút fekete test felületének minden négyzetmétere 1 sec alatt minden irányban valamennyi hullámhosszon є = aT* energiát sugároz, ahol є - a felhevített test egységnyi felülete általi sugárzás teljesítménye; T — abszolút hőmérséklet; a - Stephan-Boltz-mann-állandó, amely egyenlő: 5,67 • 1СГ8 W/(m2 • K4).

Ismerve a csillagról a földfelszínre érkező energia mennyiségét, a Stephan-Boltzmann-törvény alapján meghatározható a hőmérséklete. Mind a Wien-féle eltolódási törvény, mind a Stephan—Boltzmann törvény érvényes az abszolút fekete test esetében.

Első megközelítésben elfogadható, hogy a csillagok, mindenekelőtt a Nap, abszolút fekete testként sugároznak.

4. Doppler-effektus. Az asztrofizikában széles körben használják a Doppler-effektust, ami a sugárzó forrásnak a megfigyelőhöz viszonyított mozgása során jön létre. A Doppler-effektus lényege a következő: ha a sugárzó forrás a megfigyelő látósugara szerint vr - sugársebességnek nevezett - sebességgel mozog, akkor a forrás által sugárzott XQ hosszúságú hullám helyett a megfigyelő a X hosszúságú hullámot észleli, tehát

ahol c — a fény sebessége. A vr sebesség értéke pozitív a

A Doppler-effektus gyakran előfordul az akusztikában. Például ha olyan helyen tartózkodunk, amely mellett vonat halad el, azt észleljük, hogy amíg közeledik, a hang szintje magasabb lesz, de amikor elhalad, a hang magassága azonnal csökken. Hasonló jelenség figyelhető meg az optikában is: a közeledő forrás fénye kékebb lesz (növekszik a frekvencia), míg a távolodó forrás fénye vörösebbé válik (csökken a frekvencia). Ez a változás megjelenik a színképvonalak helyzetén a színképben: vagy a kék, vagy a vörös tartomány felé tolódnak el.

A színképvonalak eltolódásának meghatározása érdekében a vizsgált csillag színképét ugyanarra a fényképlemezre rögzítik, mint annak a laboratóriumi forrásnak színképét, amelyben ismert színképvonalak találhatók. Ezt követően precíziós mikrométerekkel ellátott mikroszkópokkal megmérik az objektum vonalainak eltolódását a hullámhosszok laboratóriumi rendszeréhez viszonyítva, és így kapják

meg a AX egységet. Ezután a

felhasználásával meghatározzák a

vr sugársebességet.

Ez a Doppler-képlet csak a 0,1 fénysebességhatárt nem maghaladé vT sebességek esetében alkalmazható. A fénysebességhez közeli sebességgel mozgó források esetében figyelembe kell venni a relativitáselmélet törvényeit.

A színképvonalak elmozdulását 1842-ben elméletileg Christian Doppler jelezte előre.

KÉRDÉSEK A TANULTAKHOZ

1. Mi a színkép? Milyen jelenségek bizonyítják, hogy a fény bonyolult szerkezetű?

2. Nevezd meg a három fő színképtípust, és jellemezd őket! Mi a különbség közöttük?

3. Mi a színképelemzés? Hogyan alkalmazzák a csillagászatban?

4. Mi a spektrográf rendeltetése, és milyen a szerkezete? Mi a spektrogram?

5. Mondjátok el, és magyarázzátok meg Kirchhoff törvényét!

6. Mondjátok el, és írjátok le a Wien-féle eltolódási törvényt és a Stephan-Boltz-mann-törvényt!

7. Mi a Doppler-effektus lényege? Hogyan tolódnak el a vonalak a színképben, és milyen eközben a sebesség előjele? Hol alkalmazzák a Doppler-effektust a csillagászatban?

OLDJUK MEGY EGYÜTT!

1. feladat. Magyarázzátok meg, hogy a szabad szemmel egynek tűnő csillag teleszkóppal történő megfigyelés esetén miért válhat két egymáshoz közel elhelyezkedő csillaggá, azaz miért lehet kettős csillagrendszer!

Felelet. Az emberi szem felbontó képessége körülbelül 1'. A teleszkóp felbontó képessége arányos a tárgylencse átmérőjével, miközben a teleszkóp tárgylencséjének átmérője sokkal nagyobb a szem pupillájának átmérőjénél.

2. feladat. Milyen szögsebességgel kell mozognia az égitestnek, hogy mindig a mozdulatlanul rögzített, az éggömbnek az égi egyenlítő pontjára irányzott teleszkóp látómezejében legyen?

Felelet. A mozgásnak meg kell felelnie az éggömb egyenlítőn megvalósuló keringésének, vagyis ю = 2n : T= 6,28 : 86 400 = 7,2 -10-5 rad/s.

3. feladat. Milyen nagyítás szükséges az iskolai teleszkópban ahhoz, hogy a Marsnak szembenálláskor ugyanolyan szögátmérője legyen a teleszkóp szemlencséjében, mint a szabad szemmel vizsgált Holdnak? A Mars szögátmérője 20".

Felelet. A hold szögátmérője 30' = 1800". A teleszkóp nagyításának

■sze

resnek kell lennie.

FELADATOK ÉS GYAKORLATOK

2.1. Magyarázzátok meg, milyen alapvető különbségek vannak a reflektor- és a refraktor-teleszkópok között?

2.2. Nevezzétek meg a teleszkóp két fő részét, és magyarázzátok meg a rendeltetésüket!

2.3. Miért észleljük a Földről megfigyelve úgy, hogy a csillagok az éjszaka folyamán elmozdulnak az égbolton?

2.4. Mit tanácsolnátok azoknak a csillagászoknak, akik у-sugarak, röntgensugarak és ultraibolya sugárzás felhasználásával akarják vizsgálni a Világegyetemet?

2.5. Soroljátok fel a rádióteleszkópok előnyeit!

2.6*. Képzeljük el, hogy teleszkóppal vizsgáljuk a Napot és Holdat. Hogyan fog kinézni, hogy a fordított képüket látjuk? Melyik oldalra fognak mozogni ezek az égitestek a teleszkóp látómezejében?

2.7 . Miért látható a teleszkópban több csillag, mint szabad szemmel? Miért no jelentősen a fényessége a szabad szemmel megfigyelt csillagoknak, ha teleszkópban szemléljük ókét?

2.8. Miért van az, hogy az ugyanabban a teleszkópban szemlélt különböző bolygók és a Hold fényessége a nagyítás növelésével egyre csökken?

2.9. Miért nem fűtik azokat a helyiségeket, amelyekben teleszkópok vannak elhelyezve?

2.10 . Milyen távolságból figyeljük a Holdat világos pont alakjában, azaz 1' szögben? A Hold átmérője 3473,4 km.

2.11 . Milyen távolságból megfigyelve tűnik a Nap világos pontnak? A Nap átmérője 1 390 600 km. A Naprendszer mely bolygóiról megfigyelve tűnik a Nap csillagnak^

2.12 . Milyen távolságból tűnne a Föld—Hold rendszer a megfigyelő számára egy égitestnek? Természetesen a megfigyelés szabad szemmel történik. (A Föld átmérője 6378,2 km, a Holdé 1736,7 km.) A Naprendszer mely bolygóiról megfigyelve tűnne a Föld—Hold rendszer egy testnek?

2.13. Miért építik újabban az obszervatóriumok többségét hegyekben?

2.14*. Az űrhajó 200 km magasságban repül Ukrajna fölött. Láthatják-e az űrhajósok szabad szemmel az 500 m széles Dnyepert?

ELLENŐRIZD A KÉSZSÉGEDET!

Ellenőrző kérdések

1. Milyen alapvető feladatok megoldására szolgálnak a teleszkópok a csillagászatban?

2. Miben különböznek az optikai teleszkópok a rádióteleszkópoktól? Mi a különbség a rádióinterferométer és a rádióteleszkóp között?

3. Miért helyezik el az infravörös teleszkópokat magashegyi aszályos területeken?

Amit tudok, és amire képes vagyok

• Tudom, hogy mire használják a teleszkópokat, és hogyan készítik őket

1. A teleszkóp melyik jellemzője a legfontosabb a gyengén fénylő csillagok megfigyelésénél: a szemlencse átmérője vagy a tárgylencse átmérője?

2. Miért láthatók ugyanabban a teleszkópban a csillagok fényes pontokként, míg a bolygók korongokként?

3. Készítsetek refraktor-teleszkópot +11 dioptriás szemüveglencse felhasználásával, a szemlencsét alakítsátok ki fényképezőgép objektívjéból vagy +10 dioptriás szemüveg lencséjéből!

4. Milyen teleszkópok használata zavarhatja a mobiltelefonos hálózat működését?

• Tudok csillagászati feladatokat megoldani

5. A távcsőnek, akárcsak a teleszkópnak van tárgylencséje és szemlencséje. Miért van az, hogy a távcsőben az ábrázolás egyenes, míg a teleszkópban fordított?

6. Miért nyerhető több információ világűri megfigyeléssel, mint földi teleszkópokkal?

7. Magyarázzátok meg a Fraunhofer-vonalak kialakulásának mechanizmusát a Nap színképében!

8. A 434,00 nm hosszú hidrogénvonalak a csillag spektrogramjában 434,12 nm-rel egyenlő. Irányunkban vagy tőlünk elfelé mozog a csillag, és milyen sebességgel?

9. Az űrhajó v = 10 km/s sebességgel távolodik a Földtől. Az űrhajó antennája által sugárzott elektromágneses hullámok v0 frekvenciája 30 MHz-cel egyenlő. Határozzátok meg a Av frekvenciának az antenna által észlelt Doppler-féle eltolódását!

TESZTFELADATOK

1. A teleszkóp olyan optikai eszköz, amely:

A közelíti hozzánk az égitesteket В nagyítja az égitesteket

C növeli az égitest szögátmérőjét D közelit bennünket a bolygóhoz

E veszi a rádióhullámokat

2. Miért építik hegyekben a nagy csillagászati obszervatóriumokat?

A hogy közelebb legyen a bolygókhoz В a hegyekben tovább tart az éjszaka C a hegyekben kevesebb a felhő D a hegyekben átlátszóbb a levegő

E hogy növeljék a fényakadályokat

3. Az alábbi teleszkópok közül melyekben látható a legtöbb csillag?

A az 5 m átmérőjű tárgylencséjű reflektorban В az 1 m átmérőjű tárgylencséjű refraktorban C a 20 m átmérőjű rádióteleszkópban

D az 1000-szeres nagyítású és 3 m átmérőjű tárgylencséjű teleszkópban E az 500-szoros nagyítású és 3 m átmérőjű tárgylencséjű teleszkópban

4. Hol található a világ legnagyobb rádióteleszkópja a dekaméteres hullámok vételére?

A Japánban BazUSA-ban C Kínában D Ukrajnában E Oroszországban

5. Miért részesítik előnyben a világűri testek megfigyelésével foglalkozó csillagászok a nagy átmérőjű tárgylencsével rendelkező teleszkópokat?

A az ilyen teleszkóp nagy nagyítást ad

В a nagy tárgylencse több fényt gyűjt össze, ezért az ilyen teleszkópban távolabbi csillagok láthatók

C az ilyen teleszkópban láthatók a színkép infravörös tartományában energiát sugárzó világűri testek

D az ilyen teleszkópban láthatók a színkép ultraibolya tartományában energiát sugárzó világűri testek

E a nagy tárgylencse éles képet ad és növeli a teleszkóp felbontó képességét

6. Egy teleszkóppal elérhető-e különböző nagyítás?

A elérhető, ha különböző fókusztávolságú szemlencséket alkalmaznak benne В nem érhető el, mert a teleszkóp stacionárius eszköz, amely mindig egy nagyítást ad

C csak a világűrben érhető el D elérhető, ha a teleszkópba szemüveggel néznek

E csak a hegyekben található csillagászati obszervatóriumokban érhető el

7. Miért látható több csillag a teleszkópban, mint szabad szemmel?

8. Miért nyújtanak több információt a világűri megfigyelések, mint a földi teleszkópok?

9. Milyen teleszkópokban élesebb a kép, a nagy nagyításúakban vagy a nagy átmérőjű tárgylencsével rendelkezőkben?

10. Miért láthatók ugyanabban a teleszkópban a csillagok fényes pontokként, míg az égitestek korongokként?

11. Jelenleg a világűrben nemzetközi állomást építenek, amelyben Ukrajnának lesz űrblokkja. Milyen csillagászati eszközöket tudnátok javasolni az ukrán blokkba a Világegyetem megfigyelésére?

12. Az égitestek milyen teleszkópos megfigyelései végezhetők borús időben?

A Világegyetem olyan valószínűtlenül nagy, hogy elképzelni sem tudjuk, mi rejtőzik végtelen mélységeiben. A mi Naprendszerünk a Világegyetemhez mérve mindössze parányi részecske. Mi, akik a Föld nevű, nem nagy bolygón lakunk, a Naprendszert hatalmasnak és ismeretlennek látjuk a csillagászat minden eddig elért eredménye ellenére.

 

Ez a csillagászat tankönyve 11. évfolyamának anyaga Szirotyuk, Mirosnicsenko

 



Попередня сторінка:  10. Modern földi teleszkópok. az optikai és rádióteleszkóp, a n...
Наступна сторінка:   12. A föld és a hold



^