Излучение небесных тел кратко

Обновлено: 04.07.2024

Наибольшая часть наших сведений о Вселенной получена благодаря исследованию света звезд. Свет, излучаемый звездой, распространяется в космосе в форме волны. Волна - это поднимающееся и опадающее периодическое колебание, которое переносит энергию от источника к приемнику без переноса вещества.

Световая волна - электромагнитное колебание. Световые волны переносят энергию от звезд (источник) к сетчатке нашего глаза (приемник). Расстояние от какой-либо точки на волне до следующей такой же самой точки, например, от гребня до гребня, называется длиной волны.

Человеческий глаз ощущает свет с очень короткой длиной волны. Волны, благодаря которым мы видим, называются видимым светом. Длины волн видимого света обычно измеряют в ангстремах. Один ангстрем равен одной стомиллионной доле сантиметра (10-8 см). Видимый свет имеет длины волн между 4000 А и 7000 А.

Различные длины волн видимого света воспринимаются как разные цвета. Расположение цветов по длинам волн называется спектром.

Видимый свет - это лишь небольшая доля всего электромагнитного излучения в космосе. Энергия переносится также в форме гамма-лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолетового излучения, инфракрасного излучения и радиоволн.

Нам известно, что гамма-лучи используют в медицине для лечения опухолевых заболеваний, а рентгеновские - для диагностики. Ультрафиолетовые лучи вызывают на теле загар, а инфракрасные - согревают. Радиоволны используются для связи.

Все эти формы излучения представляют собой тот же вид энергии, что и видимый свет. Отличаются они только длиной волны. Эта же причина приводит к резко различным свойствам излучения. Самые короткие волны (гамма-лучи) имеют наибольшую энергию, в то время как самые длинные (радиоволны) - наименьшую энергию.

Все семейство электромагнитного излучения, составленное согласно длинам волн, называется электромагнитным спектром.

Все виды электромагнитных волн распространяются в пустом пространстве с одной и той же скоростью, а именно со скоростью света. Скорость света в вакууме составляет примерно 299 793 км/с. Для расчетов берется значение 300 000 км/с. Ни один из известных объектов во Вселенной не может двигаться быстрее света. Во всех других средах (например, в воздухе, в стекле) скорость света меньше.

Световой год - это расстояние, которое проходит свет в пустоте за один год.

Задача. Сколько километров содержится в одном световом году?

1 св. год = скорость света x 1 год. Так как в 1 году содержится 3,156∙107 секунд, то 1 св. год = 299 793 км/с ∙ 3,156∙107 с = 9,46 триллионов км.

Волновое движение может быть описано либо с помощью понятия длины волны, либо с помощью понятия частоты. Частота волны - это число волн, которые прошли за данное время через данную точку пространства. Например, за 1 секунду. Количество колебаний в секунду измеряется в герцах (Гц).

Человеческий глаз воспринимает световые волны различных цветов, обладающие очень высокой частотой.

Для всех видов волнового движения справедливо соотношение:

V=v*λ, где V - скорость волны, ν - частота волны, λ - длина волны. Для электромагнитных волн в пустоте скорость V равна скорости света с.

Звезды, как и другие горячие тела, излучают энергию во всех длинах волн (закон излучения Планка). Чем горячее звезда, тем больше энергии она излучает. Температура звезды также определяет, какая длина волны соответствует самому интенсивному излучению.

Чем звезда горячее, тем на более короткие длины волн приходится максимум света. Это есть закон смещения излучения Вина. По цвету звезды можно узнать ее температуру. Горячие звезды выглядят бело-голубыми (короткие длины волн), а холодные - красными (длинные волны). Самые горячие (очень короткие длины волн) и самые холодные (очень длинные волны) практически невидимы.

Для астрономов важны электромагнитные волны всех длин, потому что каждая волна несет особенную ценную информацию о наблюдаемом объекте. Земная атмосфера поглощает большую часть излучения из космоса, и до телескопов, находящихся на земной поверхности, доходят лишь волны некоторых диапазонов.

Астрономы видят Вселенную с Земли через три "окна прозрачности":

оптический (видимый), радио, инфракрасный. Современная техника дает возможность поднять инструменты над земной атмосферой, то есть, проводить наблюдения из космоса. Современная астрономия стала всеволновой - ей доступны все длины волн. Оказалось, что в различных диапазонах электромагнитного излучения небо "выглядит" совершенно по-разному. Объекты, яркие в одних лучах, могут быть невидимы в других, и наоборот. Например, на "радионебе" ярче всего "светит" центр нашей Галактики и отдельный источник в созвездии Кассиопеи - остаток взрыва Сверновой. В рентгеновских и гамма-лучах наблюдается множество источников, которые вообще не видны в других диапазонах, и о которых ранее даже не догадывались.

Электромагнитные волны разной длины воспринимаются разными приемниками излучения.

Приемником видимого света является человеческий глаз. Все оптические телескопы в итоге направляют световое излучение от звезд в глаз наблюдателя. На выходе телескопа можно также установить камеру с фотопленкой.

Существуют две основные конструкции оптических телескопов - рефракторы (преломляющие лучи линзовые системы) и рефлекторы (отражающие свет зеркальные устройства).

Увеличение телескопа определяется следующим образом:

увеличение = фокусное расстояние объектива / фокусное расстояние окуляра

Приемником радиоволн является антенна радиотелескопа. Чем больше размеры антенны, тем более слабый источник может "видеть" радиотелескоп. Основные достоинства радиотелескопов: 1) "видят" источники, скрывающиеся за облаками межзвездной пыли; 2) могут работать и днем и в облачную погоду; 3) изучают объекты, восприятие которых находится за пределами наших органов чувств.

Приемниками инфракрасного излучения являются специальные приборы - термопары и болометры. Они охлаждаются до температуры космического пространства и надежно защищаются от окружающей наземной среды. Существуют также и специальные фотопленки, чувствительные к тепловому инфракрасному излучению.

Астрофизика высоких энергий изучает объекты являющиеся источниками ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Приемниками этих видов волн являются особые составы - люминофоры, светящиеся под воздействием лучей и сложные устройства (пузырьковая камера, счетчик Гейгера), устанавливаемые на космических аппаратах-обсерваториях.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Электромагнитные излучения небесных тел

Электромагнитное излучение небесных тел — основной источник информации о космических объектах. Исследуя электромагнитное излучение, можно узнать температуру, плотность, химический состав и другие характеристики интересующего нас объекта. Полное описание свойств электромагнитного излучения и его взаимодействия с веществом дается квантовой электродинамикой — одной из самых сложных теорий современной физики. Согласно этой теории, электромагнитное излучение обладает как волновыми свойствами, так и свойствами потока частиц, называемых фотонами или квантами электромагнитного поля.

Волновые свойства электромагнитного излучения определяются взаимодействующими переменными электрическими и магнитными полями. Так же как и любая волна, электромагнитное излучение характеризуется частотой, обозначаемой обычно буквой v, и длиной волны λ. Длина волны и частота связаны друг с другом формулой: V = c/λ; где с — скорость света. Очень важным свойством электромагнитного излучения является то, что скорость его распространения в вакууме не зависит ни от длины волны, ни от скорости движения источника и всегда равна 300 000 км/с.

Если рассматривать электромагнитное излучение как поток фотонов, то его основная характеристика определяется энергией фотонов E, связанной с частотой формулой Планка: E=hv; где h — постоянная Планка, v — частота излучения.

Хотя физическая природа и основные свойства одинаковы для всех электромагнитных волн, характер взаимодействия с веществом и методы исследования излучения, имеющего разную длину волны, сильно отличаются. В связи с этим электромагнитное излучение небесных тел условно делится на несколько диапазонов. Излучение с длиной волны от 390 нм до 760 нм человеческий глаз воспринимает как свет, причем разным длинам волн соответствуют разные цвета: фиолетовый, синий и голубой — от 390 нм до 500 нм; зеленый и желтый — от 500 нм до 590 нм; оранжевый и красный — от 590 нм до 760 нм. Для обнаружения излучения из других диапазонов требуются специальные приборы.

Обычно небесные тела излучают сразу на многих длинах волн. Распределение энергии излучения по длинам волн называется спектром излучения, а определение характеристик излучающих тел по их спектру — спектральным анализом. Различают три основных вида спектров: непрерывный спектр линейчатый спектр поглощения линейчатый эмиссионный спектр

1. Непрерывный спектр В непрерывном спектре присутствует излучение в широком диапазоне длин волн. Такой спектр имеет излучение нагретого плотного вещества, причем, чем выше температура, тем на меньшую длину волны приходится максимум излучаемой телом энергии. Другой пример с непрерывным спектром — облако электронов, движущихся с большой скоростью в магнитном поле. Возникающее при этом излучение называется синхротронным излучением.

2. Линейный спектр поглощения Спектр поглощения образуется при прохождении излучения с непрерывным спектром через холодный газ. При этом каждый газ поглощает на определенных длинах волн. Участки спектра, на которых происходит заметное поглощение, называются линиями поглощения. Так, например, при прохождении излучения через холодный водород образуются линии поглощения на длинах волн 121,6 нм, 102,6 нм и др. Нейтральный гелий сильнее всего поглощает на длине волны 58,4 нм.

3. Линейчатый эмиссионный спектр Излучение горячих разреженных газов имеет линейчатый эмиссионный спектр. Атомы каждого элемента излучают в характерных для данного элемента участках спектра, называемых эмиссионными линиями. Причем на тех длинах волн, на которых холодный газ поглощает, в нагретом состоянии этот же газ излучает. Сравнивая длины волн линий поглощения, наблюдаемых в спектрах небесных тел, с полученными в лаборатории или рассчитанными теоретически спектрами различных веществ, можно определить химический состав излучающего космического объекта. Кроме того, по спектру можно определить температуру, плотность, силу тяжести и напряженность магнитного поля в источнике излучения, а также измерить скорость его приближения или удаления от наблюдателя.

При взаимодействии с веществом электромагнитное излучение оказывает на него давление. У большинства небесных тел сила давления излучения ничтожно мала по сравнению с другими действующими силами, однако в молодых горячих звездах большой светимости и в некоторых рентгеновских источниках давление излучения может играть важную роль и должно учитываться при изучении этих объектов.

Космическая радиация представляет огромную опасность не только для человека, но и для всех земных живых существ. Вне нашей планеты все мы хрупки и беззащитны. Что же такое – космическая радиация? Почему это излучение губительно?

Как обнаружили космические лучи?

Учёные пытались понять, как они поглощаются в атмосфере Земли, в воде и других веществах, но что представляли собой эти лучи – никто не знал. Только в середине 1920-х годов советский физик Дмитрий Владимирович Скобелицын смог доказать в ходе своих экспериментов то, что космические лучи реальны на основе анализа треков частиц. Ему удалось экспериментально подтвердить, что космические лучи являются электрически заряженными частицами и образуют они в атмосфере ливни частиц.

Лишь в 1936 году Виктор Гесс получил за своё открытие Нобелевскую премию: такой длительный временной промежуток был обусловлен сомнениями насчёт его находки, а именно – есть ли вообще эти космические лучи, и насколько важно понимание этого явления. К данному времени стало известно, что космические лучи представляют собой положительно заряженные частицы очень высоких энергий.

О природе космических лучей

Космические лучи – это электрически заряженные и нейтральные частицы, которые приходят к верхней границе атмосферы Земли из космического пространства. Физика космических лучей является одной из самых перспективных областей этой науки, ведь анализируя их, мы можем делать выводы о последствиях процессов, происходящих на Солнце, в нашей галактике и даже вне её.

В настоящее время нет однозначного ответа на вопрос о происхождении космических лучей. Сейчас ясно одно, что кроме Солнца, которое является источником космических лучей относительно низкой энергии, на небе есть источники, обеспечивающие ускорение частиц до очень высоких энергий. На основе многочисленных исследований, наблюдений и экспериментов, учёным сейчас известно, что:

1. Энергия космических частиц огромна (10 в 15й степени мегаэлектронвольт – это намного больше, чем та энергия, которую люди смогли добиться на современных самых мощных ускорительных установках). Плотность энергии космических лучей сопоставима с плотностью энергии звёздного света, чернотельного излучения, турбулентного движения межзвездного газа, магнитного поля во Вселенной, поэтому космические лучи, определённо, заслуживают внимания. По сути, космические лучи – это природные ускорители.

2. Частицы с такими высокими энергиями очень редки, но в их взаимодействиях подтверждались новые частицы, которые получить в земных условиях было невозможно (мионы, пи-мезоны, к- мезоны и др.);

3. Галактические космические лучи практически не меняются во времени, космическое излучение почти стабильно;

4. Виновники возникновения самых мощных космических лучей – взрывы сверхновых.

В Солнечной системе существует три вида космических лучей:

1. Солнечный ветер (поток заряженных частиц, исходящий из верхнего, наиболее горячего слоя Солнца – солнечной короны). Постоянный поток высокотемпературной плазмы всё время исходит из Солнца. Движение частиц солнечного ветра турбулентно, связано с вращением звезды и формирует межпланетное магнитное поле, поскольку оно – движение заряженных частиц. Интенсивность солнечного ветра зависит от изменений солнечной активности. Если активность повышенная, то наблюдаются мощные выбросы корональной массы, что провоцирует магнитные бури и связанное с ним плохое самочувствие, помехи в радиосвязи и прочие неприятности.

2. Солнечные космические лучи (поток заряженных частиц, ускоряемых до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца во время солнечных вспышек);

3. Галактическое космическое излучение (галактические космические лучи).

В основном космические лучи состоят из протонов, вклад которых составляет примерно 90 % от всей энергии космических лучей. Примерно 7 % приходится на альфа-частицы (ядра гелия), и лишь небольшая часть – всего около 1 % приходится на более тяжёлые ядра, такие как углерод и железо. Но вот интересно, что тяжёлые ядра приходятся на галактические космические лучи. Солнечные лучи состоят в основном из протонов примерно на 98 %. Тот факт, что галактические космические лучи имеют в своём составе тяжёлые ядра, легко объясняется том, что именно они-то и образуются в результате взрыва сверхновых.

Опасны ли космические лучи для человека?

Прямая космическая радиация губительна для всего живого. К счастью, наша Земля имеет надёжный атмосферный щит, служащий прекрасной защитой всем обитателям нашей планеты, так как нейтрализует прямую космическую радиацию, но не полностью. Как было описано выше, при столкновении с воздухом она распадается на более мелкие частички ионизирующего излучения, каждая из которых вступает в индивидуальную реакцию с его атомами. Таким образом, высокоэнергетическое излучение из космоса ослабевает, и образует вторичное излучение. При этом оно теряет свою смертоносность — уровень радиации становится приблизительно таким же, как и в рентгеновских лучах, но и это не опасно - это излучение полностью исчезает во время прохождения через атмосферу Земли. Какими бы ни были источники космических лучей, и какую мощь они бы не имели — опасность для человека, который находится на поверхности нашей планеты, минимальна. Ощутимый вред она может принести только космонавтам, ведь они не имеют естественной защиты в виде атмосферы.

Энергия, выделяемая космическими лучами, в первую очередь влияет на магнитное поле Земли. Заряженные ионизирующие частицы бомбардируют его и становятся причиной самого красивого атмосферного явления – полярных сияний. Ионизированные частички воздействуют на магнитное поле Земли, вызывая бури в атмосфере. Поскольку организм человека состоит из воды, которая очень восприимчива к магнитным колебаниям, излучение влияет на сердечнососудистую систему, и становится причиной плохого самочувствия у метеозависимых людей. Процесс неприятный, но не смертельный.

А вот космонавтам без защиты придётся туго: поскольку частицы выбивают электроны из атомов и молекул организма, клетки перестают нормально функционировать, повреждается ДНК, что приводит к различным мутациям и развитию лучевой болезни.

Помимо атмосферы нас защищает от галактических лучей наше Солнце: солнечный ветер образует собой границу гелиосферы - область околосолнечного пространства, похожая на огромный пузырь, в которой плазма солнечного ветра движется относительно Солнца со сверхзвуковой скоростью. Она-то и спасает всю Солнечную систему от проникновения в неё межзвездного газа, а также ослабляет силу галактических лучей.

Основным способом исследования небесных объектов и явлений служат астрономические наблюдения. Астрономические наблюдения — это целенаправленная и активная регистрация информации о процессах и явлениях, происходящих во Вселенной. Такие наблюдения выступают основным источником знаний на эмпирическом уровне.

На протяжении тысячелетий астрономы изучали положение небесных объектов на звездном небе и их взаимное перемещение с течением времени. Точные измерения положений звезд, планет и других небесных тел дают материал для определения расстояний до них и их размеров, а также для изучения законов их движения. Результатами угломерных измерений пользуются в практической астрономии, небесной механике, звездной астрономии.

Для проведения астрономических наблюдений и их обработки во многих странах созданы специальные научно-исследовательские учреждения —астрономические обсерватории.

Для выполнения астрономических наблюдений и обработки полученных данных в современных обсерваториях используют наблюдательные инструменты (телескопы), светоприемную и анализирующую аппаратуру, вспомогательные приборы для наблюдений, электронно-вычислительную технику и др.

Оптические телескопы служат для собирания света исследуемых небесных тел и получения их изображения. Телескоп увеличивает угол зрения, под которым видны небесные тела, и собирает во много раз больше света, приходящего от светила, чем невооруженный глаз наблюдателя. Благодаря этому в телескоп можно рассматривать невидимые с Земли детали поверхности ближайших небесных тел, а также множество слабых звезд.

После Второй мировой войны начала бурно развиваться радиофизика (физика радиоволн). Усовершенствованные приемники, антенны и оставшиеся после войны радиолокаторы могли принимать радиоизлучение Солнца и далеких космических объектов. Так воз-никла радиоастрономия — одна из ветвей астрофизики. Внедрение радионаблюдений в астрономию обогатило ее множеством выдающихся открытий.

Новым импульсом в развитии астрономических наблюдений явился выход космических аппаратов и человека в космос. Научные приборы и телескопы, установленные на космических аппаратах, позволили исследовать ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение Солнца, других звезд и галактик. Эти наблюдения за пределами земной атмосферы, поглощающей коротковолновое излучение, необычайно расширили объем информации о физической природе небесных тел и их систем.

В исследовании природы небесных тел большое внимание уделяется изучению их электромагнитного излучения. Небесные тела в зависимости от своего физического состояния излучают электромагнитные волны различной длины. В вакууме электромагнитные волны всегда распространяются с одинаковой скоростью с = 3 × 108 м/с. Очень важным свойством электромагнитного излучения является то, что скорость его распространения не зависит ни от длины волны, ни от скорости движения источника. Волна характеризуется частотой v и длиной λ, между которыми существует зависимость:с = vλ.

Электромагнитные волны, имеющие разную длину волны, взаимодействуют с веществом по-разному. Соответственно методы исследования электромагнитного излучения отличаются. В связи с этим электромагнитное излучение условно делится на несколько диапазонов.

Излучение с длиной волны от 390 до 760 нм человеческий глаз воспринимает как свет, причем разным длинам волн соответствуют разные цвета (от фиолетового до красного). Для обнаружения излучения в других диапазонах требуются специальные приборы.

Излучение, доходящее до поверхности Земли, исследуют с помощью оптических телескопов (видимый свет) и радиотелескопов.

Сильнее всего земная атмосфера поглощает коротковолновую область диапазона электромагнитного излучения: ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Наблюдения в этих диапазонах возможны только с помощью приборов, поднятых на большую высоту (на самолетах или зондах) либо установленных на межпланетных космических станциях, комплексах, искусственных спутниках Земли и ракетах.

Полное описание свойств электромагнитного излучения и его взаимодействия с веществом дается квантовой электродинамикой — одной из самых сложных теорий современной физики. Согласно этой теории, электромагнитное излучение обладает как волновыми свойствами, так и свойствами потока частиц, называемых фотонами или квантами электромагнитного поля.

Длина волны и частота связаны друг с другом формулой V = c/λ,

где с — скорость света. Очень важным свойством электромагнитного излучения является то, что скорость его распространения в вакууме не зависит ни от длины волны, ни от скорости движения источника и всегда равна 300 ООО км/с.

Если рассматривать электромагнитное излучение как поток фотонов, то его основная характеристика определяется энергией фотонов E, связанной с частотой формулой Планка:

где h — постоянная Планка, v — частота излучения.

Излучение с длиной волны от 390 нм до 760 нм человеческий глаз воспринимает как свет, причем разным длинам волн соответствуют разные цвета: фиолетовый, синий и голубой — от 390 нм до 500 нм; зеленый и желтый — от 500 нм до 590 нм; оранжевый и красный — от 590 нм до 760 нм. Для обнаружения излучения из других диапазонов требуются специальные приборы.

Диапазоны электромагнитного излучения

Название Длина волны

Гамма-лучи меньше 0,01 нм

Рентгеновские лучи от 0,01 до 10 нм

Ультрафиолетовые лучи от 10 до 390 нм

Видимые лучи от 390 до 760 нм

Инфракрасные лучи от 760 нм до 1 мм

Радиоволны больше 1 мм

Обычно небесные тела излучают сразу на многих длинах волн. Распределение энергии излучения по длинам волн называется спектром излучения, а определение характеристик излучающих тел по их спектру — спектральным анализом. Различают три основных вида спектров: непрерывный спектр, линейчатый спектр поглощения и линейчатый эмиссионный спектр.

В непрерывном спектре присутствует излучение в широком диапазоне длин волн. Такой спектр имеет излучение нагретого плотного вещества, причем, чем выше температура, тем на меньшую длину волны приходится максимум излучаемой телом энергии. Другой пример с непрерывным спектром — облако электронов, движущихся с большой скоростью в магнитном поле. Возникающее при этом излучение называется синхротронным излучением.

Спектр поглощения образуется при прохождении излучения с непрерывным спектром через холодный газ. При этом каждый газ поглощает на определенных длинах волн. Участки спектра, на которых происходит заметное поглощение, называются линиями поглощения. Так, например, при прохождении излучения через холодный водород образуются линии поглощения на длинах волн 121,6 нм, 102,6 нм и др. Нейтральный гелий сильнее всего поглощает на длине волны 58,4 нм.

Излучение горячих разреженных газов имеет линейчатый эмиссионный спектр. Атомы каждого элемента излучают в характерных для данного элемента участках спектра, называемых эмиссионными линиями. Причем на тех длинах волн, на которых холодный газ поглощает, в нагретом состоянии этот же газ излучает. Сравнивая длины волн линий поглощения, наблюдаемых в спектрах небесных тел, с полученными в лаборатории или рассчитанными теоретически спектрами различных веществ, можно определить химический состав излучающего космического объекта. Кроме того, по спектру можно определить температуру, плотность, силу тяжести и напряженность магнитного поля в источнике излучения, а также измерить скорость его приближения или удаления от наблюдателя.

Читайте также: