Эффект Доплера, Зеемана и Штарка

Химический состав небесных тел определяется на основании сравнения наблюдаемых спектров со спектрами известных химических элементов, полученных в лабораторных условиях.

Измеряя и сравнивая энергию, излученную или поглощенную в отдельных спектральных линиях, можно провести не только качественный, но и количественный химический анализ небесных тел, т. е. узнать о процентном содержании различных химических элементов в излучающем газе. Разработаны и методы, позволяющие по относительной яркости линий в спектре судить о температуре и плотности газа.

Температура - очень важная характеристика состояния вещества, от которой зависят основные его физические свойства. Ее определение - одна из труднейших астрофизических задач. Это связано как со сложностью существующих методов определения температуры, так и с принципиальной неточностью некоторых из них.

Температура небесных тел, имеющих непрерывный спектр, может быть измерена по распределению энергии (яркости) в спектре. От распределения энергии в спектре зависит цвет источника. Поэтому цвет оказывается связанным с температурой. Так, по цвету расплавленного металла сталевар определяет температуру плавки, а по цвету звезд астроном узнает их температуру.

Распределение энергии в непрерывном спектре тел различной температуры графически показано на рисунке Длина волны которой соответствует максимум в распределении энергии, связана с абсолютной температурой простым соотношением:b=2900К мкм

законом смещения Вина

с увеличением температуры абсолютно черного тела максимум его излучения смещается в коротковолновую область спектра.

Рис. Распределение энергии в спектре Солнца (жирная линия) и планковские кривые.

Излучение с поверхности звезд близко по своим спектральным характеристикам к излучению абсолютно черного тела, поэтому законы излучения абсолютно черного тела сыграли важную роль в изучении природы звезд.

Закон Стефана – Больцмана. Количество энергии, излучаемой абсолютно черным телом с единицы поверхности в единицу времени, пропорционально четвертой степени его абсолютной температуры: e = s T⁴

где s = 5,67 10^-8 Вт/м² * град⁴. Если из наблюдений найдено e, то по формуле определяется эффективная температура звезда.

Формула Планка дает распределение по частоте интенсивности излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры T:

B(n, T) = (2hn³/с²) где h = 6,63 10^-34 Дж/Гц – постоянная Планка.

При низких частотах (hn<<kT) формула Планка переходит в формулу Рэлея – Джинса: B(nT) = 2kTn² / c²

Закон Стефана – Больцмана получается интегрированием функции Планка по всем частотам и по всем направлениям.

Сопоставляя распределение энергии в некотором участке спектра звезды с планковскими кривыми, находят цветовую температуру. Цветовой температурой звезды называется температура такого абсолютно черного тела, у которого относительное распределение энергии в некотором участке спектра такое же, как и у звезды.

В астрофизике используется также понятие яркостной температуры. Яркостной температурой принято называть температуру такого черного тела, которое в заданной частоте (длине волны) излучает с единицы поверхности такое же количество энергии, как и данное тело

Если волна излучается движущимся источником, то ее длина изменяется. С этим явлением мы часто сталкиваемся в акустике. Известно, что высота звука определяется длиной волны колебания: чем ниже звук, тем длина волны больше. Стоя на платформе мимо которой проносится гудящий локомотив, можно заметить, что, пока поезд приближался, звук гудка был более высоким, а когда стал удаляться, высота звука сразу упала. Аналогичное явление есть и в оптике: свет от приближающегося источника становится как бы синее (т. е. длина волны излучения уменьшается), а от удаляющегося - краснее. Это изменение длин волн сказывается на положении спектральных линий: они смещаются в синюю или красную сторону спектра. Такое явление называется эффектом Доплера.

Доплеровское изменение длины волны спектральных линий относится к длине волны излучения так же, как скорость приближения (или удаления) _отн относится к скорости света с:=;=

Здесь _ист и _лаб -длины волн спектральной линии в спектрах наблюдаемого и неподвижного (лабораторного) источника соответственно, _отн - компонент относительной скорости источника вдоль луча зрения. (лучевая скорость).

Как видно из этой формулы, относительное изменение длины волны излучения зависит только от скорости, а следовательно, одинаково для всех областей спектра. Поэтому в астрономии с помощью эффекта Доплера измеряют относительные скорости не только оптических источников но и радио и рентгеновских источников - по смещению спектральных линий в этих диапазонах длин волн (если линии присутствуют в спектре).

Эффект Доплера используется также для анализа внутренних движений вещества в источнике света.

Изучая спектр небесного тела, можно установить наличие у него магнитного и электрического поля. Известно, что если атом находится в однородном магнитном поле напряженностью Н, то излучаемая им спектральная линия с длиной волны l расщепляется на несколько компонент, в простейшем случае на линии l -Dl, l и l+ Dl. Это явление расщепления спектральных линий в магнитном поле называется эффектом Зеемана. По наблюдениям эффекта Зеемана удалось измерить магнитные поля на Солнце и у многих звезд.

Эффект Штарка заключается в расщеплении и сдвиге уровней энергии атомов и молекул под действием электрического поля. В атмосферах звезд этот эффект возникает, в частности, при прохождении заряженных частиц мимо поглощающего (или излучающего) атома. Измерение обусловленного эффектом Штарка уширения спектральных линий позволяет оценить концентрацию заряженных частиц в атмосферах звезд.

Тема: СОЛНЦЕ

Дата добавления: 2013-12-12