Elektromagnetisk strålning. Lektion 5

Transkript

1 Elektromagnetisk strålning Lektion 5

2 Bestämning av ljusets hastighet Galilei lyckades inte bestämma ljusets hastighet trots flitiga försök

3 Ljuset färdas med en hastighet av km/s genom tomma rymden (vakuum) År 1676, upptäckte den danske astronomen Olaus Rømer att den exakta tiden för förmörkelsen av Jupiters månar beror på avståndet till Jorden Detta på grund av att det tar olika långa tider för ljuset att färdas till Jorden eftersom avståndet hela tiden varierar med ett känt avstånd och en uppmätt tid ger ljusets hastighet c (latin: celeritas = fart) nära opposition nära konjunktion t = 16.6 min r = 2 AU

4 Ljus är elektromagnetisk strålning och karakteriseras av sin våglängd (λ)

5 Våglängd och frekvens Frekvens och våglängd hos en elektromagnetisk våg ν = c λ = frekvens (i Hz) c = ljushastighet = m/s = våglängd (i meter)

6 Elektromagnetisk strålning På 1860-talet, lyckades den skottske matematikern och fysikern James Clerk Maxwell att med hjälp av fyra ekvationer beskriva elektrisitet och magnetism Hans arbete demonstrerade att elektriska och magnetiska krafter är två aspekter av samma fenomen, elektromagnetism

7 Maxwells ekvationer E = ρ ɛ 0 E = B t B = µ 0 j + 1 c 2 E t B = 0

8 1 Å (ångström) = 0.1 nm På grund av sina elektriska och magnetiska egenskaper kallas ljus också för elektromagnetisk strålning Synbart ljus ligger mellan 400 till 700 nm Stjärnor, galaxer och andra objekt sänder ut ljus över ett brett spektrum

9 Tre temperaturskalor T F = 9/5 (T C +32)

10 Ett ogenomskinligt objekt sänder ut elektromagnetisk strålning vars intensitet bestämms av temperaturen

11

12 Wiens (förskjutnings)lag och Stefan-Boltzmanns lag är användbara vid studiet av t.ex. stjärnor En svartkropp är ett hypotetiskt objekt som absorberar allt ljus vid alla våglängder Stjärnor kan till en första approximation antas skicka ut strålning som en svartkropp 2hc 2 /λ 5 I λ (T ) = exp(hc/λkt ) 1 [J s -1 m -2 ster -1 m -1 ] Intensitieten hos denna emitterade (utsända) strålning kan beskrivas med en enda temperatur

13 Wiens (förskjutnings)lag λ max = K m T Wiens lag säger att den dominerande våglängden (λmax) som en svartkropp emitterar är inverst proportionell mot dess temperatur (T)

14

15 Stefan-Boltzmanns lag Stefan-Boltzmanns lag säger att en svartkropp utsänder elektromagnetiska vågor med ett totalt energiflöde F direkt proportionellt mot temperaturen upphöjt i fyra: F = σt 4 där σ= Jm -2 s -1 K -4 är Stefan-Boltzmanns konstant

16 Solarkonstanten Energikonservering F (r 1 )4πr 2 1 = F (r 2 )4πr 2 2 F = konstant r 2

17 Räkna ut solens luminositet [Watt] med F(1 AU) = S (solarkonstanten) L = S 4πr 2 = π( ) 2 W = W = 1 L Räkna ut solens temperatur F = L πR 2 = 4π( ) 2 W m 2 = W m 2 ( ) 1 F 4 T = = 5800K σ

18 Ljus har både partikel och vågegenskaper Newton thought light was in the form of little packets of energy called photons and subsequent experiments with blackbody radiation indicate it has particle-like properties Youngs Double-Slit Experiment indicated light behaved as a wave Ljus har en dualitet: det uppför sig som en ström av partiklar (fotoner) men varje foton har våglika egenskaper

19 Fotoner E = hc λ Plancks lag relaterar energin hos en foton till dess frekvens eller våglängd E = energin hos en foton h = Plancks konstant c = ljushastigheten λ = våglängd Experiment ger h = x J s

20 Varje kemiskt element producerar sin egen uppsättning spektrallinjer

21

22 Kirchhoffs lagar

23

24

25 Spektrum mot en ung stjärna (IRAS ) Info om vad gasen kring stjärnan består av, vilka temperaturer råder, täthet, hastigheter etc.

26

27 Data från ISO (Infrared Space Observatory)

28

29

30

31 En atom består av en liten, tät kärna omgiven av elektroner Atomkärnan består av protoner och neutroner Rutherfords experiment med alpha partiklar (helium kärna) som träffade en guldfolie hjälpe till med att bestämma dess struktur

32

33 Antalet protoner i atomkärnan ger ämnets atomnummer, ex Syre med 8 Samma ämne kan ha olika antal neutroner i sin kärna Dessa kallas isotoper, ex Syre 16 O, 17 O, 18 O (där 16 O vanligast)

34 Spektrallinjer uppkommer då en elektron i en atom går från en energinivå till en annan Atomkärnan omges av elektroner som bara kan gå i vissa specifika banor eller eneginivåer När en elektron går från en energinivå till en annan så absorberar eller emitterar den en foton av lämplig energi (alltså med en specifik våglängd) n är huvudkvanttalet Spektrallinjerna hos ett givet ämne motsvarar elektronövergångar mellan dess energinivåer Bohrs modell för atomen predikterar noggrannt vätets spektrallinjer

35

36

37 Bohrs atommodell 1 λ = R [ 1 N 2 1 n 2 ] N = kvantal för inre banan n = kvanttal för yttre banan R = Rydbergs konstant (1.097 X 10 7 m -1 ) λ = våglängd hos den absorberade eller emitterade fotonen

38 emission - absorption- jonisation

39 Balmerlinjer i ett stjärnspektrum

40 Våglängden hos en spektrallinje som en observatör mäter upppåverkas av den relativa rörelsen mellan källan och observatören

41 Dopplerskift Rödskift: objektet rör sig ifrån observatören Blåskift: objektet rör sig mot observatören λ λ 0 = v c Δλ = skift i våglängd λ o = våglängd om källan i vila (lab-våglängd) v = källan hastighet c = ljusets hastighet

42 SiO runt kolstjärnor F. L. Schöier and H. Olofsson: SiO line emission from CSEs around carbon stars 7 Fig. 6. Best-fit models (solid lines; parameters given in Table 3) for V Cyg and R For overlayed on observed spectra (histograms). Table 4. SiO abundance distribution. (1994) is consistently lower by about a factor of two compared Info om hur mycket SiO som to model predictions. finnes, A possible explanation hastighet for this is pointing med offsets on the order of 8. Due to the larger beam the J = Source a a f 0 r e N χ 2 red [cm] level as the absolute calibration uncertainty 20%. However S Cep 1.4 ± ± a calibration error can not be ruled out. In the present analysis RW LMi 6.0 ± ± the SiO J = 3 2 line intensities reported by Bujarrabal et al. vilken gasen rör sig (här en stjärnvid med km/s)