Новости космоса

Вещество и излучение

Лучшие игрыНовости космосаВещество и излучение
Сегодня, 21.08.2017

Рассмотрим сначала наиболее простой случай — взаимодействие электромагнитного излучения с атомом водорода. Этот самый легкий атом состоит из протона и движущегося вокруг него по орбите электрона. Не обсуждая здесь, каким образом волновые свойства электрона определяют его поведение, отметим один важный результат: электрон в атоме водорода может находиться лишь во вполне определенных состояниях.

Эти состояния характеризуются разными энергиями электрона. Основная составляющая энергии электрона (мы будем рассматривать здесь только ее) обусловлена электрическим притяжением протона и электрона.

Астрономия Вещество и излучение

Возможные состояния можно представить себе как орбиты, по которым электрон может двигаться вокруг ядра атома (т. е. протона), или энергетические уровни. Орбита, на которой среднее расстояние электрона от ядра минимально, соответствует состоянию с наинизшей энергией, или основному состоянию. Если атом предоставить самому себе на достаточное время, то он с неизбежностью излучит самопроизвольно некоторое количество энергии и перейдет в основное состояние.

Другие возможные состояния соответствуют множеству различных орбит, которые могут быть круговыми или эллиптическими, но обязательно в среднем более удаленными от протона. Говорят, что эти орбиты соответствуют возбужденным состояниям атома. Более возбужденным состояниям соответствуют большие энергии и большие средние расстояния электрона от протона. Атом в основном состоянии называют невозбужденным. В дальнейшем мы будем часто пользоваться понятиями о возбужденных и основном состояниях атомов.

излучение

Обычно атом находится в возбужденном состоянии недолго— около 10~8 с. Но этот короткий промежуток времени весьма велик по сравнению с 10-15 с, периодом обращения электрона, находящегося на первой возбужденной орбите, вокруг атомного ядра, т. е. электрон успевает совершить много оборотов, прежде чем перейдет на орбиту, более близкую к ядру и с более низкой энергией. Электрон может перейти в основное состояние одним скачком или каскадом последовательных переходов.

Каждый скачок, или переход, из возбужденного состояния в менее возбужденное сопровождается спонтанным (т. е. самопроизвольным) испусканием электромагнитного излучения. Мы уже упоминали при обсуждении ранних стадий эволюции Вселенной о том, что излучение испускается в виде порции, или пакета, волн, называемой фотоном. При каждом самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в менее возбужденное излучается один фотон, который движется со скоростью света (3 • 105 км/с).

Чем больше энергия, тем меньше длина волны К излучаемого фотона. (Энергия Е и длина волны. Так, при переходах между состояниями с близкими энергиями излучаются фотоны, длина волны которых соответствует либо инфракрасному, либо радиодиапазону. При других переходах могут излучаться ультрафиолетовые или рентгеновские фотоны, энергия которых гораздо больше.

Все фотоны, соответствующие переходу между некоторыми фиксированными состояниями, имеют одинаковую длину волны (как это следует из закона сохранения энергии и формулы Планка). Переходам между разными парами состояний соответствуют фотоны разной длины волны, а значит, и с различными энергиями. Физики разработали теории, позволяющие очень точно предсказывать длины волн фотонов, испускаемых атомами водорода. Отметим важный для астрономов вывод: в каждом возбужденном состоянии атомы способны излучать фотоны лишь вполне определенных длин волн.

Способность излучать фотоны лишь определенных длин волн присуща и другим атомам и даже молекулам, состоящим из нескольких атомов. В этих сложных системах, где на орбитах находятся сразу много электронов, трудно рассчитать теоретически структуру и энергии электронных орбит исходя из основных физических законов, поэтому трудно точно рассчитать длины волн испускаемых фотонов. Однако эти длины волн можно измерить, и измерения подтверждают, что атом или молекула в любом возбужденном состоянии могут излучать лишь фотоны определенных длин волн, причем каждая длина волны соответствует одному типу переходов из исходного состояния в некоторое менее возбужденное состояние с более низкой энергией.

Это открытие спектроскопистов, сделанное много лет назад, легло краеугольным камнем в здание современной астрофизики. Измеряя длины волн фотонов, испущенных возбужденными атомами и молекулами в дальних уголках Вселенной, астрофизики могут определить наличие атомов какого-либо химического элемента, их состояние возбуждения и скорость. Фотоны, многие годы летевшие сквозь почти пустое пространство, можно назвать гонцами, доставляющими нам информацию о химическом составе и физическом состоянии газа, который их породил.

Поглощение (абсорбция) фотонов с астрономической точки зрения — столь же важное явление, как и их испускание (эмиссия). При поглощении фотон возбуждает один из электронов атома, который переходит в состояние с более высокой энергией; фотон при этом исчезает или, как говорят, поглощается. Энергия фотона полностью расходуется на повышение энергии электрона в атоме.

Поскольку поглощение фотона — процесс, обратный излучению, длины волн фотонов, которые могут быть излучены и поглощены атомами данного типа, совпадают. Чтобы атом излучил, необходимо возбудить его каким-либо образом, например, путем столкновений с другими атомами или свободными электронами, обусловленных тепловыми движениями, а для поглощения необходимо, чтобы излучение некоторого источника проходило сквозь атомы и содержало фотоны, которые могут быть поглощены. Таким источником излучения может служить далекая звезда.

Излучение фотонов

Рассмотрим теперь, как астрономы используют телескоп, чтобы обнаружить излучение или поглощение фотонов в газе на огромных расстояниях от Земли. Ученые, применяют спектрометры — приборы, позволяющие измерить энергию собранного телескопом электромагнитного излучения в каждой длине волны. Поскольку невозможно абсолютно точно измерить длину волны фотона, нельзя измерить и энергию, приходящуюся точно на заданную длину волны. Поэтому приходится измерять энергию в узком интервале (полосе) длин волн, то есть в некоторой узкой области спектра, которую мы будем называть полосой измерения. Если построить график зависимости измеренной лучистой энергии, интенсивности, от X, центральной длины волны данной полосы измерения, то мы получим результаты.

Уширение спектральных линий вследствие эффекта Доплера может быть обусловлено движениями различных типов, важные примеры — случайные движения атомов и вращение звезд. Тепловые движения атомов хаотичны, причем скорости приближения и удаления атомов равновероятны, поэтому тепловые движения приводят к уширению как эмиссионных спектральных линий, так и линий поглощения. Если газ движется к нам или от нас как целое, то это приведет к доплеровскому сдвигу всей линии.

У вращающейся звезды один край ее диска приближается к нам, и в его спектре линии поглощения будут смещены в сторону коротких волн, а в спектре другого, удаляющегося от нас края, линии будут смещены в длинноволновую область спектра. Если наблюдается спектр всей звезды, то все линии поглощения будут уширены. Скорость вращения экваториальной зоны звезды может достигать нескольких сотен километров в секунду, более чем на порядок превышая случайные тепловые скорости атомов, характерные для большинства межзвездных газовых облаков, поэтому линии поглощения в спектре звезды могут быть гораздо шире межзвездных линий.

Уширение линий поглощения может быть также обусловлено другой причиной. Атом способен слабо поглощать излучение, длина волны которого отличается от центральной длины волны линии поглощения существенно больше, чем на величину обычного доплеровского сдвига. Поэтому у очень сильных линий поглощения, соответствующих чрезвычайно большому числу поглощающих атомов на луче зрения, наблюдаются широкие крылья, как у правой крайней линии.

Анализ спектров эмиссии и поглощения — это основной метод астрофизических исследований, во многом обусловивший само развитие астрофизики. Конечно, и этот метод имеет свои ограничения. Одно из фундаментальных ограничений состоит в том, что эмиссионный спектр не дает прямой информации о расстоянии до объекта.

Спектр поглощения дает лишь ограниченную информацию о положении поглощающих атомов; они могут находиться где-то между наблюдателем и источником поглощаемого излучения. И для эмиссии, и для поглощения единственным фактором, определяющим, будет ли линия сильной или слабой, является число излучающих или поглощающих атомов на луче зрения, при этом неважно, где конкретно находятся атомы — далеко от нас, близко или распределены равномерно.

Неопределенность в оценке расстояний до поглощающих атомов может привести к путанице при отождествлении линий звездного и межзвездного происхождения. Лишь очень немногие звезды имеют чисто непрерывные спектры.

В спектрах большинства звезд, используемых как источники излучения при исследованиях межзвездного поглощения, наблюдаются многочисленные линии поглощения, которые обусловлены атомами в холодных звездных атмосферах, окружающих более горячие излучающие слои. Обычно межзвездные линии можно выделить по некоторым признакам. Эти линии, как правило, узки, их ширина не превышает один ангстрем (1А=10~8 см).

спектр звезды

Вследствие доплеровского сдвига, вызванного вращением звезд, линии звездного происхождения гораздо шире (их ширина составляет несколько ангстрем). Некоторые межзвездные линии образуются из-за поглощения атомами, относительно очень редкими в атмосферах горячих звезд, используемых как источники излучения.

Хороший пример — нейтральные атомы, так как в звездных атмосферах при температурах 20 000° К и выше почти все атомы ионизованы. Тщательно отбирая звезды-источники и типы поглощающих атомов, можно уверенно выделить линии межзвездного происхождения.

В 2017 году опубликованы следующие данные:
Дата выхода, обзор, прохождение, системные требования
Где можно скачать игру? На официальном сайте!

Компьютерными играми увлекаюсь давно и фанатею от реально классных проектов, за которыми могу провести большую часть своего свободного времени. Надеюсь, мои обзоры игр на ПК и приставки будут вызывать желание написать отзывы :=)

Отзывы

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *