Астрофизика

 Астрофизика

– раздел астрономии, изучающий физическое состояние и химический состав небесных тел и их систем, межзвездной и межгалактической сред, а также происходящие в них процессы. Основные разделы астрофизики: физика планет и их спутников, физика Солнца, физика звездных атмосфер, межзвездной среды, теория внутреннего строения звезд и их эволюции. Проблемы строения сверхплотных объектов и связанных с ними процессов (захват вещества из окружающей среды, аккреционные диски и др.) и задачи космологии рассматривает релятивистская астрофизика.

Некоторые сведения по фотометрии

Слово фотометрия означает «измерение света». С помощью фотометрического метода можно измерить интенсивность света, приходящего от любого источника лучистой энергии, в том числе и от небесных тел.
Фотометрия подразделяется на точечную и поверхностную. Точечная фотометрия занимается измерением блеска звезд и других точечных источников света. Поверхностная фотометрия изучает яркость светящихся или освещенных поверхностей (поверхности Солнца, Луны, планет, комет, туманностей).
Основной величиной в фотометрии является световой поток – количество световой энергии, протекающей через данную площадку в единицу времени. Понятие световой энергии в данном случае означает лучистую энергию, ощущаемую человеческим глазом или иным заменяющим его приемником радиации (фотопластинкой, фотоэлементом). Световой поток представляет собой часть общего лучистого потока, образованного радиацией всех длин волн, испускаемых данным источником. Поскольку глаз, фотопластинка и фотоэлемент воспринимают излучение разных длин волн в различной степени и в ограниченном диапазоне, они называются селективными приемниками радиации. Световой поток характеризует мощность лучистого потока, оцененную с помощью селективного приемника радиации.
Приемники излучения непосредственно регистрируют следующие фотометрические величины: глаз – яркость и блеск, фотопластинка – освещенность, фотоэлемент – световой поток. Соответственно применяемому приемнику излучения фотометрия разделяется на визуальнуюфотографическую и фотоэлектрическую фотометрию.

Понятие о спектре

Спектр – результат разложения луча электромагнитного излучения, при котором компоненты с различными длинами волн разрешены в пространстве и расположены в порядке увеличения или уменьшения длины волны. Полный спектр электромагнитного излучения охватывает в порядке уменьшения длин волн радио-, микроволновое, инфракрасное, видимое световое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.
Существует три основных типа спектров: непрерывный, эмиссионный линейчатый и линейчатый спектр поглощения.
Высокая температура и давление в недрах звезд приводят к тому, что в них вырабатывается лучистая энергия. При формировании звезды разогрев вещества вызывается постепенным сжатием под действием гравитационных сил. На более поздних стадиях эволюции звезда поддерживает свое излучение за счет термоядерных реакций, проходящих в ее глубоких слоях. В недрах большинства звезд происходит реакция превращения водорода в гелий. Вещество звезды непрозрачно. Слои звезды, из которых излучение может уходить беспрепятственно, называются ее атмосферой.
Излучение испускается как из внешних, так и из более глубоких частей атмосферы (фотосферы). У звезд типа Солнца фотосфера не слишком протяженная, поэтому край солнечного диска виден резко очерченным. Однако существуют звезды, у которых толщина фотосферы составляет заметную долю радиуса звезды и до нас доходит излучение, идущее с разных глубин фотосферы.
Проходя через внешние слои звезды, излучение испытывает поглощение, характер которого зависит как от химического состава, так и от физических условий, господствующих в звездной оболочке. Для определения этих условий излучение, доходящее к нам от звезды, подвергается спектральному анализу

Изобретение спектрального анализа. (Кирхгоф и Бунзен)


Создание метода спектрального анализа представляет собой пример открытия, явившегося результатом длительной подготовительной работы многих ученых. Действительно, еще в оптических экспериментальных установках Ньютона можно найти основные элементы спектроскопа. Многие ученые XIX в. наблюдали так называемые «фраунгоферовы» линии в спектре Солнца. Идея о качественном спектральном анализе высказывалась Дж. Гершелем и У.-Г. Ф. Тальботом. Однако заслуга приведения в систему выполненных ранее наблюдений и строгого обоснования нового метода анализа вещества принадлежит двум немецким ученым: физику Г. Кирхгофу и химику Р. Бунзену. Особое значение имело и то обстоятельство, что работа над теоретическим обоснованием спектрального анализа привела Кирхгофа к открытию важнейшего закона теплового излучения, связавшего два раздела физики: оптику и термодинамику.
Широкую известность Бунзен получил как изобретатель научных приборов. Он усовершенствовал ледяной и паровой калориметры, изобрел гальванический элемент нового типа, разработал специальную газовую горелку, дававшую высокотемпературное и практически не светящееся пламя, и другие приборы. В сотрудничестве с английским химиком Г. Роско Бунзен исследовал фотохимические процессы, принял участие в экспедиции в Исландию, где изучал продукты извержения вулкана Гексла и гейзеры, внес вклад в медицину, открыв противоядие при отравлении мышьяком. Особенно много Бунзен работал над совершенствованием методов анализа газов. Достижения Бунзена в этой области были обобщены в классической монографии «Методы газометрии» (1857 г.).
В 1856 г. Бунзен начал работать над методом анализа газов, основанным на наблюдении окраски пламени. Когда он рассказал о своих изысканиях Кирхгофу, то Кирхгоф заметил, что метод анализа можно сделать более информативным, если наблюдать не просто окраску пламени, а спектр его излучения. Совместная разработка этой идеи привела к созданию спектрального анализа. С помощью нового метода Бунзен и Кирхгоф открыли в 1860 г. цезий, а в 1861г. – рубидий. Вслед за ними спектральный анализ стали применять и другие ученые, вследствие чего на протяжении последующих тридцати лет были открыты еще пять новых элементов. Методом спектрального анализа был открыт и гелий. Что интересно, первоначально он был обнаружен при изучении спектра Солнца (о чем говорит и его название) и лишь значительно позже он был обнаружен на Земле.
Кирхгоф много занимался исследованиями в области электричества. Результаты его исследований явились предвосхищением следствий теории электромагнитного поля Максвелла. Значителен его вклад в обобщение теории дифракции Френеля. Много занимался ученый теорией деформаций и равновесия упругих тел. Ряд работ Кирхгофа посвящен термодинамике растворов. Исследования спектров послужили началом работ Кирхгофа по теории теплового излучения. Еще до начала совместной работы Бунзена и Кирхгофа несколько ученых (Д. Брюстер, Л. Фуко, Дж. Г. Стокс) обратили внимание на близость положения в спектре Солнца темных (фраунгоферовых) D-линий и линий испускания в спектре натрия. Однако достаточно глубоко связь между линиями поглощения и испускания до Кирхгофа никто не исследовал. Он же в 1859 г. обнаружил интересное явление – обращение линий испускания в спектре натрия при пропускании через пламя солнечного света различной интенсивности. При пропускании через пламя ослабленного солнечного света линии в спектре натрия становились ярче. Когда же через пламя с парами натрия пропускался неослабленный солнечный свет, то на месте светлых линий испускания возникали отчетливые темные линии. Это наблюдение побудило Кирхгофа заняться анализом связи между процессами поглощения и излучения, что привело к открытию закона теплового излучения.
В 1862 г. Кирхгоф ввел понятие «абсолютно черное тело» и предложил его модель (полость с небольшим отверстием). С этого времени до начала ХХ в. проблема изучения черного тела рассматривалась как одна из самых актуальных в физике. Ее разработка в конечном итоге привела к созданию квантовой теории излучения