Тема «Применение метода спектрального анализа для изучения космических объектов»

Предмет :астрономия

Класс:11

Цель урока: разъяснить учащимся роль спектрального анализа в науке и технике, закрепить понятие дисперсии способствовать формированию познавательных способностей учащихся; развивать умение применять свои знания на практике, продемонстрировать мощность метода спектрального анализа, используя знания учащихся о Солнце, звёздах, спектрах.

Тип урока: урок открытия новых знаний

Демонстрации: 1. Таблица «Спектроскоп, спектрограф».

2. Наблюдение сплошного спектра.

3. Компьютерная презентация «Спектры. Спектральный анализ».

Оформление: плакаты «Фраунгоферовы линии», «Спектральные линии водорода, гелия», «Строение Вселенной».

Ход урока

1. Организационный момент (2 мин)

2. Активизация знаний учащихся по теме «Спектры» в ходе фронтальной беседы (5 мин)

 1.Что понимают под спектром?

2.Назовите виды спектров. Дайте их краткую характеристику. Что такое спектры поглощения, как они получаются? Каково главное свойство линейчатых спектров?

3. Чем отличается спектр, полученный с помощью дифракционной решетки, от спектра, полученного с помощью трехгранной призмы?

4.Какой спектр дает раскаленный кусок железа? Расплавленное железо? Пары железа?

5. Является ли спектр лампы накаливания непрерывным?

Для конспекта ученика.

- Спектральным анализом называется метод изучения химического состава вещества, основанный на исследовании его спектров.

-Типы спектров излучения: 1) сплошной; 2) линейчатый испускания и линейчатый поглощения; 3) полосатый.

3. Введение в задачу, её обсуждение (30 мин)

Основные направления применения спектрального анализа таковы:

1.     физико-химические исследования;

2.     машиностроение, металлургия;

3.     атомная индустрия;

4.     астрономия, астрофизика,

5.     криминалистика.

На  сегодняшнем уроки поговорим о применении спектрального анализа в астрономии.

Применение в астрономии

Спектральный анализ очень широко применяется в современной астрономии. Это метод, способный выдавать самые подробные и уникальные сведения об объектах космоса. 

Анализируя излучения объекта, можно очень точно установить его основные характеристики. 

Распространение света имеет вид электромагнитных волн. Для каждого цвета характерна длина волны определённой величины. Длина волны уменьшается в спектре от 7000 Ангстрем до 4000 Ангстрем, от красных лучей – к фиолетовым. После фиолетовых лучей располагаются ультрафиолетовые лучи. Они не улавливаются глазом, но фиксируются приборами.

После ультрафиолетового идут рентгеновские лучи — они имеют еще меньшую длину волны.

Другая сторона спектра, красная, продолжается инфракрасными лучами, также невидимыми человеческому глазу, но улавливаемыми специально подготовленными фотопластинками.

Спектральные наблюдения – это исследования лучей в диапазоне цветов от ультрафиолетового до инфракрасного.Насыщенность спектральных линий определяет количество молекул и атомов, излучающих или поглощающих энергию. Количество атомов тем больше, чем ярче линия в излучаемом спектре и темнее в поглощаемом.

Для Солнца и всех остальных звёзд характерно наличие газовой атмосферы. Излучение, проходящее через атмосферу, проявляется тёмными линиями поглощения на непрерывном спектре видимой поверхности. Для таких объектов – это спектры поглощения.

Спектральный анализ, базирующийся на принципе Доплера, позволяет определять скорости движения небесных тел относительно нашей планеты по лучу зрения. У Приближающегося к наблюдателю источника света укорачиваются длины волн, а если источник удаляется, то длины волн будут увеличиваться.

 Если тело движется на Земле, то его скорость вызывает ничтожные смещения линий в спектре. И даже скорости небесных тел, имеющие значения десятков и сотен км./сек., видимы в настолько малых смещениях, что наблюдение их на спектрограммах реально только помощи микроскопа.

Полученная спектрограмма светила сравнивается с эталонами, которыми служат спектрограммы земных источников излучения, например, неоновой лампы. Относительно неподвижного спектра в эталонах определяется сдвиг спектральных линий наблюдаемого объекта. Этот сдвиг очень мал, и величина его исчисляется десятыми и сотыми долями миллиметра.

Значение для космологии

В настоящее время все спектры химических элементов определены и сведены в специальные таблицы. Спектральный анализ позволил открыть некоторые неизвестные элементы, например, рубидий и цезий.

 И эти новые элементы иногда получали названия, соответствующие цветам преобладающих линий спектра: рубидий даёт тёмно-красные линии, а цезий (небесно-голубой) – голубые. Только спектральный анализ помог определить химический состав нашего светила и других звёзд. Использование иных методов для достижения этой цели не представляется возможным.

Как оказалось, и на нашей планете, и на далёких звёздах присутствуют одинаковые химические элементы. Астрофизика, используя спектральный анализ, узнаёт характеристики, которыми обладают звёзды, газовые облака и другие объекты. Это химический состав, температура, скорость движения, магнитная индукция, давление.

Все эти величины определяются только анализом спектральных линий космических объектов. Приняв на вооружение эффект Доплера, стало возможным измерение лучевых скоростей тысяч звёзд, газовых туманностей и других внегалактических объектов. Определились закономерности движения отдельных светил и вращения звёздных систем. Были установлены величины масс галактик и звёздных скоплений.

Используя эффект, открытый голландским физиком Зееманом, можно определять параметры космических магнитных полей. Сильные магнитные поля расщепляют линии спектра. Такой эффект создаёт и поле электрическое, которое может возникать в звезде на непродолжительное время (эффект Штарка).

Ещё по теме:

• Во многих звёздных системах есть планеты, которые вращаются по очень близким к своей звезде орбитам (примерно, как Меркурий), при этом сами планеты огромны – зачастую больше Юпитера. Существовала гипотеза, что такая система неустойчива: планета должна либо упасть на звезду, либо катапультироваться в космическое пространство.В 2001 г. астрономам удалось связать концы с концами. Как вы думаете, что помогло им?

Ответ. В спектре излучения звезды HD82943 обнаружили линию, принадлежащую изотопу ⁶Li. Этот изотоп обычен для вещества планет и очень не характерен для звёзд (он быстро, за 30 млн лет, сгорает в пламени ядерных реакций). Значит, система действительно неустойчива, и звезда недавно поглотила планету.

• Комета Темпеля обращается вокруг Солнца с периодом 5,5 лет, то приближаясь к нему на расстояние 0,5 а.е., то удаляясь на 1,6 а.е. Состав комет мог бы многое рассказать об эволюции нашего космического дома. В январе 2004 г. к комете отправился ракетоноситель DeepImpact, который состоял из двух частей: зонда-бомбардировщика, нашпигованного фото- и видеоаппаратурой и спектрографами, и бомбы из меди (спектральные линии этого металла хорошо известны). Каково, по вашему мнению, назначение обеих частей?

Ответ. 4 июля 2005 г., как раз в День независимости США, зонд-бомбардировщик выстрелил в ядро кометы медным снарядом массой 370 кг. Удар привёл к образованию кратера диаметром 100 и глубиной 25 м, огромного по земным меркам и ничтожного по сравнению с кометой, так что за неё можно не беспокоиться. За кометой до, во время и после обстрела наблюдали несколько наземных и космических телескопов. И вот сейчас опубликованы результаты наблюдений космического телескопа Swift, работавшего в рентгеновском диапазоне длин волн. Результаты оказались довольно неожиданными. После удара снаряда заметно увеличилась интенсивность рентгеновского излучения ядра – к исходному уровню она вернулась только через 12 суток. Дело в том, что это рентгеновское излучение возникает при бомбардировке частицами солнечного ветра молекул воды, вылетающих с поверхности ядра кометы и образующих вокруг него некое подобие атмосферы. Чем больше воды выбрасывается из ядра, тем интенсивнее рентгеновское излучение. Учёные подсчитали, что до бомбардировки в окружающее пространство ежедневно выбрасывалось в среднем около 16 тыс т воды, а после взрыва – до 40 тыс. т. Другими словами, взрыв спровоцировал выброс из ядра кометы 250 тыс. т воды. Причём выброс этот оказался довольно продолжительным.

• Данные спектрометров позволили учёным узнать химический состав кометы. Какие химические составляющие кометы нельзя было определить?

Ответ. Медь, из неё сделана бомба.

Дополнение учителя. В выброшенном после столкновения с зондом материале, помимо воды и углекислого газа, были зафиксированы ацетилен, аммиак, синильная кислота. Выяснилось также, что ядро кометы состоит из очень пористого материала, что позволяет поверхности нагреваться и остывать, почти не затрагивая глубинные слои. Неожиданностью стало наличие кратеров на поверхности ядра («Компьютера», 2005, № 33).

• В ходе компьютерного анализа индивидуальных спектров 200 тыс. галактик, расположенных в пределах 2 млрд св. лет от Земли, группа американских учёных обнаружила, что наша Вселенная окрашена в бирюзовый цвет. За голубую часть спектра ответственны молодые звёзды, а сдвиг в красную область характерен для старых светил. Скорее всего, процесс звёздообразования начался уже спустя миллионы лет после Большого Взрыва, а его максимум пришёлся на 6 млрд лет от рождения Вселенной.

Ответ. Объекты Вселенной не сохраняются неизменными, а находятся в процессе постоянного изменения, развития и взаимодействия.

• Наиболее затратные и ориентированные «на перспективу» направления космической деятельности ещё очень долго, если не навсегда, останутся бюджетными. Так, 3 июля 2002 г. с авиабазы на мысе Канаверал, в рамках четырёхлетней программы NASA по изучению комет, был запущен космический летательный аппарат Contour (Comet Nucleus Tour). Стоимость проекта составила 159 млн долл. Предполагалось, что он, встретясь с кометой Энке, проследует к комете Швассмана–Вахмана-3 и достигнет её в 2006 г. С помощью спектрографа аппарат сможет получить подробную информацию о составе кометных ядер. Однако в середине августа 2002 г связь с аппаратом прервалась.

IV.Итоги урока

V.Домашнее задание:подготовить презентацию «Спектральный анализ –применение для исследования космических объектов»