MODUL 1-2: ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

MODUL 1-2: ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

MODUL 1 - ELEKTROMAGNETISKE BØLGER I 1. modul skal I lære noget omkring elektromagnetisk stråling (EM- stråling). I skal lære noget om synligt lys, IR- stråling, UV- stråling, radiobølger, gamma- og røntgenstråling. I skal stifte bekendtskab med EM- strålings bølge- og partikelegenskaber, en lys partikle kaldes en foton og til tider en bølgepakke. Elektromagnetiske bølger - kræver modsat - lydbølger ikke noget medium at udbrede sig i og kan derfor bevæge sig gennem vakuummet i verdensrummet. Begge bølgetyper er transport af energi. Figur 1: Amplituden aflæses på y- aksen og er den største afstand fra x- aksen. Bølgelængden findes ved afstanden mellem to på hinanden følgende bølgetoppe. Frekvensen defineres ved antallet af bølgelængder pr sekund. Bemærk, at bølger altid har en udbredelsesretning vinkelret væk fra udsenderen. BØLGELÆNGDER OG FREKVENSER En del af det elektromagnetiske spektrum kaldes for synligt lys og er den del af det elektromagnetiske spektrum, som vi mennesker kan se. Men det synlig lys er kun en meget lille del af hele spekteret. 2

Figur 2: Her ses det elektromagnetiske spektrum. Bemærk, hvor lille det synlige spektrum er, - angivet i regnbuens farver. Forskellene på de forskellige slags elektromagnetiske stråler er deres bølgelængder og derved, hvor energirige de er. Bølgelængderne kan variere fra få pm [picometer], 10-12 m, til 1000m. Frekvenser varierer også. Kortbølget EM- stråling har en meget høj frekvens, og langbølget EM- stråling har en lav frekvens. Frekvens er det antal svingninger, der er pr. sekund, og måles i Hertz (Hz). Det vil sige, at hvis tre svingninger passerer et givent punkt på et sekund, er frekvensen af strålingen 3 Hz. Bølgelængde er f.eks. den afstand, der er mellem to på hinanden følgende bølgetoppe. Denne kan variere meget alt efter hvilken type stråling, der er tale om. Bølgelængder kan måles helt ned helt ned til længder, der er mindre en elementarpartikel og helt op til flere kilometer. Astrofysikere kan også sige noget om temperaturen af de objekter, der udsender stråling og normalt vil de højfrekvente bølger stamme fra meget varme objekter og lavfrekvente fra koldere objekter. Det forholder sig på den måde da meget varme objekter udsender store mængder af energirig stråling og energirig stråling hører til i den højfrekvente del af det elektromagnetiske spektrum. 3

Elektromagnetisk energi kan kaldes lys, elektromagnetiske bølger eller stråling og kan beskrives ved frekvens, bølgelængde eller energi. Når vi ser på det synlige lys, altså det lys vi mennesker kan se med det blotte øje, er bølgerne meget korte. Vi bruger derfor, nanometer [nm] til at beskrive korte bølgelængder med, da en nanometer er 10-9 m, altså en milliardtedel af en meter. Inden for astronomi bruger vi ofte begrebet Ångstrøm [Å] i stedet for nanometer, når vi taler om bølgelængder. 1Å = 10nm = 10-10 m. OPGAVE: OMREGN FRA NM TIL ÅNGSTRØM OG TILBAGE IGEN Når vi ser lys i en grøn farve, så har det bølgelængder mellem 495-570nm. Hvad er dette interval i Ångstrøm? Energien kan beregnes ved E = h f, hvor h er Plancks konstant. Endvidere er der følgende sammenhæng mellem lysets hastighed og bølgelængde og frekvens: c = λ f 4

OPGAVE: BEREGNING MED ENERGI, LYSETS HASTIGHED OG FREKVENS [1] c = λ f ud fra denne ligning skal du isolere λ og f [2] E = h f ud fra denne ligning skal du isolere f og h h er Plancks konstant og er h = 6,626 10-34 (J s) Ved at isolere f i [1] kan man substituere f i [2] med et udtryk for f Beregn f, λ og E i følgende opgaver: Sæt lysets fart, c til 299792,458 km/s i alle opgaverne. 1] Radio: En frekvens kunne være 3MHz. Find bølge længden i meter: (hint: brug [1] - pas på enhederne) 2] Mobil tlf. (3G): Bølgelængde ca. 30 cm. Find frekvensen: (hint: brug [1] - pas på enhederne) 3] Mikrobølge ovn: Bølgelængden er ca. 12 cm. Find energien for en foton: (hint: brug[2]) 4] Hvor mange fotoner fra mikrobølgeovnen, skal der til at opvarme 1 kg vand med 1 grad? (hint: c vand fortæller hvor mange joule, der skal tilføres 1 kg vand for at hæve temperaturen netop 1 grad. (c vand = 4210 J/ kg K)) 5

MODUL 2 STJERNERS LYS, TEMPERATUR OG FARVER Vi skal i dette modul lære noget om, hvorfor stjerner lyser, hvilken indflydelse temperaturen har på stjerners farver, og hvordan Jordens atmosfære påvirker de observationer, vi laver af nattehimlen. STRÅLING FRA SOLEN Stjerner udsender lys, fordi der fusion i deres indre. Det er en proces, hvor lette atomkerner smelter sammen til tungere atomkerner. Denne sammensmeltning kaldes som sagt en fusion og producerer meget store energimængder, der er med til at forhindre stjerner i at falde sammen som følge af gravitationskraften. Processen kan se ud som følger: Figur 3: Fusion af hydrogen til helium. Denne proces foregår hele tiden i Solen og andre sollignende stjerner. I større stjerner sker der flere og mere komplicerede processer. 6

OPGAVE: MASSETAB I STJERNE H: 1,00794 u He: 4,00794 u 1 u = 1,66 10-27 kg 1 MeV = 1,602 10-10 j Energi fra Solen pr. sekund = 3,9 10 26 j Jordens masse = 6,0 10 24 1 u kan udtrykkes som energi 1,49 10-10 j 1] Hvad er massetabet ved fusion af hydrogen til helium? 2] Hvad er massetabet i energi? 3] Hvor mange fusionsprocesser sker der pr. sekund i Solen? 4] Hvad er massetabet i Solen pr. sekund? 5] Hvor lang tid er Solen om at smide, hvad der svarer til Jordens masse? Vores sol udsender stråling fra hele det elektromagnetiske spektrum, og det vil sige, at den hele tiden bombarderer Jorden med stråling. En del af den stråling bliver stoppet af vores atmosfære. Ozonlaget, kuldioxid og vanddamp er de gasser, der er bedst til at bremse/absorbere elektromagnetisk stråling. Der er dog nogle dele af det elektromagnetiske spektrum, som kan passere gennem vores atmosfære. Atmosfæren har nemlig et vindue, der lader nogle bølgelængder trænge igennem. Det er fx synligt lys, radiobølger, typer af UV stråling og mikrobølger, der passerer gennem det atmosfæriske vindue. Der er endda visse mikrobølger, der kan sendes gennem skyer. Dem bruger man f. eks. til at kommunikere med satellitter. Hvis man skal observere andre 7

dele af spektret, er man nødt til at placere teleskopet, så man undgår, at bølgerne bliver absorberet af eller reflekteret af jordens atmosfære. De atmosfæriske vinduer samt bevægelse i Jordens atmosfære stiller astrofysikerne en udfordring; for hvordan får man så det bedste udsyn til universet? Hvilke dele af spektret skal man kigge på? Hvilke informationer får man ved at kigge på én type stråling frem for en anden, og hvad nu hvis man kombinerer de indsamlede informationer? For helt at undgå atmosfæriske forstyrrelser kan man sende sit teleskop i kredsløb om Jorden. Man kan gøre som man gør på teleskopet VLT; nemlig at skabe en kunstig stjerne ved hjælp af en laser og derved finde ud af, hvor meget flimmer atmosfæren giver. Herefter deformeres teleskopets spejle på en sådan måde, at der tages højde for flimren og derved fås meget skarpe billeder. Figur 4: Her kan du se, hvor langt ned i vores atmosfære forskellige elektromagnetiske strålingstyper kan gennemtrænge. Der, hvor strålingen rammer overfladen, kaldes et atmosfæriskvindue. Jordens magnetfelt er også med til at beskytte os mod stråling fra Solen - nemlig mod det, der kaldes solvinden, som består af ladede partikler. Nedbremsningen af disse partikler i Jordens magnetfelt er det, der giver det flotte nord- og syd- lys. 8

LYS FRA STJERNER Stjerner findes i mange forskellige størrelser, aldre og farver. De koldeste stjerner er dog stadigvæk flere tusinde grader varme, og vi kan bestemme deres temperatur ved at kigge på deres farve. Kolde stjerner er røde, mens meget varme stjerner er blålige. Her kan du se stjerners farver og temperaturer sammenlignet i en tabel. Temperaturerne er angivet i K, kelvin. Kelvinskalaen kaldes den absolutte temperatur- skala, hvor 0 K er det absolutte nulpunkt, hvor selv atomer holder op med at vibrere. Denne skala er en del af SI- systemet, der er lavet for at eliminere lokale enheder, som man kender fra mange lande, og skal det lettere at kommunikere entydigt på tværs af lande og forskningsinstitutioner. Figur 5: Her kan du se sammenhængen mellem stjernernes overfladetemperatur og farve - læg mærke til, at de røde er koldest, og de blå- violette er varmest. 9

OPGAVE: TEMPERATUR OG HR DIAGRAM (HERTZSPRUNG RUSSEL) 1] Udfyld de manglende temperaturer 0 C = 273,15 K 0K = C 20 C = K 2] Hvad kan du fortælle om HR diagrammet og hvilke informationer kan du finde i diagrammet om stjerner? (Husk at kigge godt på x og y akse samt selve afbildningsområdet) 3] Hvorfor lever de varme stjerner kortere end de kolde stjerner? 10