教學(xué)課件第7章光譜學(xué)

1、光譜學(xué)1,天體的來源2,天體光譜的形成3,天體譜線的分析和認證4,恒星的光譜和1,天體的來源人類如何去研究遙遠的天體？1. 距離的測定2. 質(zhì)量,大小,形態(tài)3. 物質(zhì)的4. 物理性質(zhì)5. 化學(xué)成份仙女座星系， 距離地球 300 萬光年起源和演化最近的恒星：半人馬a (比鄰星) 4.22 ly（1.3pc）天體獲取的1 電磁輻射（Electromagnetic radiation） 光的輻射2 宇宙線(Cosmic Rays)高能粒子流(:質(zhì)子、氦核、3 中微子(Neutrinos)與物質(zhì)作用極弱,等 原子核)來自恒星和超，1萬億個/秒穿過4 引力波(Gravitational wave )質(zhì)量

2、,光速, 相互作用極弱電磁波 (太陽系外) 天體最重要來源他在1865年作出了“光是電磁波”的著名論斷。光的本質(zhì)在科學(xué)史上第一次揭示了光的本質(zhì)，n 這一論斷在1888年被赫茲通過測量光在真空中場擾動的傳播速度！這一論證石破天驚！對天文學(xué)，乃至整個自然科學(xué)的研究意義深遠：n 1，根據(jù)光速不變現(xiàn)象，直接導(dǎo)致了狹義相對論的誕生。n 2，根據(jù)原子的光譜現(xiàn)象，直接催生了微觀結(jié)構(gòu)的偉大，促使了量子力學(xué)的創(chuàng)立。的傳播速度證實，實驗表明光的速度就是電磁n 從此煌，最激動人心的時期。帶動自然科學(xué)進入了有史以來最輝（J.C.Maxwell)簡介(1831-1879)一、生平在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律那一年，即1831年，

3、韋在英國的愛丁堡出生了。他從小聰明好問。父親是個機械設(shè)計師，很賞識 兒子的才華，常帶他去聽愛丁堡 學(xué)會的科學(xué)講座。十歲時送他到愛丁堡中學(xué)。在中學(xué)階段，他就顯示出了在數(shù)學(xué)和物理方面的才能，十五歲那年就寫了一篇關(guān)于卵形線作圖法的 ，10除了在電磁學(xué)方面的貢獻外，還是分子的奠基人之一。論學(xué)的集大成者，是十九世紀最偉大的科學(xué)家之一。的電磁場理論。成為電磁說，創(chuàng)立了一套完整論證、推廣和提升，提出了渦旋電場和位移電流兩條假等人的研究成果，通過、安培、在電磁學(xué)方面的貢獻是總結(jié)了庫侖、二、主要貢獻。劍橋大學(xué)學(xué)院和業(yè)后，曾先后任丁馬里夏爾學(xué)院、他以后的發(fā)展打下了良基礎(chǔ)。1854年在劍橋大學(xué)畢的指點，很快就掌握了

4、當時先進的數(shù)學(xué)理論。這為和他學(xué)習勤奮，成績優(yōu)異，經(jīng)著名數(shù)學(xué)家考入愛丁堡大學(xué)。1850年又轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)。的學(xué)會學(xué)報上。1847年，十六歲被刊登在愛丁堡無線電波在當代通信中占據(jù)重要地位，通過多種傳輸方式從發(fā)射天線到接收天線。主要空間波，對流層反射波，電離層波和地波。n 在1920年以前，人們只是掌握了無線電波的長波和中波 波段，因為波長越長，越不易受地面 物阻擋，屬地面波。雖然長波在傳播途中的衰減大致 距離成正比， 但是受氣候影響甚微，故迄今仍在極地通信及海上導(dǎo)航中使用。n 中波波段為標準廣播波段，其波長自200545米（頻率10.5MHz）。中波以地波為主，但在晚間也能借助電離層反射傳播。n 1

5、930年，人們開始掌握短波。即使是不太強的無線電短 波也能 大洋，而完成極遠距離通信。這是因為向空中發(fā)射的短波受高空電離層中的離子散射而部分反射回地面，從而覆蓋很大區(qū)域，常用于 通信。n 電視信號、調(diào)頻廣播發(fā)射的頻率在30MHz以上，隨著頻率增大，開始不能被電離層反射而穿透出電離層（直至比光波波長更長，頻率更高的x射線，伽馬射線等波段， 則容易為電離層吸收 ），而且容易被地面吸收，故只 能以直線方式傳播。即使建有高聳的電視發(fā)射塔，傳送距離很難超過100公里。，使光纖通信開始從理想變成可能。光纖數(shù)字的通信系統(tǒng)適用于遠距離、大容量通信 ，目前廣泛地應(yīng)用于市內(nèi)中繼和長途通信干線。n 1970年激光器

6、和低損耗光纖這兩項而不受傳播，由于波長比可見光要長，能穿天氣影響（現(xiàn)代雷達大多數(shù)是微波雷達），利用微波進行通信具有 量大、傳遞質(zhì)量好等優(yōu)點。但是在信號傳遞中 要中繼站在維持信號強度。例如：移動 、小靈通的頻率在幾百MHz以上， 屬于微波通信，基站 間隔在50公里內(nèi)。理論表明，作為載體的無線電波頻率越高，相同時間內(nèi)傳輸?shù)?就越多.因此，幾十年來，無線電通信，電視廣 等所用的頻率越來越高，這中間使用最廣泛的就是微波。n 微波是一種波長比電視波長更短的電磁波，波長范圍1mm1m（頻率： 0.3300GHz ），在對流層中n 但是移動通信系統(tǒng)自從1957年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球以來，世界許

7、多相繼發(fā)射了各種用途的。超過1萬公里，這些都是非同步，它們在一開始，由于火箭推力有限，高度均沒有地球轉(zhuǎn)一圈的時間為幾個小時。對于地球上的觀察者而言，總是不停地地球旋轉(zhuǎn)。為了接收來自地信號，地球站的天線要不停地跟蹤。而當轉(zhuǎn)到地球的另一側(cè)的時候，地球站只有暫停工作，等待再一次轉(zhuǎn)到這一側(cè)的時候繼續(xù)跟蹤。所以一個地球站和之間的通信只能進行幾個小時。非同步雖然具有全球的覆蓋能力，但是非實時的。而且，由于相對地球站相對，由此產(chǎn)生的地面接收的復(fù)雜化。效應(yīng)使接收頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致 等。故這種也稱為靜止，建立（或同步 ）。使數(shù)字微波通信和光纖、-現(xiàn)代通信傳輸?shù)娜笾еSM網(wǎng)絡(luò)用的是雙頻，即0.9/1.8GH

8、z。CDMA網(wǎng)絡(luò)用的是0.8GHz的頻率. 3G網(wǎng)絡(luò)用的是2.1GHz71GHz。最佳的頻率范圍為200GHz10GHz 。分配給移動通信業(yè)務(wù)的頻率范圍為235MHz1. 移動通信業(yè)務(wù)（有時間延遲）；2. 提供偏遠地區(qū)的基本通信（非實時）。非同步系統(tǒng)的主要應(yīng)用有：1. 地面公用網(wǎng)各樞紐站（Hub）之間的干線連接;2. 有利于VSAT終端（甚小天線地球站）的接入；同步系統(tǒng)的主要應(yīng)用有：通信通常也屬于微波通信。的通信線路才成為現(xiàn)實。用了這種同步赤道上空繞地球一周的時間與地球自轉(zhuǎn)一周的時間相在直到1963年7月， 軌道高度得以升高，可使光的波粒二1。 以變化的電磁場傳遞能量，具有特定的波長和強度，

9、是一種波：波動性光波波長范圍：從零點幾毫米到大約零點一微米， 常用：1 10 10 m2。 電磁輻射以光子，光子能量 h n ： 粒子性h ： Plank 常數(shù)2，天體光譜的形成觀測到的光譜可分為三類 Kirchoff 定律連續(xù)譜： 熱的致密的固體，液體和氣體發(fā)射譜： 熱的稀薄的氣體吸收譜： 連續(xù)輻射通過冷的稀薄的氣體黑體氣體吸收線連續(xù)譜發(fā)射線連續(xù)譜 熱輻射可以用黑體輻射來描述, 一個參數(shù): 溫度. 如:恒星光球的輻射宇宙背景輻射(紅外背景, 微波背景) 非熱輻射 高能天體現(xiàn)象, 高速在磁場中有關(guān). 如:活動星系核的射電輻射, 吸積盤輻射譜：用譜指數(shù)n(k)來描述F (k) = C ken(k

10、)123給鐵條加溫1. 溫度低 2. 溫度中等 3. 溫度很高紅色黃色白色黑體譜連續(xù)輻射峰值波長與溫度 :lT = 3(mmK)黑體輻射：峰值波長由溫度決定太陽的觀測曲線和5800K的黑體輻射譜的比較原子結(jié)構(gòu)和原子光譜的形成原子結(jié)構(gòu)： 原子核回繞原子核旋轉(zhuǎn)的 軌道量子化，軌道大小反映了原子能態(tài)的高低原子的能態(tài)： 能態(tài)量子化，原子的能量只能取分立的數(shù)值， 對H原子：En Eo / n2 ，如果用圖表示就是通常的能級圖發(fā)射和吸收 從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)：發(fā)射光子，產(chǎn)生發(fā)射線 從低到高：吸收光子，產(chǎn)生吸收線 光譜： 分立能級之間的可能躍遷組合(選擇定則)原子光譜的形成n 每一種化學(xué)元素加熱到白熱化自激

11、發(fā)發(fā)射特有的本征譜線n 每一種化學(xué)元素低溫時受激吸收吸收特有的本征譜線連續(xù)光譜和發(fā)射線發(fā)射線光譜的形成在束縛軌道上連續(xù)光譜和吸收線吸收線光譜的形成H原子Balmer 線系吸收發(fā)射Ha 6563系列電離電勢13.6eV H原子能級及其譜線Balmer系限3646埃Lyman系限912埃紫外可見光紅外氫原子光譜: 波長 (埃)Lyman 線系n1=1Balmer 線系n1= 2Paschen 線系n1= 3Brackett 線系n1= 4Pfund 線系n1= 5n2 = 21216n2 = 310266563n2 = 4972486118750n2 = 595043411282040500n2

12、= 6938410210940263007460091236478210,天體譜線的分析和認證天體的光譜分析光譜學(xué)：天體的最基本工具通過對天體所發(fā)出的光譜的分析可以研究天體的學(xué)性質(zhì): 如視向速度Vr物理性質(zhì) : 溫度T, 壓強P, 質(zhì)量M, 磁場B 等化學(xué)性質(zhì) : 化學(xué)成分,元素豐度天體光譜的情況譜線的基本特征: 深度, 寬度, 形狀, 位移(位移)光譜儀入射光按波長實現(xiàn)分離( spectrograph )三棱鏡prism光柵grating發(fā)射譜和吸收譜線示意圖熱的致密的冷的稀薄的吸收譜線（必然與連續(xù)譜一起）熱的稀薄的發(fā)射譜線(不一定有連續(xù)譜)恒星HD116608的光譜強度I(n)或I(l)吸

13、收線由什么產(chǎn)生？頻率或波長恒星大氣光譜恒星的光譜譜線的證認 根據(jù)原子的能級分布, 每種原子都有特有的譜線圖譜 任何兩種原子或離子其譜線圖譜都是不同的 只要有兩條以上的譜線, 就可以確定是什么元素 如果有紅移, 各譜線同時位移太陽光譜中元素的證認太陽大氣的化學(xué)成分通過比較觀測得到的太陽光譜和中各種元素的光譜，可以確定太陽大氣中各元素的相對豐度。 按質(zhì)量計： H：70， He：28 重元素：2X=0.7, Y=0.28, Z=0.02按數(shù)目計： H：90.8， He：9.1重元素 0.1太陽光譜研究太陽光譜（連續(xù)譜、發(fā)射線和吸收線）可給出太陽大氣的結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)、化學(xué)成分以及太陽活動的性質(zhì)等。測量

14、天體磁場的塞曼效應(yīng)：19世紀末家發(fā)現(xiàn)在均勻磁場中，原子輻射產(chǎn)生的某一條發(fā)射譜線要 為兩條或三條，程度與磁場強弱有關(guān)。天文學(xué)家利用塞曼效應(yīng)設(shè)計出觀測太陽和恒星磁場的 。太陽是目前唯一的一顆能給出表面磁場分布的恒星。塞曼效應(yīng) 從高能級躍到低能級，發(fā)射一定頻率的譜線 有磁場時，能級導(dǎo)致譜線分裂 寬度與磁場強度成正比，因此可以測磁場觀測到的譜線譜線的位移(Doppler shift) 由于輻射源在觀測者視線方向上的 而造成接收到的電磁輻射頻率（或波長）發(fā)生變化的現(xiàn)象 輻射源遠離觀測者， 波長變長（頻率變高）譜線紅移 輻射源接近觀測者， 波長變短（頻率變低） 譜線波長增加方向 位移示意圖紅移和天體源的發(fā)

15、射譜源靜止坐標觀測到的譜紅移類星體3C273光譜 z = 0.158譜線位移 紅移zlobs = l0 (1+z)Ha: 6563 7600Lya 1216 最遠的天體 8755 (2002年11月)QSO z = 6.2v = 0.962c宇宙的尺度為: v / H0= 86 h-1 108 ly如果h = 0.6 140 億光年譜線致寬 在沒有外界因素的情況下，原子的譜線寬度非常窄（近似于d 函數(shù)） 實際觀測到的譜線都有一定的寬度，有些還非常寬。致寬1。輻射源內(nèi)部原子的熱， 這是一種無規(guī)2。輻射源的整體，如轉(zhuǎn)動譜線的基本性質(zhì)和天體物理量峰值頻率（連續(xù)譜）譜線位置， 譜線強度譜線輪廓, 位置譜線強度, 寬度Zeeman, 偏振位移 有效溫度 化學(xué)元素，視向速度 化學(xué)元素的豐富度