AST1010 En kosmisk reise Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2
Innhold Synkrotronstråling Bohrs atommodell og Kirchhoffs lover Optikk: Refleksjon, brytning og diffraksjon Relativitetsteori, spesiell og generell Kjernefysikk Partikkelfysikk
Synkrotronstråling
Ladede partikler som endrer hastighet vil stråle. I et magnetfelt må en ladet partikkel bevege seg bundet til magnetfeltlinjene. Partikler som går med nær lyshastighet sender ut synkrotronstråling i en smal stråle framover. Synkrotronstråling AST1010 - Stråling 4
AST1010 - Stråling 5
Synkrotronstråling var et problem for atomfysikerne Tidlig på 1900-tallet fikk man et bilde av atomet som elektroner i banerundt en positivt ladet kjerne. Problem: Ustabil situasjon. Elektronene ville stråle vekk energien sin og falle inn i kjernen.
Bohrs atommodell Gjør det mulig å forstå hvordan stråling dannes forklarer Kirchhoffs regler. Bygger på Rutherfords atommodell med en sentral kjerne omgitt av elektroner. Bohr postulerte at det finnes stabile baner der elektronene kan bevege seg uten å miste energi. AST1010 - Stråling 7
Bohratomets baner Hydrogenatom med elektronbanene som sirkler rundt kjernen. Til hver bane svarer en bestemt energi
Hvilke baner er stabile? AST1010 - Stråling 9
Energisprang, bølgelengder og spektrallinjer i hydrogen Spektralserier i hydrogen. Energinivåer i hydrogen. 10
Andre atomer enn hydrogen Andre atomer er mer kompliserte: flere energinivåer, elliptiske baner Natrium som vises her, er mer komplekst enn hydrogen, men kan tilpasses en lignende modell. 11
Bohratomet og Kirchhoffs lover Bohr-atomet kaster lys over Kirchhoffs lover. Forklarer hvorfor: vi får emisjon og absorpsjon på særegne bølgelengder og ikke over alt i spekteret. Dette fordi DE = hn = hc/l hvert grunnstoff har sine egne spektrallinjer. emisjons- og absorpsjonslinjer har samme bølgelengde. Begge de to siste egenskapene bestemmes av energinivåene, dvs. atomets indre struktur. AST1010 - Stråling 12
Eksitasjon fulgt av linjestråling AST1010 - Stråling 13
Eksitasjon, stråling og temperatur Eksitasjon å løfte elektronet fra et lavt energinivå til et høyere nivå. Dette foregår på to måter: ved absorpsjon av et foton med nøyaktig riktig energi slik det er beskrevet foran, ved kollisjon med et fritt elektron i gassen utenfor atomet, der energi tas fra det fri elektronet og brukes til å løfte elektronet inne i atomet opp til et høyere energinivå. Den første måten gir ikke netto bidrag til strålingen: atomet sender ut stråling med samme energi som den som ble absorbert. Den andre måten tar bevegelsesenergi fra gassen av elektroner og denne energien sendes ut som stråling: stråles ut når elektronet faller til en lavere energitilstand. AST1010 - Stråling 14
Optikk
Dopplereffekt og hastigheter Når en lyskilde går bort fra oss (mot oss) blir bølgelengden til strålingen den sender ut lenger (kortere). Kalles Dopplereffekt. Fenomenet forekommer for alle bølger, også lydbølger. 16
Refleksjon og brytning
Linser
Parabolsk speil
Diffraksjon: Lys gjennom spalte
Relativitetsteori
SRs to postulater 1. Lyshastigheten er den samme for alle observatører. 2. Fysikkens lover er de samme for alle observatører i jevn, rettlinjet bevegelse i forhold til hverandre.
Samtidighet er relativt
Den mest berømte ligningen
Universets fartsgrense (?) E mc2 1 v 2 c 2
Hva med gravitasjon? F GMm r 2
Newtons 2. lov: F m t a Gravitasjonsloven : F GM g m g r 2 Det gir : a m g GM g m t r 2 Om akselerasjonen skal være uavhengig av massen : m g m t
Vektløs = fritt fall
Postulater i GR 1. Lysets hastighet er den samme for alle observatører. 2. Fysikkens lover er de samme for alle observatører.
Tidsstrekk (SR)
Tidsdilatasjon (GR)
GPS og Einstein
Kjernefysikk
Protoner og nøytroner bindes sammen av den sterke kjernekraften
Fisjon og fusjon Fisjon: Tung atomkjerne brytes opp i to mindre. Fusjon: To lette atomkjerner går sammen og danner en tyngre. I begge tilfeller blir energien som frigis bestemt av E=mc 2.
Betahenfall og svak kjernekraft
Partikkelfysikk
Kvarker
Krefter formidles av partikler
Mikroskop for partikkelfysikk
Standardmodellen
Behov for ny fysikk? Standardmodellen har ingen partikkel som kan være den mørke materien. Vi vet at nøytrinoer har masse. I standardmodellen er de masseløse. Standardmodellen inkluderer ikke gravitasjon. Standardmodellen forklarer ikke hvorfor massene til elementærpartiklene er så lave.
Neste forelesning: Om teleskoper