Какая физика изучает космос

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2» муниципального образования

«Лениногорский муниципальный район» Республики Татарстан

на тему: «Физика и космос»

ученицы 11 Б класса

II. Физика и космос

III. Астрофизические методы

IV. Астрофизические инструменты

— Ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма – излучения

V. Нейтринная астрономия

VII. Список литературы

По ходу знакомства с окру­жающей нас Вселенной возникали новые области познания. Рождались отдельные направления исследова­ний, постепенно складывавшиеся в самостоятельные научные дисципли­ны. Все они, разумеется, объединя­лись общими интересами астроно­мии, но сравнительно узкая спе­циализация внутри астрономии все больше и больше давала себя знать.

Астрофизика — та отрасль астроно­мии, которая изучает физическую природу небесных тел. А стало это возможным благодаря изобретению телескопа, который далекое сделал близким и позволил рассмотреть удивительные подробности на небе и небесных телах. Особенно бурное развитие астрофизика испытала с открытием спектрального анализа в XIX в. Стремительный рост астрофизических знаний, невиданно быстрое расширение средств иссле­дования физики космоса продол­жается и в наше время.

Мы хотели бы больше узнать о физической сфере астрономии. Данная тема актуальна особенно в этом году, так как 12 апреля 2011 года исполнилось 50 лет со дня первого полета в космос, также в последнее время профессии в области астрономии очень популярны. Данный материал может быть использован преподавателями и учениками в школах.

Цель данного реферата: изучение темы, обучение методике анализа, обобщения, осмысления информации и приобретение знаний по прочитанному курсу.

— изучение литературы, связанной с физикой и астрономией;

— сбор и обобщение материала;

— написание и оформление реферата;

— представление реферата в медиаприложении.

Ещё с древних времен бесконечно-глубокое пространство, усыпанное множеством сияющих алмазов, манило людей и притягивало их взгляды…

С тех пор как на Земле существуют люди, они всегда жаждали знать больше о небесных телах, о далеких звездных мирах, о необъятной волшебной вселенной…

Древние китайцы изучали звездное небо и составляли самые первые звездные карты… Древние египтяне наблюдали за Луной, Солнцем и звездами… Наконец человек достиг того, к чему стремился многие миллионы лет…

Астрофизика – именно та наука, которая позволила человеку сделать важнейшие открытия в самых далеких уголках вселенной. Астрофизика – раздел астрономии, изучающий физическую природу небесных тел и их систем, их происхождение и эволюцию.

Как ясно из самого названия, астрофизика – это физика небесных тел. Космос является по существу большой физической «лабораторией», где возникают условия, часто совершенно недостижимые в земных физических лабораториях и представляющие поэтому исключительный интерес для науки.

Астрофизика обнаружила большое разнообразие в звездном мире. Звезды отличаются температурами, светимости (т.е. мощностями излучения), размерами и др. характеристиками. Классификация зрения основывается на сравнительном изучении их спектров. Между спектрами звезд и их светимости установлена определенная связь, выражающаяся диаграммой спектр — светимость. Большинство зрение размещается почти по диагонали диаграммы, образуя главную последовательность (к ней принадлежит и Солнце). Многие зрение не укладывается в главную последовательность и образует особые классы. Таковы, например, классы относительно холодных звезд, классы гигантов и сверхгигантов и т.д. Очень интересен класс белых карликов — горячих звезд сравнительно небольших размеров с очень большой плотностью (до 105 — 106 г / см 3). Наблюдается много двойных звезд, кратных звезд, а также переменных звезд разных типов. Особенно интересны новые звезды, которые внезапно вспыхивают, усиливая свое излучения в десятки тысяч раз. Астрофизика достигла больших успехов в изучении звездных атмосфер, в частности атмосферы Солнца. В нижней части солнечной атмосферы — фотосфере возникает излучение с непрерывным спектром. В расположенном над ней преобразующем слое происходят сложные процессы, под влиянием которых в спектре Солнца возникают темные линии поглощения — Фраунгофера линии. Еще выше находится хромосфера. Внешняя часть солнечной атмосферы — солнечная корона — очень обширным образованием, во время полных солнечных затмений наблюдается в виде серебристого сияния. Различные свойства солнечной короны, которые долгое время казались загадочными, объясняются ее высокой кинетической температурой, достигающей миллионов градусов. Процессы в атмосфере Солнца влияют на геофизические явления.

Внутреннее строение Солнца и зрение можно вычислить теоретически, на основании законов механики и физики. Расчеты показывают, что температура, плотность и давление звездного вещества с приближением к центру звезды растут. Источником энергии большинства звезд главной последовательности, очевидно, термоядерные реакции, которые сопровождаются превращением водорода в гелий.

Большой интерес представляют нестационарные звезды, в которых относительно быстро происходят изменения физических свойств. Изучение этих зрение является основой решения проблемы звездной эволюции. Значительно развилась физика газовых туманностей, особенно планетарных. Их свечение вызывается флуоресценцией под воздействием излучения горячих звезд.

Важных результатов достигла астрофизика в изучении планет. В частности, исследования поверхности Марса позволили приблизиться к решению вопроса о жизни на этой планете. Астрофизика успешно изучает физические особенности комет. Исследование метеоров составляет не только астрофизический, но и геофизический интерес, так как оно связано с проблемой верхних слоев атмосферы.

В развитие астрофизики большой вклад внесли советские ученые. Имена Ф. А. Бредихина, А. А. Белопольского, Г. А. Тихова, В. Г. Фесенкова, С. В. Орлова и многих других связанны с разработкой основных разделов астрофизики. Академик В. А. Амбарцумян и его ученики выполнили фундаментальные исследования в изучении газовых туманностей и звездных атмосфер, по теории рассеяния света, физики нестационарных звезд и в других областях астрофизики. Больших успехов достигнуто в изучении процессов на Солнце (Э. Р. Мустель, А. Б. Северный, В. А. Крат, И. С. Шкловский и др.), в изучении планет (Г. А. Тихов, Н. П. Барабашев и др.), межпланетной среды (В. Г. Фесенкова и др.).

Главной задачей при изучении планет является приведение в систему многочисленных фактов и создание цельного представления о их природе.
Изучение движения планет велось с незапамятных времён, в силу того, что космические тела, например Луна, наблюдаемы с Земли без специальных аппаратов. Визуально можно заметить ассиметричное строение полушарий нашего спутника. Но настоящее изучение планет, их особенностей началось с помощью физики и телескопов. На основе этих наблюдений были объяснены лунные затмения, влияние Лунных фаз на состояние человека и природные явления.

На основе данных наблюдательной астрофизики, опираясь на законы физики, астрономы делают выводы об условиях в небесных телах, которые непосредственно не наблюдаются. Например, рассчитывают внутреннее строение звёзд и Солнца с использованием наблюдательных данных об условиях на их поверхности. Теоретическая астрофизика позволяет также описать эволюцию Солнца, звёзд и других небесных тел.

Среди методов астрофизики большое значение имеет астрофотометрия, задачей которой является измерение блеска небесных тел с помощью визуальных, фотографических и фотоэлектрических наблюдений. Еще большую роль в астрофизике играет астроспектроскопия. Изучение спектров небесных тел позволяет судить о химическом составе и физическом состоянии вещества на этих телах, определять температуру зрение, вычислять скорость приближения или удаления звезды, делать выводы о вращении звезд, о различных физических процессах, происходящих в атмосферах Солнца и звезд, в газовых туманностях и в межзвездной среде. В связи с запуском в СССР первых искусственных спутников Земли и Солнца астрофизика получила новые методы исследований. Аппаратура, установленная на спутниках, позволяет регистрировать излучение небесных тел далеко за пределами атмосферы Земли.

Астрофизические методы исследования имеют две существенные особенности, отличающие их от методов лабораторной физи­ки. Во-первых, в лаборатории физик сам ставит экспе­рименты, подвергает исследуемые тела различным воз­действиям. В астрофизике возможны только пассивные наблюдения, так как пока нельзя проводить эксперимен­ты, например, на звездах. Во-вторых, если в лаборато­рии можно непосредственно измерять температуру, плотность, химический состав тел и т. д., то в астрофи­зике почти все данные о далеких небесных телах полу­чают с помощью анализа приходящих от них электро­магнитных волн — видимого света и других, невидимых глазом лучей.

Какие же особенности планет и Луны были выявлены и объяснены астрофизиками?
Луна вращается в течение одного и того же времени, как вокруг своей оси, так и вокруг оси Земли, следовательно, земляне видят только одну сторону этого космического тела. Поэтому астрофизика позволила с помощью радиолокации, основанной на физических законах, составить карту лунной поверхности, видимой с Земли. Огромные углубления были названы морями, но без воды, а светлые участки это настоящие горы, высота которых достигает 8000 метров. Обнаружены острые скалы, огромное количество кратеров вулканического и метеоритного происхождения.

Основу астрофизики составляют астрофизические наблюдения. При этом важнейший метод — спектральный анализ, т. е. исследование потока энергии приходящего на землю излучения в зависимости от длины электромагнитных волн. Электромагнитные волны несут информацию об условиях в веществе, где они зарождаются или испытывают поглощение и рассеяние. Задача спектрального анализа — расшифровать информацию. Появление спектрального анализа во второй половине двадцатого века сразу позволило делать выводы о химическом составе небесных тел.

Одним из первых блестящих достижений астрофизики, полученных с помощью этой экспериментальной методики, явилось открытие неизвестного ранее элемента – гелия — при изучении спектра хромосферы Солнце во время полного затмения в 1968г. В дальнейшем, в результате развития экспериментальной и теоретической физики стало возможным с помощью спектрального анализа определять буквально все физические характеристики небесных тел и межзвёздной среды.

Спектры позволяют узнать темпера­туру газа, его плотность, относительное содержание разных химических элементов, состояние атомов этих элементов, скорости движения газа, напряженности маг­нитных полей. По спектрам звезд можно также вычи­слить расстояние до них, узнать их скорости движения по лучу зрения, измерить вращение и выяснить многое другое.

В современных спектральных, приборах, применяемых в телескопах, используют новейшие фотоэлектрические приёмники излучения, которые гораздо точнее, чувствительнее, чем фотопластинка или человеческий глаз.

Фотоэлементы – это устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. Фотоэффе кт — испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Бурное развитие экспериментальной физики привело к созданию астрофизических инструментов, предназначенных для изучения невидимых глазом электромагнитных волн.

Астрофизика стала «многоволновой» . Это, конечно, неизмеримо расширило ее возможности получать информацию о небесных телах. Еще в 30-е гг. текущего столетия было открыто радиоизлучение нашей Галакти­ки. В последующие годы построены гигантские радиоте­лескопы и сложные системы таких радиотелескопов. С помощью радиотелескопов наблюдают, например, холодный межзвездный газ, не излучающий видимого света, изучают движение электронов в межзвездных магнитных полях. Радиоизлучение приходит на Землю от далеких галактик, часто свидетельствуя о происходя­щих там бурных взрывных процессах.

Декабрь 1931 года . В одной из армейских лабораторий ее сотрудник Карл Янский изучает атмосферные помехи радиоприему. Нормальный ход радиопередачи на волне 14,7 м нарушен шумами, интенсивность которых не остается постоянной. Постепенно выясняется загадочная периодичность — каждые 23 часа 56 минут помехи становятся особенно сильными. И так изо дня в день, из месяца в месяц.

Впрочем, загадка быстро находит свое решение. Странный период в точности равен продолжительности звездных суток в единицах солнечного времени. Через каждые 23 часа 56 минут по обычным часам, отсчитывающим солнечное время, земной шар совершает полный оборот вокруг своей оси, и все звезды снова возвращаются в первоначальное положение относительно горизонта любого пункта Земли.

Отсюда Янский делает естественный вывод: досадные помехи имеют космическое происхождение. Какая-то таинственная космическая «радиостанция» раз в сутки занимает такое положение на небе, что ее радиопередача достигает наибольшей интенсивности.

Янский пытается отыскать объект, вызывающий радиопомехи. И, несмотря на совершенство радиоаппаратуры, виновник найден. Радиоволны исходят из созвездия Стрельца, того самого, в направлении которого находится ядро нашей звездной системы — Галактики. Так родилась радиоастрономия — одна из наиболее увлекательных отраслей современной астрономии

Радиоастрономия – часть астрофизической науки — стала одним из основных способов изучения нейтронных звёзд-пульсаров. Радиоволны несут сведения об остатках вспышек сверхновых звёзд и о совершенно удивительных условиях в плотных газовых облаках.

При падении 30 июня 1908г. Тунгусского метеорита по всей центральной Сибири был виден большой ослепительно-яркий болид. Установлено, что в земную атмосферу со скоростью 70 км/с. влетело метеоритное тело массой более 1000000 тонн, коснулось Земли, снова взлетело в небо и, пролетев какое-то расстояние, упало окончательно. Удары огромной силы были слышны в тысяче километров от места падения. Волна сжатия, созданная в атмосфере, несколько раз обошла вокруг Земли. Колебания магнитного поля, затухая, длились несколько часов. Характер этих колебаний удалось определить лишь с помощью астрофизических наблюдений.

Наконец, ярчайшее открытие! Радиоастрономия позволила открыть реликтовое излучение Вселенной — слабое электромагнитное излучение, заполняющее всю Вселенную и имеющее температуру около 3 К.

Радиоастрономия использует сейчас самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенные системы. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаются не досягаемыми для обычных оптических телескопов. Радиоастрономия стала неотъемлемой частью современного естествознания. Перед человечеством раскрылся радио космос — картина Вселенной в радиоволнах.

Мы живем в мире волн. Любое тело, будь то книга, ваше тело или звезда, излучает энергию в форме электромагнитных волн. Человеческий глаз чувствителен далеко не ко всем из них. Лишь ничтожная доля электромагнитных волн, попадая на сетчатку глаза, вызывает ощущение света. Но и этой доли оказывается достаточно, чтобы наполнить земной шар сиянием солнечного света и гаммой всевозможных красок. Быть может, наша ограниченность в восприятии электромагнитных волн есть благодетельная забота о нас самой природы. Ведь если бы человек воспринимал все излучения, существующие в природе, не был ли бы он подавлен их бесконечным многообразием?

Много интересного узнали астрофизики с помощью инфракрасных лучей, которые свободно проходят сквозь облака пыли, поглощающие видимый свет. Инфракрасное излучение – это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и коротковолновым радиоизлучением. За красной границей видимого спектра лежит область невидимых инфракрасных лучей. Некоторые из них, с длиной волны значительно меньшей одного сантиметра, способны заметно нагреть наше тело, и потому их иногда называют тепловыми лучами. Когда вы подносите руку к раскаленному утюгу и на каком-то расстоянии чувствуете его тепло, в этот момент ваша рука подвергается именно этих инфракрасных, «тепловых» лучей.

Так, в инфракрасных лучах наблюдаются процессы в ядре нашей Галактики, а также «молодые» звезды, зарождающиеся в плотных газово-пылевых комплексах.

Ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма – излучения

Особый интерес для астрономии имеет астрофизика высоких энергий, изучающая процессы бурного выделе­ния энергии, часто связанные с катастрофическими явлениями в небесных телах. Возникающее при этом электромагнитное излучение имеет высокую частоту, соответственно короткую длину волны и относится к невидимым ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучам. Ультрафиолетовые лучи — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовым концом видимого излучения и рентгеновским излучением. Рентге новские лучи — электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее спектральную область между гамма- и ультрафиолетовым излучением. Гамма-лучи — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными (Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны.) и слабо выраженными волновыми свойствами.

Хорошо известно, что по обе стороны видимого спектра располагаются области невидимых излучений. Таковы ультрафиолетовые лучи с длиной волны меньше 400 миллимикрон. Они обнаруживают свое существование по-разному. В жаркий солнечный день некоторые из них вызывают загар на нашей коже. Те же лучи сильно воздействуют на эмульсию обычных фотопластинок, оставляя на ней хорошо видимые следы. К ультрафиолетовым лучам примыкают рентгеновы лучи, широко применяемые в медицине. Наиболее коротковолновые из известных излучений, так называемые гамма лучи, выделяются при радиоактивном распаде. Их энергия весьма велика и они очень опасны — мощное гамма-излучение может породить мучительные явление лучевой болезни

Эти виды излучений поглощаются земной атмосферой. Поэтому развитие данных разделов наблюдательной астрофизики стало возможно только с началом косми­ческой эры, после создания обитаемых и автоматичес­ких научных станций за пределами земной атмосферы.

Астрофизика высоких энергий привела ко многим удивительным открытиям. С помощью рентгеновских телескопов были открыты горячий газ в скоплениях галактик, импульсное рентгеновское излучение нейтронных звезд в двойных звездных системах. Наконец, было открыто излучение сильно — нагретого плотного газа, по-видимому, закручивающегося вихрем при паде­нии в черную дыру. Гамма-телескопы позволили обна­ружить в центре нашей Галактики процессы аннигиля­ции электронов и позитронов — превращения их при столкновении в гамма-излучение.

Это новый раздел наблюдательной астрономии, связанный с поиском и исследованием потоков Нейтрино от источников внеземного происхождения начал развиваться в 80-е годы. Нейтрино является единственным видом излучения, который приходит к земному наблюдателю из самых глубоких недр Солнца и звёзд и несёт в себе информацию об их внутренней структуре и о происходящих там процессах. Современные средства регистрации нейтрино допускают возможность обнаружения нейтринного излучения лишь от Солнца и сверхновых звёзд нашей Галактики.

Уже первые данные о потоках солнечных нейтрино позволили сделать очень интересные гипотезы в процессах термоядерного синтеза в недрах солнца; их предстоит проверить в будущих опытах.

Существование мощного потока нейтрино от Солнца вытекает из современной концепции происхождения и строения Солнца, согласно которой его светимость полностью обеспечивается энергией термоядерного превращения водорода в гелий в центральной области Солнца. Как показывают расчёты моделей Солнца, основной вклад в энерговыделение даёт водородный цикл, а доля углеродно-азотного (CNO) цикла составляет не более 1% .

Первые эксперименты по наблюдению солнечных нейтрино осуществлены американским учёным Р. Девисом с сотрудниками в 1967—68 с помощью радиохимического нейтринного детектора, содержащего 610 т жидкого перхлорэтилена (C₂ Cl₄ ).

Потоки нейтрино от других «спокойных» звёзд, даже самых близких, очень малы и не могут быть зарегистрированы современными методами. Вместе с тем вполне осуществимой представляется задача наблюдения нейтринных вспышек от звёзд в момент их гравитационного коллапса. Наиболее вероятными объектами являются сверхновые звёзды нашей Галактики, непосредственно перед взрывом которых происходит коллапс центрального ядра. Нейтринная вспышка может быть зарегистрирована даже в том случае, если сверхновая оптически не наблюдаема. Длительность такой вспышки 0,01 сек . Измеряя время запаздывания начала вспышки, зарегистрированного детекторами в разных местах земного шара, можно установить направление прихода нейтринного излучения. Вспышки могут быть зарегистрированы водородсодержащим сцинтиллятором массой в несколько сотен т в виде характерной серии импульсов. Такие эксперименты проводятся в России и в США.

На протяжении тысячелетий астрономы получали только ту информацию о небесных явлениях, которую им приносил свет. Можно сказать, что они изучали эти явления через узенькую щель в обширном спектре электромагнитных излучений. Три десятилетия тому назад благодаря развитию радиофизики возникла радиоастрономия, необычайно расширившая наши представления о Вселенной. Она помогла узнать о существовании многих космических объектов, о которых ранее не было известно. Дополнительным источником астрономических знаний стал участок электромагнитной шкалы, лежащий в диапазоне дециметровых и сантиметровых радиоволн.

Огромный поток научной информации приносят из космоса другие виды электромагнитного излучения, которые не достигают поверхности Земли, поглощаясь в ее атмосфере. С выходом человека в космическое пространство родились новые разделы астрономии: ультрафиолетовая и инфракрасная астрономия, рентгеновская и гамма-астрономия. Необычайно расширилась возможность исследования первичных космических частиц, падающих на границу земной атмосферы: астрономы могут исследовать все виды частиц и излучений, приходящих из космического пространства. Объем научной информации, полученной астрономами за последние десятилетия, намного превысил объем информации, добытой за всю прошлую историю астрономии. Используемые при этом методы исследования и регистрирующая аппаратура заимствуются из арсенала современной физики; древняя астрономия превращается в молодую, бурно развивающуюся астрофизику.

Сейчас создаются основы нейтринной астрономии, которая будет доставлять ученым сведения о процессах, происходящих в недрах космических тел, например в глубинах нашего Солнца. Создание нейтринной астрономии стало возможным только благодаря успехам физики атомных ядер и элементарных частиц.

Самое, пожалуй, удивительное в современной физике—это неожиданная связь между космосом, где галактики и звездные скопления разбросаны подобно редким пылинкам, и тесным, исчезающе малым микромиром элементарных частиц. Два полюса мироздания! На одном огромная, расширяющаяся Вселенная, на другом—не видимые ни под каким микроскопом, почти эфемерные «кирпичики» вещества. И вот оказывается, что при определенных условиях Вселенная может обладать свойствами микрочастицы, а некоторые микрообъекты, возможно, содержат внутри себя целые космические миры. Во всяком случае, так говорит теория. Большое и малое, сложное и простое—здесь все переплелось. Как хитро устроена природа! Она как масштабная линейка, завязанная в узел. Поди разберись, где тут начало! Из чего состоят протон и нейтрон? Есть ли что-нибудь еще глубже, меньше? И вообще, может ли быть предел делимости материи? Что творилось в нашей Вселенной, когда она была еще совсем юной и ее размеры были в миллиарды миллиардов раз меньше атома? Что такое античастицы и существуют ли миры из антивещества? Масса вопросов, и каждый из них тянет за собой вереницу новых, про которые и самим ученым еще далеко не все ясно. Вселенная оказывается бесконечно многообразной, неисчерпаемой для исследователя…

«Здесь скрыты столь глубокие тайны и столь возвышенные мысли, что, несмотря на старания сотен остроумнейших мыслителей, трудившихся в течение тысяч лет, еще не удалось проникнуть в них, и радость творческих исканий и открытий все еще продолжает существовать». Эти слова, сказанные Галилеем три с половиной столетия назад, нисколько не устарели.

Список использованной литературы.

1. Засов А.В., Кононович Э.В. Астрономия: Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений. 3-е изд. –М.: Просвещение, АО «Московские учебники», 2001.

2. О. Струве, Б. Линдс, Э. Пилланс. Элементарная астрономия. 2-е изд. –М.: Наука, 1967.

3. Моше Д. Астрономия: Книга для учащихся. Перевод с английского/Под редакцией А. А. Гурштейна. – М.: Просвещение, 1985.

4. Агекян Т. А. Звёзды, галактики, Метагалактика. –3-е изд. –М.: Наука, 1981.

5. Зигель Ф.Ю. Астрономия в её развитии: Книга для учащихся 8-10 классов средней школы. –М.: Просвещение, 1988.

6.Энциклопедический словарь юного физика. –М.: Педагогика, 1984.

Источник