Применение методов спектрального анализа для изучения космических объектов

Проект сценария урока ФИЗИКА+АСТРОНОМИЯ. 11-й класс

Цель урока: продемонстрировать мощность метода спектрального анализа, используя знания учащихся о Солнце, звёздах, спектрах.

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)

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

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

• 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. Подробнее можно почитать на сайте http://www.astrogalaxy.ru/266.html.

• 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 («Компьютерра», 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.

15 января 2006 г. в пустыне Юты (США), закончив свой семилетний полёт, приземлилась капсула зонда stardust, которая привезла с обой из дальнего космоса частицы пыли. Учёные приступили к их исследованию. См. сайты www.computerra.ru, www.astrogalaxy.ru,   http://nssdc.gsfc.nasa.gov/database/MasterCatalog?sc=1999-003A

6. Домашнее задание (2 мин)

§ 30 (4), 23 (2) по учебнику Е.П.Левитана «Астрономия» (1994 г.); повторить § 61, 62 по учебнику Г.Я.Мякишева, Б.Б.Буховцева «Физика» (1999 г.); § 83, 84 по учебнику тех же авторов изд. 2005 г.

Резюме. В XIX в. на стыке двух наук – астрономии и физики – появился новый раздел астрономии – астрофизика. Важнейшим её инструментом стал спектральный анализ электромагнитных излучений. Учёные теперь могут классифицировать наблюдаемые небесные объекты. Несмотря на кажущееся однообразие звёздных спектров, содержащих в основном водород и гелий, существует множество отличий в деталях, вызванных разными физическими условиями на излучающей поверхности, и в первую очередь температурой поверхности, которая зависит от степени ионизации атомов.