Astrofysikk & Strålingslovene

Report
ASTROFYSIKK &
STRÅLINGSLOVENE
EN PRESENTASJON AV JON SVENDSEN, ALEKSANDAR
MARKANOVIC, LARS SONDRE THORBJØRNSEN &
B R A N D O N M I C H A E L S O LT V E DT
 Solsystemet er det vi i hverdagen kaller vårt planetsystem som blant annet
inneholder solen, jorden og månen.
DET STORE UNIVERSET
 Selv om det virker stort for oss, så er det bare en liten del av en stor samling med
stjerner som vi kaller Melkeveisystemet – men melkeveisystemet er bare én av
hundre milliarder galakser i universet.
 Vi er bittesmå i forhold til dette store universet, men likevel ønsker vi hele tiden å
lære mer og mer om det.
STRÅLINGSLOVENE
 Astrofysikk er fysikk som er anvendt på alt utenfor jordas atmosfære. Det betyr at
det handler om både solsystemet vårt og om hele universet. (Astrofysikk er den
grenen av astronomisom har med fysikken i universetå gjøre.)
 Det er mye å utforske der ute, mye å lære og mye å forstå. For eksempel handler
astrofysikk om galakser, svarte hull og universets begynnelse.
 Hvordan har vi fått all denne kunnskapen? Det er nemlig på grunn av en stråling
vi har vært borti mange ganger før – så å si all kunnskap vi har om universet har
vi tilegnet oss ved observasjoner av den elektromagnetiske strålingen vi mottar.
Utstrålingstettheten U fra en gjenstand er lik utstrålt effekt per flate av gjenstanden.
UTSTRÅLINGSTETTHETEN
P
U =
A
2
W/m
AU 
A
REGNEEKSEMPEL
Vi tenker oss en gjenstand som sender ut 150W, på et areal som er 20 kvadratmeter.
U = P
A
U = 150W2
20m
2
U = 7,5 W m
Så lett kan vi regne oss fram
til utstrålingstettheten, men
dette eksemplet var all
informasjon oppgitt. Til slutt
skal vi ta for oss mer
kompliserte eksempler.
PLANCKKURVER
 Hvis vi lager en grafisk fremstilling av en stjernes
utstrålingstetthet, får vi det vi kaller planckkurver.
 Som vi kan se ut fra denne fremstillingen, har
Rigel mest utstråling ved 242 nm.
 Sola stråler mest ut ved 509 nm.
 Det stemmer bra, i og med at blått lys (Rigel er blå)
har kortere bølgelengde enn gult lys.
Et slikt punkt på planckurver kalles toppunktet,
topp
 For å regne ut strålingstettheten for slike kurver,
kan vi bruke formelen på bildet. Strålingstettheten
er gitt av både bølgelengde og temperatur, så vi
må først velge en bestemt temperatur og så regne
strålingstetthet.
 Planckkurver gjelder for svarte gjenstander. Det er
gjenstander som stråler på grunn av sin egen
temperatur, i motsetning til gjenstander som
reflekterer stråling.
WIENS FORSKYVNINGSLOV
 Det er sammenheng mellom toppunktet på planckkurven og overflatetemperaturen til
en stjerne. Fra figuren over kan vi se at når toppunktet forskyver seg mot venstre, øker
overflatetemperaturen. Denne sammenhengen blir kalt Wiens forskyvningslov:
 Bølgelengden for energimaksimum i termisk stråling er omvendt proporsjonal med
temperaturen i gjenstanden som stråler,
topp  T  a
3
 der konstanten a har verdien a  2,90 10 Km
 og temperaturen er absolutt temperatur.
 Siden vi bruker strålingen fra overflaten på stjernen, er det mulig ut i fra denne
formelen å finne overflatetemperaturen.
REGNEEKSEMPEL
 Vi tenker oss en fiktiv stjerne med energimaksimum
ved bølgelengden 240 nm. Hva er
overflatetemperaturen?
 Gjør vi om på Wiens forskyvningslov, får vi:
a
T
topp
2,90 10 3 Km
T
240 10 9 m
T  121K
STEFAN-BOLTZMANNS LOV
 I det forrige århundre fant to tyske fysikere (merk navnet), Josef Stefan og Ludwig
Boltzmann at utstrålt effekt fra et legeme, over et bredt frekvensområde, var
proposjonal med temperaturen i fjerde potens. Dette gjør at Stefan-Boltzmanns er
uttrykt slik:
U  T 4
 Her har vi at U = utstrålt energi per tid og areal i
W / m2
 og sigma er Stefan-Boltzmanns konstant, som har en verdi på
5,67 10 8W / m 2 K 4
 Strålingen fra stjerner følger med god tilnærming denne likningen.
REGNEEKSEMPEL
 For å finne utstrålingtettheten til en glødetråd som har en temperatur på 2000K
kan vi bruke Stefan-Boltzmanns lov.
U  T 4
U  5,67 10 8W / m 2 K 4  (2000 4 ) K
U  9,1 105W / m 2
OPPSUMMERING
 Vi har nå sett på det grunnleggende i astrofysikken, vi vet at alle gjenstander
sender ut elektromagnetisk stråling.
 Videre vet vi at hvor mye stråling de sender ut, og hvilke bølgelengder som er
dominerende er avhengig av temperaturen.
 Derfor blir denne strålingen også kalt termisk stråling.
 Videre har vi sett på utsrålingstettheten U, Wiens forskyvningslov og StefanBoltzmanns lov.
 Alle disse lovene baserer seg på de kunnskapene vi har fått gjennom
observasjoner av elektromagnetisk stråling.
 Det er disse lovene som åpner nye dører til forståelse av astrofysikken, og som
andre lover kan de snus i henhold til hvilke verdier du har og hvilke du prøver å
finne.
KILDER
[11.03.12] http://no.wikipedia.org/wiki/Astrofysikk
[11.03.12] http://ndla.no/nb/node/59572
[11.03.12] Ergo Fysikk 1, Aschehoug & Co

similar documents