Skip to main content
Global

5.E: الإشعاع والأطياف (تمارين)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197318

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    لمزيد من الاستكشاف

    مقالات

    أوجنسن، إتش آند وودبري، جيه. «الطيف الكهرومغناطيسي». علم الفلك (يونيو 1982): 6.

    دارلينج، د. «الرؤى الطيفية: الأطوال الموجية الطويلة.» علم الفلك (أغسطس 1984): 16؛ «الأطوال الموجية القصيرة». علم الفلك (سبتمبر 1984): 14.

    جينجريتش، أو. «فتح الأسرار الكيميائية للكون». السماء والتلسكوب (يوليو 1981): 13.

    ستنسل، ر. وآخرون. «التحليل الطيفي الفلكي». علم الفلك (يونيو 1978): 6.

    مواقع الويب

    تأثير دوبلر: http://www.physicsclassroom.com/clas...Doppler-Effect. شرح علة الاهتزاز وتأثير دوبلر.

    الطيف الكهرومغناطيسي: http://imagine.gsfc.nasa.gov/science...spectrum1.html. مقدمة عن الطيف الكهرومغناطيسي من برنامج تخيل الكون التابع لناسا؛ لاحظ أنه يمكنك النقر فوق الزر «متقدم» بالقرب من الجزء العلوي والحصول على مناقشة أكثر تفصيلاً.

    أقواس قزح: كيف تتشكل وكيفية رؤيتها: http://www.livescience.com/30235-rai...explainer.html. بواسطة عالم الأرصاد الجوية وعالم الفلك الهواة جو راو.

    مقاطع فيديو

    تأثير دوبلر: www.esa.int/spaceinvideos/VID... ion_video_vp05. فيديو وكالة الفضاء الأوروبية مع عرض كرة دوبلر وتأثير دوبلر والأقمار الصناعية (4:48).

    كيف يعمل المنشور لصنع ألوان قوس قزح: https://www.youtube.com/watch?v=JGqsi_LDUn0. فيديو قصير حول كيفية ثني المنشور للضوء لتكوين قوس قزح من الألوان (2:44).

    جولة في الطيف الكهرومغناطيسي: https://www.youtube.com/watch?v=HPcAWNlVl-8. جولة فيديو لوكالة ناسا Mission Science لنطاقات الطيف الكهرومغناطيسي (ثمانية مقاطع فيديو قصيرة).

    مقدمات لميكانيكا الكم

    فورد، كينيث. عالم الكم. 2004. مقدمة حديثة مكتوبة بشكل جيد من قبل فيزيائي/معلم.

    غريبين، جون. بحثًا عن قطة شرودينجر. 1984. مقدمة واضحة وأساسية للغاية للأفكار الأساسية لميكانيكا الكم، من تأليف فيزيائي وكاتب علمي بريطاني.

    راي، أليستر. فيزياء الكم: دليل المبتدئين. 2005. مقدمة أشاد بها عالم فيزياء بريطاني على نطاق واسع.

    أنشطة المجموعة التعاونية

    1. اطلب من مجموعتك إعداد قائمة بجميع تقنيات الموجات الكهرومغناطيسية التي تستخدمها خلال يوم عادي.
    2. كم عدد تطبيقات تأثير دوبلر التي يمكن لمجموعتك التفكير فيها في الحياة اليومية؟ على سبيل المثال، لماذا تجدها دورية الطرق السريعة مفيدة؟
    3. اطلب من أعضاء مجموعتك العودة إلى المنزل و «قراءة» وجه جهاز الراديو الخاص بك ثم مقارنة الملاحظات. إذا لم يكن لديك راديو، فابحث عن «ترددات راديو البث» للعثور على إجابات للأسئلة التالية. ماذا تعني كل الكلمات والرموز؟ ما الترددات التي يمكن للراديو الخاص بك ضبطها؟ ما هو تردد محطة الراديو المفضلة لديك؟ ما طوله الموجي؟
    4. إذا كان مدربك سيعطيك مطياف، فما نوع الأطياف التي تعتقد مجموعتك أنك ستراها من كل مما يلي: (1) مصباح منزلي، (2) الشمس، (3) «أضواء النيون في برودواي»، (4) مصباح منزلي عادي، (5) إنارة الشوارع في شارع تسوق مزدحم؟
    5. لنفترض أن علماء الفلك يريدون إرسال رسالة إلى حضارة غريبة تعيش على كوكب ذي غلاف جوي مشابه جدًا لغلاف الأرض، فهذه الرسالة يجب أن تنتقل عبر الفضاء، وأن تمر عبر الغلاف الجوي للكوكب الآخر، وأن تكون ملحوظة لسكان ذلك الكوكب. اطلب من مجموعتك مناقشة نطاق الطيف الكهرومغناطيسي الذي قد يكون الأفضل لهذه الرسالة ولماذا. (حذر بعض الأشخاص، بمن فيهم الفيزيائي الشهير ستيفن هوكينج، العلماء من إرسال مثل هذه الرسائل والكشف عن وجود حضارتنا في كون معاد محتمل. هل توافق على هذا القلق؟)

    مراجعة الأسئلة

    1. ما الذي يميز نوعًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي عن الآخر؟ ما هي الفئات الرئيسية (أو النطاقات) للطيف الكهرومغناطيسي؟
    2. ما هي الموجة؟ استخدم مصطلحي الطول الموجي والتردد في التعريف الخاص بك.
    3. هل كتابك المدرسي هو نوع الكائن المثالي (الموصوف في قسم قوانين الإشعاع) الذي يمتص كل الإشعاع الساقط عليه؟ اشرح. ماذا عن السترة السوداء التي يرتديها أحد زملائك؟
    4. أين تتوقع أن تجد الإلكترونات في الذرة؟ بروتونات؟ نيوترونات؟
    5. اشرح كيفية تكوين خطوط الانبعاثات وخطوط الامتصاص. في أي نوع من الأجسام الكونية تتوقع رؤية كل منها؟
    6. اشرح كيف يعمل تأثير دوبلر للموجات الصوتية وقدم بعض الأمثلة المألوفة.
    7. ما نوع حركة النجم التي لا تنتج تأثير دوبلر؟ اشرح.
    8. وصف كيف استخدم نموذج بوهر عمل ماكسويل.
    9. اشرح لماذا يشار إلى الضوء بالإشعاع الكهرومغناطيسي.
    10. اشرح الفرق بين الإشعاع حيث يتم استخدامه في معظم اللغات اليومية والإشعاع كما يتم استخدامه في سياق فلكي.
    11. ما الفرق بين موجات الضوء والموجات الصوتية؟
    12. أي نوع من الموجات له طول موجي أطول: موجات راديو AM (بترددات في نطاق كيلوهرتز) أو موجات راديو FM (بترددات في نطاق الميغاهرتز)؟ اشرح.
    13. اشرح لماذا اعتقد علماء الفلك منذ فترة طويلة أنه يجب ملء الفضاء بنوع من المواد («الأثير») بدلاً من الفراغ الذي نعرفه اليوم.
    14. اشرح ماهية الأيونوسفير وكيف يتفاعل مع بعض موجات الراديو.
    15. أيهما أكثر خطورة على الكائنات الحية أو أشعة جاما أو الأشعة السينية؟ اشرح.
    16. اشرح لماذا يتعين علينا مراقبة النجوم والأشياء الفلكية الأخرى من فوق الغلاف الجوي للأرض من أجل التعرف بشكل كامل على خصائصها.
    17. اشرح لماذا تميل الأجسام الأكثر سخونة إلى إشعاع فوتونات أكثر نشاطًا مقارنة بالأجسام الأكثر برودة.
    18. اشرح كيف يمكننا استنتاج درجة حرارة النجم من خلال تحديد لونه.
    19. اشرح ماهية التشتت وكيف يستخدم علماء الفلك هذه الظاهرة لدراسة ضوء النجم.
    20. اشرح لماذا تقوم الموشورات الزجاجية بتفريق الضوء.
    21. اشرح ما اكتشفه جوزيف فراونهوفر عن الأطياف النجمية.
    22. اشرح كيف نستخدم خطوط الامتصاص الطيفي والانبعاث لتحديد تكوين الغاز.
    23. اشرح نتائج تجربة رذرفورد للرقائق الذهبية وكيف غيرت نموذجنا للذرة.
    24. هل من الممكن أن تحتوي ذرتان مختلفتان من الكربون على أعداد مختلفة من النيوترونات في نواتهما؟ اشرح.
    25. ما هي نظائر الهيدروجين الثلاثة، وكيف تختلف؟
    26. اشرح كيف تستخدم الإلكترونات الطاقة الضوئية للتنقل بين مستويات الطاقة داخل الذرة.
    27. اشرح لماذا يستخدم علماء الفلك مصطلح «blueshift» للأجسام التي تتحرك نحونا و «ذات اتجاه أحمر» للأجسام التي تتحرك بعيدًا عنا.
    28. إذا كانت الأطوال الموجية للخط الطيفي تتغير للأجسام بناءً على السرعات الشعاعية لتلك الأجسام، فكيف يمكننا استنتاج نوع الذرة المسؤول عن خط امتصاص أو انبعاث معين؟

    أسئلة الفكر

    1. ضع قائمة ببعض النتائج العملية العديدة لنظرية ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية (التلفزيون هو أحد الأمثلة).
    2. مع أي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي ستلاحظ:
      1. نجمة بدرجة حرارة 5800 كلفن؟
      2. غاز تم تسخينه إلى درجة حرارة مليون كلفن؟
      3. شخص في ليلة مظلمة؟
    3. لماذا من الخطر التعرض للأشعة السينية ولكن ليس (أو على الأقل أقل خطورة) التعرض لموجات الراديو؟
    4. اخرج في ليلة صافية، وانتظر 15 دقيقة حتى تتكيف عيناك مع الظلام، وانظر بعناية إلى النجوم الأكثر سطوعًا. يجب أن يبدو بعضها أحمر قليلاً والبعض الآخر أزرق قليلاً. العامل الأساسي الذي يحدد لون النجم هو درجة حرارته. أيهما أكثر سخونة: نجمة زرقاء أم حمراء؟ اشرح
    5. غالبًا ما يتم تمييز صنابير المياه بنقطة حمراء للمياه الساخنة ونقطة زرقاء للبرودة. بالنظر إلى قانون فيينا، هل هذا التصنيف منطقي؟
    6. لنفترض أنك تقف في وسط حديقة محاطة بطريق دائري. تسير سيارة إسعاف بالكامل حول هذا الطريق، مع صفارات الإنذار. كيف تتغير درجة صوت صفارات الإنذار عندما تدور حولك؟
    7. كيف يمكنك قياس السرعة المدارية للأرض من خلال تصوير طيف النجم في أوقات مختلفة على مدار العام؟ (تلميح: لنفترض أن النجم يقع في مستوى مدار الأرض.)
    8. يريد علماء الفلك عمل خرائط للسماء تظهر مصادر الأشعة السينية أو أشعة جاما. اشرح لماذا يجب ملاحظة تلك الأشعة السينية وأشعة جاما من فوق الغلاف الجوي للأرض.
    9. يمكن تفسير تأثير الاحتباس الحراري بسهولة إذا فهمت قوانين إشعاع الجسم الأسود. يمنع غاز الدفيئة انتقال ضوء الأشعة تحت الحمراء. بالنظر إلى أن الضوء الوارد إلى الأرض هو ضوء الشمس بدرجة حرارة مميزة تبلغ 5800 كلفن (والتي تبلغ ذروتها في الجزء المرئي من الطيف) والضوء الصادر من الأرض له درجة حرارة مميزة تبلغ حوالي 300 كلفن (والتي تبلغ ذروتها في جزء الأشعة تحت الحمراء من الطيف)، اشرح كيف تسبب غازات الاحتباس الحراري الأرض للتدفئة. كجزء من إجابتك، ناقش أن غازات الاحتباس الحراري تحجب ضوء الأشعة تحت الحمراء الوارد والصادر. اشرح لماذا لا يؤدي هذان التأثيران ببساطة إلى إلغاء بعضهما البعض، مما يؤدي إلى عدم تغير درجة الحرارة الصافية.
    10. لا يعكس الجسم المشع المثالي أي إشعاع أو ينثره ولكنه يمتص بدلاً من ذلك كل الطاقة الكهرومغناطيسية التي تسقط عليه. هل يمكنك تفسير سبب تسمية علماء الفلك لمثل هذا الجسم بالجسم الأسود؟ ضع في اعتبارك أنه حتى النجوم، التي تتألق بألوان زاهية في مجموعة متنوعة من الألوان، تعتبر أجسامًا سوداء. اشرح لماذا.
    11. لماذا توجد الغازات المؤينة عادةً فقط في البيئات ذات درجات الحرارة العالية جدًا؟
    12. اشرح لماذا يحتوي كل عنصر على طيف فريد من خطوط الامتصاص أو الانبعاث.

    اكتشاف نفسك

    1. ما الطول الموجي للموجة الحاملة لمحطة إذاعية داخل الحرم الجامعي، تبث على تردد 97.2 ميجاهرتز (مليون دورة في الثانية أو مليون هيرتز)؟
    2. ما تردد شعاع الليزر الأحمر، الذي يبلغ طوله الموجي 670 nm، والذي قد يستخدمه مدرس علم الفلك للإشارة إلى الشرائح أثناء محاضرة عن المجرات؟
    3. تذهب إلى نادٍ للرقص لتنسى مدى صعوبة الفصل الدراسي في علم الفلك. ما تردُّد موجة من الضوء فوق البنفسجي قادمة من ضوء أسود في النادي، إذا كان طولها الموجي 150 nm؟
    4. ما طاقة الفوتون بالتردد الذي قمت بحسابه في التمرين السابق؟
    5. إذا كان الطول الموجي لشدة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من بلوتو يبلغ ٧٥٠٠٠ نانومترًا، فما درجة حرارة بلوتو بافتراض أنها تتبع قانون فيينا؟
    6. ما درجة حرارة النجم الذي ينبعث منه الضوء الأقصى بطول موجة ٢٩٠ نانومترًا؟