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5.E：辐射和光谱（练习）

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    为了进一步探索

    文章

    Augensen，H. & Woodbury，J. “电磁频谱”。 天文学（1982 年 6 月）：6。

    亲爱的，D. “光谱视觉：长波长。” 天文学（1984 年 8 月）：16；“短波长”。 天文学（1984 年 9 月）：14。

    Gingerich，O. “揭开宇宙的化学秘密。” 天空与望远镜（1981 年 7 月）：13。

    Stencil、R. 等。 “天文光谱学。” 天文学（1978 年 6 月）：6.

    网站

    多普勒效应：http://www.physicsclassroom.com/clas...Doppler-Effect。 解释了一个震动错误和多普勒效应。

    电磁频谱：http://imagine.gsfc.nasa.gov/science...spectrum1.html。 美国宇航局的《Im agine the Universe》中的电磁频谱简介；请注意，你可以点击顶部附近的 “高级” 按钮进行更详细的讨论。

    彩虹：它们是如何形成的，如何看待它们：http://www.livescience.com/30235-rai...explainer.html。 由气象学家和业余天文学家乔·拉奥撰写。

    视频

    多普勒效应：www.esa.int/spaceinVideos/vid... ion_video_vp05。 带有多普勒球演示、多普勒效应和卫星的 ESA 视频（4:48）。

    棱镜是如何制作彩虹色的：https://www.youtube.com/watch?v=JGqsi_LDUn0。 关于棱镜如何弯曲光线形成彩虹的简短视频 (2:44)。

    电磁频谱之旅：https://www.youtube.com/watch?v=HPcAWNlVl-8。 NASA Mission Sc ience 电磁频谱波段视频之旅（八个短视频）。

    量子力学简介

    福特，肯尼斯。 量子世界。 2004。 物理学家/教育家最近写得很好的介绍。

    格里宾，约翰。 寻找施罗丁格的猫。 1984。 一位英国物理学家和科学作家对量子力学的基本思想进行了清晰、非常基本的介绍。

    雷，阿拉斯泰尔。 量子物理学：初学者指南。 2005。 一位英国物理学家的介绍广受好评。

    协作小组活动

    1. 让你的小组列出你平时使用的所有电磁波技术。
    2. 你的团队在日常生活中能想到多少多普勒效应的应用？ 例如，为什么高速公路巡逻队会觉得它有用？
    3. 让小组成员回家 “读” 收音机的正面，然后比较笔记。 如果您没有电台，请研究 “广播无线电频率” 以找到以下问题的答案。 所有的单词和符号是什么意思？ 你的收音机可以调到什么频率？ 你最喜欢的电台的频率是多少？ 它的波长是多少？
    4. 如果你的老师给你一台光谱仪，你的团队认为你会从以下各项中看到什么样的光谱：（1）家用灯泡，（2）太阳，（3）“百老汇的霓虹灯”，（4）普通的家用手电筒，（5）繁忙的购物街上的路灯？
    5. 假设天文学家想要向一个生活在与地球大气层非常相似的星球上的外星文明传递信息。这个信息必须穿越太空，穿过另一个星球的大气层，并能被该星球的居民注意到。 让您的小组讨论哪个电磁频谱波段最适合此消息以及原因。 （包括著名物理学家史蒂芬·霍金在内的一些人警告科学家不要向可能的敌对宇宙发送这样的信息，也不要向可能的敌对宇宙透露我们文明的存在。 你同意这个担忧吗？）

    查看问题

    1. 一种电磁辐射与另一种电磁辐射有什么区别？ 电磁频谱的主要类别（或波段）有哪些？
    2. 什么是波浪？ 在定义中使用波长和频率这两个术语。
    3. 你的教科书是那种能吸收落在其上的所有辐射的理想化物体（在辐射定律部分中有描述）吗？ 解释一下。 你的一位同学穿的黑色毛衣怎么样？
    4. 你期望在原子中的哪个地方找到电子？ 质子？ 中子？
    5. 解释发射线和吸收线是如何形成的。 你期望在什么样的宇宙物体中看到每一个物体？
    6. 解释多普勒效应如何适用于声波，并举一些熟悉的例子。
    7. 恒星的哪种运动不会产生多普勒效应？ 解释一下。
    8. 描述一下玻尔的模型是如何使用麦克斯韦的作品的。
    9. 解释为什么光被称为电磁辐射。
    10. 解释大多数日常语言中使用的辐射与天文学背景中使用的辐射之间的区别。
    11. 光波和声波有什么区别？
    12. 哪种类型的波长更长：AM 无线电波（频率在千赫兹范围内）或 FM 无线电波（频率在兆赫兹范围内）？ 解释一下。
    13. 解释为什么天文学家很久以前就认为必须用某种物质（“乙醚”）填充太空，而不是我们今天所知道的真空。
    14. 解释什么是电离层以及它如何与某些无线电波相互作用。
    15. 哪个对生物、伽玛射线或 X 射线更危险？ 解释一下。
    16. 解释为什么我们必须从地球大气层上空观测恒星和其他天体才能充分了解它们的特性。
    17. 解释为什么与较冷的物体相比，较热的物体往往会辐射更多能量的光子。
    18. 解释我们如何通过确定恒星的颜色来推断其温度。
    19. 解释什么是色散，以及天文学家如何利用这种现象来研究恒星的光。
    20. 解释为什么玻璃棱镜会分散光线。
    21. 解释一下约瑟夫·弗劳恩霍夫对恒星光谱的发现。
    22. 解释我们如何使用光谱吸收和发射线来确定气体的成分。
    23. 解释卢瑟福金箔实验的结果以及它们如何改变我们的原子模型。
    24. 两个不同的碳原子原子的原子核中可能有不同数量的中子吗？ 解释一下。
    25. 氢的三种同位素是什么，它们有何不同？
    26. 解释电子如何利用光能在原子内的能级之间移动。
    27. 解释为什么天文学家使用 “blueshifted” 一词表示向我们移动的物体，“红移” 一词表示远离我们的物体。
    28. 如果物体的光谱线波长根据这些物体的径向速度而发生变化，那么我们如何推断出哪种类型的原子对特定的吸收线或发射线负责？

    思想问题

    1. 列出麦克斯韦电磁波理论的许多实际后果（电视就是一个例子）。
    2. 你会观察到哪种类型的电磁辐射：
      1. 一颗温度为 5800 K 的恒星？
      2. 气体加热到一百万K的温度？
      3. 一个人在漆黑的夜晚？
    3. 为什么暴露于 X 射线很危险，但暴露于无线电波中却没有（或至少不那么危险）？
    4. 在晴朗的夜晚出门，等待 15 分钟让你的眼睛适应黑暗，然后仔细观察最亮的星星。 有些应该看起来略带红色，有些则略带蓝色。 决定恒星颜色的主要因素是它的温度。 哪个更热：蓝星还是红星？ 解释一下
    5. 水龙头通常标有红点表示热水，蓝点表示冷水。 鉴于维也纳定律，这个标签有意义吗？
    6. 假设你正站在公园的正中央，周围环绕着一条环形公路。 一辆救护车完全绕着这条路行驶，警笛响起。 当警笛在你周围盘旋时，它的音高会如何变化？
    7. 如何通过在一年中的不同时间拍摄恒星的光谱来测量地球的轨道速度？ （提示：假设恒星位于地球轨道的平面上。）
    8. 天文学家想绘制显示X射线或伽玛射线来源的天空地图。 解释为什么必须从地球大气层上空观测这些 X 射线和伽玛射线。
    9. 如果你了解黑体辐射定律，就很容易解释温室效应。 温室气体阻挡了红外光的传输。 鉴于进入地球的光是特征温度为5800 K的阳光（在光谱的可见部分达到峰值），而来自地球的射出光的特征温度约为300 K（在光谱的红外部分达到峰值），请解释温室气体是如何造成的地球要热身了。 作为答案的一部分，讨论一下温室气体会阻挡传入和传出的红外光。 解释为什么这两种效应不能简单地相互抵消，从而不会导致净温度变化。
    10. 理想化的辐射物体不会反射或散射任何辐射，而是吸收落在其上的所有电磁能量。 你能解释一下为什么天文学家称这样的天体为黑体吗？ 请记住，即使是以各种颜色发出明亮光芒的星星，也被视为黑体。 解释原因。
    11. 为什么电离气体通常只存在于非常高的温度环境中？
    12. 解释为什么每个元素都有独特的吸收或发射线光谱。

    自己搞清楚

    1. 以97.2 MHz（每秒百万个周期或百万赫兹）广播的校园广播电台的载波波长是多少？
    2. 在关于星系的讲座中，你的天文学教师可能会用它来指向幻灯片，波长为 670 nm 的红色激光束的频率是多少？
    3. 你去舞蹈俱乐部是为了忘记你的天文学期中有多艰难。 如果来自俱乐部黑光的紫外线波长为 150 nm，其频率是多少？
    4. 根据你在上一个练习中计算的频率，光子的能量是多少？
    5. 如果冥王星发射的红外辐射的最大波长为75,000 nm，那么假设冥王星遵循维也纳定律，其温度是多少？
    6. 在 290 nm 波长下发射最大光的恒星的温度是多少？