Школьная Энциклопедия
Nav view search
Navigation
Search
Как определяют химический состав небесных тел
Details Category: Работа астрономов Published on Wednesday, 10 October 2012 16:20 Hits: 14760
Химический состав небесных тел определяют с помощью спектрального анализа.
О спектральном анализе вы можете прочитать на нашем сайте: http://ency.info/index.php/earth/rabota-astrnom/14-rabota-astrnom/29-chto-takoye-spektralni-analiz.
Ученые точно узнали химический состав небесных тел: звезд, туманностей, комет. И что важно: в их состав входят все известные на Земле химические элементы. Открытие спектрального анализа сделало переворот в науке, так как в недалеком прошлом казалось, что человек никогда не сможет узнать состав небесных тел, удаленных от Земли на огромные расстояния. А зная химический состав звезды, можно довольно уверенно судить о времени ее образования.
Физические свойства материи на самых больших масштабах и возникновение Вселенной изучает наука космология.
Физическую природу космических тел (их плотность, температуру, массу, химический состав, возраст, образование и т.д.) изучает наука астрофизика (от греч. слов άστρον — светило и φύσις — природа).
Астрофизика основывается на законах физики и на материалах астрономических наблюдений. Главные методы астрофизики: спектральный анализ, фотография и фотометрия (научная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения) вместе с обычными астрономическими наблюдениями. О рождении астрофизики говорить стало можно только после того, как во второй половине XIX века появился спектральный анализ. Спектры звезд позволяют определить температуру, плотность и химический состав атмосферы любого небесного тела, узнать расстояние до звезд и их светимость, измерить скорость движения звезд по лучу зрения и скорость их вращения вокруг оси, оценить напряженность магнитного поля звезд, выявить присутствие оболочек горячего газа вокруг звезд.
Рассмотрим изучение химического состава звезд на примере Солнца.
Химический состав атмосфер можно узнать по темным линиям спектра. Газ поглощает из состава спектра более горячего источника света те самые лучи, которые он сам излучает в раскаленном состоянии. Отсюда ученые сделали вывод, что раскаленные поверхности Солнца и звезд дают спектры в виде радужных полосок, но эти поверхности окружены разреженными и менее раскаленными газами, которые и вызывают появление в спектре темных линий. Эти газы образуют вокруг Солнца и звезд атмосферы, химический состав которых можно узнать по темным линиям спектра. Поверхности Солнца и звезд хотя и дают такой же спектр, как жидкие и твердые раскаленные тела, но состоят из раскаленных наэлектризованных газов, более плотных, чем окружающие их атмосферы.
Первые исследования спектра Солнца были предприняты одним из изобретателей спектрального анализа, Кирхгофом, в 1859 г. Результатом этих исследований был рисунок солнечного спектра, из которого можно было определить уже с большой точностью химический состав солнечной атмосферы. Так, например, известно, что химический состав солнечной фотосферы ( излучающий слой звёздной атмосферы, в котором формируется непрерывный спектр излучения) состоит из
Водорода 73,46 %
Гелия 24,85 %
Кислорода 0,77 %
Углерода 0,29 %
Железа 0,16 %
Неона 0,12 %
Азота 0,09 %
Кремния 0,07 %
Магния 0,05 %
Серы
В солнечной атмосфере установили присутствие множества известных нам на Земле химических элементов. Среди них газы: водород, азот; металлы: натрий, магний, алюминий, кальций, железо и многие другие. В 1942 году было обнаружено присутствие на Солнце в небольшом количестве золота.
Такие химические элементы, как, например, хлор, бор, йод, ртуть и некоторые другие, не были найдены на Солнце по их линиям в спектре. Одной из причин, возможно, является то, что эти элементы находятся не в атмосфере Солнца, а в его недрах. Между тем темные линии в спектре вызывают только те элементы, которые находятся в атмосфере Солнца и поглощают свет, идущий из более глубоких и более плотных раскаленных слоев Солнца.
Можно допустить, что хлор, бор, йод, ртуть и другие элементы на Солнце или в солнечной атмосфере имеются, но мы их обнаружить пока не можем.
Спектры звезд, свет которых, собранный с помощью телескопа, тоже можно направить в спектроскоп, похожи на спектр Солнца. И по их темным линиям можно определить химический состав звездных атмосфер так же, определили химический состав солнечной атмосферы по темным линиям спектра Солнца.
Оказывается, химический состав атмосфер звезд мало отличается от химического состава Солнца и нашей Земли. Во всяком случае, ни на Солнце, ни на звездах не найдено таких химических элементов, которые не были бы известны на Земле. Напомним, что и газ гелий, который сначала был обнаружен на Солнце, потом был найден на Земле.
По четкости, с которой видны темные линии спектров Солнца и звезд, можно определить долю каждого химического вещества в составе их атмосфер.
Определение химического состава небесных тел на основе изучения их спектров — очень сложная задача, требующая знания физических условий в исследуемом теле (особенно температуры) и применения методов теоретической астрофизики.
Ученые в результате исследований установили, что некоторые тела (например, звезды определенных типов) обладают теми или иными особенностями химического состава. Однако большинство остальных объектов состоит примерно из одних и тех же известных химических элементов. Поэтому можно говорить только о среднем космическом содержании элементов, о котором обычно судят по относительному числу атомов, находящихся в каком-либо объеме.
Источник
Какие линии помогают определить химический состав звезд и планет?
Спектральные линии помогают, дело в том, что каждый элемент имеет определенный цвет спектра и рассматривая какую нибудь планету (звезду) ну в общем объект, при помощи специальных приборов — спектрографов, мы можем увидить их испускаемый цвет или ряд цветов! Потом по табличке специальной смотрится, какому веществу эти линии принадлежат! ! Наука этим занимающаяся — спектроскопия
Спектроскопия — раздел физики, посвященный изучению спектров электромагнитного излучения.
Спектральный анализ — совокупность методов определения состава (например, химического) объекта, основанный на изучении свойств приходящего от него излучения (в частности, света) . Оказалось, что атомы каждого химического элемента имеют строго определенные резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектре видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и даже его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах. Различают атомный и молекулярный спектральный анализ, эмиссионный ”по спектрам испускания” и абсорбционный ”по спектрам поглощения”.
Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, экспрессностью, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг) , необходимого для анализа на большое число элементов. Спектры эмиссии получают переведением вещества в парообразное состояние и возбуждением атомов элементов нагреванием вещества до 1000—10000°С. В качестве источников возбуждения спектров при анализе материалов, проводящих ток, применяют искру, дугу переменного тока. Пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя различных газов. Спектральный анализ — чувствительный метод и широко применяется в химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке и др. Метод был предложен в 1859 г. Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном. С его помощью гелий был открыт на Солнце ранее, чем на Земле.
все. анализируя весь спектр можно узнать какие наборы спектральных линий относились к какому веществу. И, кстати — температуру, а теперь еще и скорость вращения и даже наличие планет у звезды (по колебаниям линий) .
Из забавного великий Томпсон (лорд Кельвин) в свое время сказал: «есть вещи, которые человечество никогда не узнает. Например хим. состав Солнца». Не прошло и года. как придумали спектральный анализ.
Спектральный анализ излучения небесных тел
Важнейшим источником информации о большинстве наблюдаемых объектов космоса является их излучение. Наиболее ценные и разнообразные сведения о небесных телах позволяет получить спектральный анализ их излучения.
Этим методом можно установить химический состав звезды, её температуру, наличие и величину магнитного поля и ряд других параметров.
Изучение небесных тел с Земли возможно благодаря анализу спектральных линий, которые представляют собой узкие (ширина много меньше длины волны) участки в спектрах, на которых интенсивность излучения усилена (линии излучения или эмиссионные линии) , либо ослаблена (линии поглощения или абсорбиционные линии ) по сравнению с непрерывным спектром. Чаще всего спектральные линии возникают при переходах электронов с одного уровня на другой уровень энергии в атомах, ионах и молекулах. Кроме того, возбуждение спектральных линий может быть обусловлено циклотронным механизмом, а также плазменными процессами.
Спектральные линии космических объектов наблюдаются во всех спектральных диапазонах.
В радиодиапазон попадают различные радиолинии молекул, рекамбинационные радиолинии атомов, а также атомарные радиолинии, связанные со сверхтонким расщеплением уровней энергии.
В инфракрасном диапазоне преобладают спектральные линии, связанные с вращательными и колебательными переходами молекул, в видимом и ультрафиолетовом диапазонах доминируют спектральные линии атомов и атомарных ионов, в звездах поздних спектральных классов — молекулярные линии.
В рентгеновском диапазоне обнаружены линии излучения высокоразрядных ионов (наиболее сильны линии ионов железа FeXXV и FeXXVI вблизи энергии 7 кэВ) , а также циклотронные спектральные линии от нейтронных звезд.
В гамма-диапазон попадает линия 511 кэВ, возникающая при аннигиляции позитрона и электрона, и спектральные линии атомных ядер.
Источник
Химический состав Солнца
С земной поверхности наше светило выглядит как яркий шар идеальной формы. До официального открытия на нём пятен астрономы были уверены в том, что объект не имеет дефектов. Однако впоследствии было выяснено, что звезда имеет несколько слоёв, как и Земля. Каждому из них присваивается своя опция. Особого внимания также заслуживает химический состав Солнца.
Химические элементы
Если бы человечество могло разложить эту звезду по частям и произвести сравнение составных элементов, получилась бы следующая картина:
- 74% приходится на водород;
- 24% — на гелий;
- 1% — на кислород;
- 1% — на прочие химические вещества.
К прочим элементам относится, например, кальций, неон, хром. Также в составе присутствует в незначительном количестве сера, кремний, магний, железо и т. д.
Состав фотосферы Солнца
Теория появления нынешнего состава
Вследствие Большого взрыва возник гелий и водород. На первых этапах становления космического пространства произошло возникновение водорода из элементарных частиц. Ввиду высокой температуры и немалого давления условия во Вселенной были примерно такими же, как в звёздном ядре. Впоследствии водород синтезировался в гелий, и возникли пропорции, которые сохранились до настоящего времени.
Что касается прочих элементов светила, их создание произошло в прочих звёздах. Дело в том, что в их ядерных частях наблюдается постоянный синтез водорода в гелий. Вследствие выработки всего кислородного вещества в ядре наблюдается их переход на ядерный синтез веществ с относительно большой массой. Например, лития, гелия, кислорода. Множество тяжёлых металлов, образовавшихся на Солнце, присутствует в прочих звёздах на завершающих этапах их жизней.
Интересен химический состав Солнца ещё и потому, что другие вещества в нём образовались иным способом. Например, самые тяжёлые элементы (уран, золото) появились в процессе детонирования светил, превышающих Солнце по размеру. За очень короткое время (буквально доли секунды) появления черной дыры элементы сталкивались между собой, что приводило к появлению новых веществ. После взрыва они были разбросаны по Вселенной, из-за этого и образовались новые светила.
Строение Солнца. В центре Солнца находится солнечное ядро. Фотосфера — это видимая поверхность Солнца, которая и является основным источником излучения. Солнце окружает солнечная корона, которая имеет очень высокую температуру, однако она крайне разрежена, поэтому видима невооружённым глазом только во время полного солнечного затмения.
Солнечные слои
Химический состав Солнца вызывает среди учёных немало вопросов. В частности, они связаны со слоями, которые в него входят. На первый взгляд, светило кажется обычным шаром с водородом и гелием. Но если изучить его строение и свойства более глубоко, можно обнаружить, что в составе присутствует несколько ярусов. По мере приближения к ядру происходит повышение температуры и давления. Вследствие этого произошло формирование слоёв, ведь при разных условиях основные вещества различны по характеристикам.
В нём наблюдается высокий температурный режим и давление. Это приводит к благоприятным условиям для синтеза. Здесь же формируются атомы гелия, образуется тепловая, световая энергия, доходящая до Земли.
Зона радиации
Начинается она у границы ядра и составляет 70% от радиуса звезды. Внутри неё присутствует особое вещество высокой плотности и температуры. Здесь же наблюдается реакция ядерного синтеза, вследствие которой формируются атомы гелия.
Конвективная зона
Располагается она снаружи области радиации. В ней внутреннее солнечное тепло перетекает по столбам горячего газа. Такая зона присутствует практически у всех звёзд. Например, у Солнца она простирается от 70%. У некоторых светил, где есть эта зона, может отсутствовать радиационная часть (обычно это карлики).
Фотосфера
Этот слой единственный, который можно увидеть с Земли. После него прозрачность утрачивается, поэтому специалисты астрономической науки вынуждены использовать для изучения внутренней части другие способы.
Таким образом, химический состав Солнца, несмотря на относительно большое количество полученных данных, является изученным не до конца.
Источник