Tìm hiểu một số hiệu ứng vật lý có nhiều ứng dụng trong thiên văn học và vũ trụ học

Trong quá trình quan trấc, người ta nhận thấy rằng phổ của các ngói sao thuộc các thiên hà khác có những thay đổi khác so với phổ của các ngói sao trong Thiên hà của chúng ta chẳng hạn n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRUONG DAI HOC SU PHAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NIÊN KHÓA 1992 - 1996

* Sinh oiên thực hiện

NGUYEN THUY YEN

LOI NOI DAU

TAI LIEU THAM KHAO

MO DAU

Chumg |: PHUONG PHAP PHAN TICH PHO BUC XA

VA UNG DUNG CUA NO TRONG THIEN VAN VAT LY

{ 1 Các phố

2 Đặc tính của bức xạ và eơ sở của phép phản tích quang phổ

3 Quang phổ vạch và ứng dụng của nó trong thiên ván vật lý

Chương 3: HIỆU ỨNG ZEEMAN

{ 1 Hiệu ứng 2eeman thường

{ 2 Ứng dụng của hiệu ứng Zeeman

Chương 3: HIỆU UNG DOPPLER

{ 1 Sự dịch chuyến Doppler của các vạch quang phố

{2 Một vài ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong Thiên ván học

We Dax

Chis van vật lý là ngành Thiên ván chuyên nghiên cứu lý tính của các thiên thể Nó mới được phát triển ở thế kỷ thứ 20 này nhờ có sự phát triển mạnh mẽ cla vat ly hoc va khoa hoc ky thuat hién dai Mét trong những phương pháp nghiên

#ửu quan trọng nhất trong Thiên văn vật lý đó là phương pháp phán tích phổ bức xạ sủa các thiên thể Hầu hết các thông tin từ các thiên thể đến Trái đất đếu được thu nhần dưới dạng quang phổ ánh sáng của nó Trong quá trình quan trấc, người ta nhận thấy rằng phổ của các ngói sao thuộc các thiên hà khác có những thay đổi khác so với

phổ của các ngói sao trong Thiên hà của chúng ta chẳng hạn như :

- Có sự dịch chuyến vé phía đỏ của các vạch phổ

- Sự tách vạch quang phổ thành hai hoặc ba vạch

Khi xét đến hai hiện tượng này thì người ta nghĩ ngay đến sự có mát của hai

hiệu ứng Doppler va Zeeman Cơ sở cho sự suy luận đó là bởi vì do có sự chuyển động

tương đối giữa các thiên thế và do có tác dụng từ trường của chúng làm cho các thông tan khi đến Trái đất só sự thay đổi như vậy Chúng ta sẽ xét cụ thể những nguyên nhân ở những phần sau

Hiéu img Doppler co nhiếu ứng dụng phong phú và đa dạng Qua độ dich chuyến

Doppler của sác vạch phổ, agười ta có thể xác định được vận tốc quay của các thiên thể, đo được tốc độ lùi của các thiên hà, Ngoài ra dựa trên sự dịch chuyến về phía đỏ

sủa các thiên hà, các mó hình về vũ trụ được ra đời : mô hình vũ trụ gián nở, mô hình

vũ tru nóng (Bíg bang) Những giả thuyết này tuy chưa được chứng munh và cũng có

những giả định khác đế bác bỏ chúng Song cho đến nay, những thuyết này vấn còn

giá trì và nhiều hệ quả của chúng có thể kiểm chứng được, còn hiệu ứng 2eeman giúp shung ta có thể xac định được từ trường của các thiên hà thông qua độ tách vạch

PHUONG PHAP PHAM TICH PHỔ BỨC XA € CÁC ỨNG DỤNG

CỦA NÓ TRONG THIÊN VĂN HỌC

$1 CAC PHO

Phan tích phổ của các thiên thể tức người ta đi phần tích quang phổ phát xạ và quang phổ hấp thụ của chúng Như vậy chúng ta sẽ nhớ lại xem đặc điểm và diéu kiện

phát sinh chúng trong quang học như thế nào

1 QUANG PHỔ PHÁT XA : là quang phổ do những vật nóng sáng phát ra bao gỏm:

- Quang phổ liên tục : các vật rắn, lỏng và các chất khí khi bị nung nóng ở áp suất cao đều phát ra ánh sáng cho ta một phổ liên tục gồm những màu nối tiếp nhau Anh sáng trắng cho quang phổ liên tục gốm những dải màu đi từ đỏ đến tím (như màu

- Quang phổ uạch (quang phổ nguyên từ) : các nguyên tử của các khí kém hay hot kém khi bị đốt nóng đểu phát ra ánh sáng Sự phân tích ánh sáng này cho ta một quang phổ gồm những màu riêng lẻ, xen kế những khoảng tối thì gọi là quang phổ vạch Mỗi nguyên tố hóa học đều có quang phổ vạch đặc trưng cho nó (Hình 1)

- Quang phổ đám (quang phổ phân từ) : quang phổ phân tử gồm một số lớn hơn các vạch riêng lẻ nhòe vào nhau thành những đám rõ nét ở một phía và bị lan

rộng ra ở phía khác

2 QUANG PHỔ HẤP THỤ : Nếu ánh sáng trắng từ một nguồn cho quang phổ liên

tục khi truyền qua hơi của các chất cẩn nghiên cứu sẽ cho một quang phổ liên tục có

xen kẽ những vạch tối gọi là vạch Fraunhofer Vạch tối này ở đúng chỗ mà các vạch

bức xạ do hơi của chất nghiên cứu phát ra Do đó : “Trong các điều kiện xác định, những nguyên từ của một nguyên tố hấp thụ những sóng ánh sáng nhất định mà

chúng có thể phát ra trong những điều kiện dé” Định luật này đã được Gustave Rober

(1824 - L887) và Robert Bunsen (1811 - 1899) tim ra

Việc nghiên cứu quang phể phát xa và quang phổ hấp thụ của các thiên thể để

tim ra lý tính của chúng là một việc làm rất tinh vị, cấn phải theo dõi liên tục để có

những sỏ do chính xác.

H.4

} 2 BAC TINH CUA BUC XA

VA CO SG CUA PHEP PHAN TICH QUANG PHO

Phân tích bức xa hay nói chính xác hơn là phân tích phổ bức xạ của các thiên thể là phương pháp quan trọng bắc nhất để tìm hiểu đặc tính vật lý của chúng

lL BUC XA NHIỆT :

Bức xạ, gây bởi sự kích thích các nguyên tử và phần tử của chất do chuyển động nhiệt của chúng, được gọi là bức xạ nhiệt Các thiên thể nóng sáng đếu bức xạ nấng lượng ánh sáng theo đủ loại bước sóng trong thang sóng điện từ Cường độ bức xạ của

các vùng phổ khác nhau (các khoảng bước sóng điện từ khác nhau) phụ thuộc vào ahiệt độ của nguồn bức xạ Ở nhiệt độ thấp (dưới 1000° K) thì bứe-xa chủ yếu là hồng

ngoa và vỏ tuyến Phổ bức xạ sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

Ứng với một nhiệt độ xác định thì vật bức xa mạnh nhất ở vùng phổ xác định

và ta thấy vật só màu của vùng phổ ấy Chẳng hạn ở nhiệt độ 3000°K ~ 3000? ta

thấy vật có màu đỏ,ở nhiệt độ 4000”K ~ ð0007K ta tháý vật có màu vàng, Song cũng

cần biết rằng, sự phản bố chính xác về năng lượng và dạng cụ thể của phổ bức xạ còn

phụ thuộc vào thành phần cấu tạo hoá học và các trạng thái vật lý khác của đối tượng

bức xa đang được nghiên cứu

2 BỨC XA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI :

Vật đen tuyệt đối là vật có khả năng hấp thụ tất cả năng lượng tới nó dưới dạng

sóng điện từ

Các nhà vật lý đã rút ra những định luật vẻ bức xạ nhiệt có dạng khá đơn giản của vất đen tuyệt đối Bức xạ của một vật đen tuyệt đối có phổ liên tục, trong đó công suất bức xạ phụ thuộc vào bước sóng theo công thức Plank :

từ À đến › + dà Nếu đem chia (1) cho œ thì ta được độ chói của mặt vật bức xạ

Sự phán bố năng lượng trong phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối mỏ tả theo cỏng

thức (1) được biếu điễn trên đổ thị (hình 2) ứng với một số nhiệt độ khác nhau.

[Tie be máng Điớc trơn cgiớng pyi Mặt Tree (abet citer rare}

sac dua kg kiw 1ax: cô 1huậc Steg

H 2

Ta thấy rằng mỗi đường cong Plank có cực đại ứng với bước sóng xác đính Wien

đã rút ra được định luật sau : Nhiệt độ càng cao thi cực đại của bức xạ vật đen tuyệt

đối càng dịch về phía sóng ngấn của phổ bức xạ Định luật này được gọi là định luật Wien và được biểu điển qua công thức :

Tab (2)

Trong đó b là hằng sé Wien = 2,9.10~m.d6

Khi nhiệt độ tăng thì chẳng những màu của nó thay đổi mà công suất bức xạ của

nó cũng thay đối Stéfan và BoÌtzmann đã rút ra được định luật sau : Công suất bức xạ

của rnột vật đen lý tưởng tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ của nó :

Như vậy trong vùng sóng dài thì công suất bức xạ tỉ lệ với nhiệt độ Công thức

ày được ứng dụng khi nghiên cứu đặc tính của các bức xạ vô tuyến vũ tru

Từ các cỏng thức (3), (3), (4) ta có khả năng xác định nhiệt độ của các thiên thể chi biết những đại lượng tương ứng (3x, 6, £:)

10

§ 3 QUANG PHO VACH

VA UNG DUNG CUA NO TRONG THIEN VAN VAT LY

Các khí loáng ở trạng thái nóng (chẳng hạn như các tình vấn trong dải Ngan

hà) bức xa quang phố vach gốm những vạch sáng ứng với các bước sóng xác định

Sư phán bố các vạch và số lượng các vạch phụ thuộc vào thành phấn cấu tạo hóa học và nhiệt độ chất khí được khảo sát Thực nghiệm còn chứng tỏ rằng, nguyên

tử nào đó eó khả năng phát xạ ứng vớf buớc sóng nào đó thì cũng có khả nắng hấp thụ bức xa bến ngoài có cùng bước sóng ấy Rã ràng trong trường hợp chất khí loãng

ở trang thái nguội nằm trên đường truyền bức xạ của một vật nóng (Chẳng hạn như

khí quyển của các sao) thì các nguyên tử, phần tử của chất khí này hấp thụ một phần năng lượng bức xạ của vật nóng tạo thành những vạch hấp thụ (Vạch tối) trên nền sáng của quang phố liên tục của vật nóng

Trong thiên ván vật lý người ta tận dụng cả ba loại quang phổ trên (liên tục,

Qua quang phố liên tục, người ta suy ra nhiệt độ của thiên thể So sánh quang phổ vach hay quang phổ hấp thụ của một thiên thể với quang phổ vạch của nguyẻn tố hóa học đã biết, người ta suy ra thành phần cấu tạo của thiên thế Nếu nghiên cửu kỹ

hơn đặc điểm của các vạch, người ta còn có thể đoán nhận về nhiệt độ , áp suất, mật

độ của các thành phần sấu tao, cường độ từ trường, của đối tượng nghiên cứu

Trong quang phổ của đa số thiên thể, đặc biệt của hấu hết các thién hà có những vạch đậm nét của nguyên tố Hydro (4 vạch được ký hiệu như sau : H, với bước

sóng À « 6563A*, H,ạ với À = 4861A°, H, với 2 = 4340A', Hạ với À =4102A”) Ngoài ra

còn có các vạch của nguyên tố Heii, Natri, Canxi, và của một số hợp chất phán tử

đơn giản

Bằng nghiên cứu chỉ tiết các vạch người ta còn có thé phát hiện mức độ ion hóa của

các nguyên tử vật chất Chẳng hạn, trong quang phổ của Nhật hoa (Mặt trời) có các nguyên tử Sắt, Kến, Acgon, Canxi ở trạng thái ion hóa cao độ (bị mất 10+15 điện tử) Dưới đầy là bảng thống kế chỉ số các nguyên tử của nguyên tố hóa học tổn tại phổ biến nhất trong vũ trụ (so với nguyên tố Hydro với qui ước số nguyên tử hydro có

HIỆU ỨNG 7EEMAN

12

§1 HIEU UNG ZEEMAN THUONG

Hiệu ứng Zeeman thường là hiện tượng tách mức năng lượng ( và do đó có tách

vạch quang phố) ra thành những thành phần kh: đặt nguyên tử vào trong từ trường

1 TACH MUC NANG LUONG :

Do tương tác từ, nguyên tử trong từ trường thu vào náng lượng phụ, lượng tử hóa

theo m

2m,.C 4x m,C

H là cường độ từ trường mà nguyên tử được đặt vào

Vì m nhản (3l+l) giá trị nên từ một mức năng lượng ban đầu trong từ trường sẽ tách làm (3l+1) mức cách nhau một khoảng :

Emi Ems = Holl

2 SỰ TÁCH VẠCH QUANG PHỔ :

Giả sử khi lkhông có từ trường vạch quang phổ là :

vo = E, - Ey (3)

h Khi đặt nguyên tử vào từ trường, thì nguyên tử thu được năng lượng phụ AE Do

đó, tấn số thay đổi đi một lượng Av

Av = (m;)-m) 1 e H (6)

4xC mạ

13

Ta cỏ : ARK = har hy = C C z C(u;-0))

AK = C (m,-m)) 1 H

ue 4nC m,

AR = (m)-m) 1 @ H (7)

Trong cơ học lượng tử thì Am chỉ có thé lay duce nhing gid tri Am = 0, + 1, tite

có 3 giá trị nén Av hay AA cũng có 3 giá trị tương ứng

Vậy mỗi vạch quang phổ dưới tác dụng của từ trường sẽ bị tách thành 3 thành phan Khi cho A m z 0 thì 2 thành phản 2 bên có tần số dịch chuyển đối với thành phan 4 gia là :

} 2 UNG DUNG CUA HIEU UNG ZEEMAN

Lý thuyết và thực nghiệm cho thay, khodng tach giffa caic vach (AA )ti 16 vdi

cường độ từ trưởng H Như vậy, ta có thể xác định được cường độ từ trường và phương

của các đường cảm ứng từ sủa các thiên thể thông qua việc quan sát số vạch và

khoảng cách 4^ giữa chúng Kết quả quan sát chứng tỏ rằng, ở hấu hết các thiên thể đều có từ trường Hình 3 là quang phổ của vết đen mặt trời cho thấy sự có mặt của

_~ ` ` “ote 4 te weer Oo

wes see8 271004094 6 20661029444 + Kee

H 3 TC CC ‹-/CÝYN 46/0 Hf9wøw 2062094 teres

15

CHƯƠNG 3 :

HiỆệU ỨNG DOPPLER

¡1 SỰ DỊCH CHUYỂN DOPPLER CỦA CÁC VẠCH QUANG PHỔ

Nam 1842, nha vat ly hoc ngum Ao CHRISTAIN DOPPLER (1803 - 1852) da mo

tả vé sư biến đố: trong tấn số eủa sóng ám mà người quan sát thu được khi có sự dịch

chuyến tương đố: giữa nguồn và người quan sát Cụ thể là khi nguồn âm tiến gắn đến người quan sát thi tấn số sóng người quan sát thu được sẽ tắng lên so với tấn số thực của nguồn (Ìà tán số mà người quan sát và nguồn đều đứng yên) Còn khi nguồn 4m rời xa người quan sát thì tần số thu được sẽ giảm di Ta sẽ dễ dàng thấy được hiện tượng này qua tiếng còi hụ của xe lửa hay xe cứu thương, Khi chúng còn ở xa ta, tiếng còi nghe nhỏ và khi càng tiến lai gan thì tiếng còi nghe càng lúc to và chát Hiện tượng biến đổi này được gọi là hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler không chỉ đúng cho sóng ảm mà thôi mà còn đúng cho cả sóng điện từ, sóng ánh sáng Và Fizeau là người đầu tiên trình bày hiệu ứng này cho sóng ánh sáng và dư đoán ứng dụng vào sác vạch quang phố Điếu đó mới là só lợi cho

thêm 4 :^ song so với trường hợp đứng yên ở A Như vậy tấn số sóng mà người quan sat thu duoc bay mo v,, sẽ iớn hơn trường hợp đứng yên một lượng vư/Àa sóng

Vv-Vvạ 2 AV = V,

`

Với Av dược gọi là độ biến thiên tan 36

Va khi ngu quan sát lùi xa nguồn thì dễ dàng thấy rằng số sóng người quan sát thu duge luc nay sé mam đi một lượng: vự - và = Ave “Vy

ho

17

Như váy, trong trường hợp có chuyển động tương đối dọc theo tia nhìn giữa người quan sát và nguồn, thì tấn số sóng mà người quan sát sẻ cảm nhận được (tấn số biểu

kiến › khỏng con là tấn só thực v của nguồn nữa, tấn số tăng (v + Av) khi người quan

sát tiến đến gắn nguồn, và tấn sở sẽ giảm (v - Av ) khi người quan sất ời xa nguồn

Tương tự với bước sóng ta củng có : AR - Xí

Hiệu ứng Doopler trên đầy chúng ta đã xét đơn giản đi với trường hợp nguồn bất

động và người quan sát dịch chuyến dọc theo tia nhìn (dọc theo phương truyến sóng)

Trường hợp tống quát và chính xác hơn, thì chúng ta cấn phải xét hiệu ứng Doppler trong Thuyất Tương Đối vì ngoài độ dịch chuyển dọc theo tia nhìn còn có độ dịch chuyển ngang rất nhỏ và khó kiếm chứng và chỉ được tính đến khi vận tốc v gần bằng vận tốc ánh sáng

2 DO DICH CHUYEN DOPPLER CUA CAC VACH PHO :

Khi quan sát các vạch phổ của các thiên hà người ta nhận thấy só độ dịch chuyến của các vạch so với vạch phổ cho bởi nguyên tố tương ứng được phán tích qua máy quang phổ thì người ta liến giả thiết ngay rằng độ dịch chuyến này là do hiệu ứng Doppler gây ra Độ dịch chuyển của các vạch phổ tỉ lệ với vận tốc tia vr là vận tốc tương đối gmữa thiên hà và trái đất, Nếu khoảng cách giữa thiên hà và trái đất tang lên (v,> 0 ), cách vạch phố lệch về phía đầu đỏ của quang phố nhìn thấy Trường hợp ngược lại, nếu khoảng cách giảm (v,< Ô ) thì lệch về phía đầu xanh (Hình 4)