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天文與曆法

天文與曆法. 葛必揚 2008.1.5. 主題一：天體測量. 1. 光波的測量與代表的意義 a. 光譜 天窗 波長 頻率 b. 成分 原子分子 能階 c. 天文望遠鏡的功能與限制 2. 天體物理量的測量 a. 距離 b. 溫度 c. 亮度 d. 質量. 來自星球的訊息 重力 電磁波 （可見光、無線電波 … ） ……. 波長 λ 頻率 ν 週期 T. 地球大氣窗口. 吸收譜線. 發射譜線. 三稜鏡、光柵、分光儀、析頻器 …. 譜線的意義.

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Presentation Transcript

  1. 天文與曆法 葛必揚 2008.1.5

  2. 主題一：天體測量 1. 光波的測量與代表的意義 a. 光譜 天窗 波長 頻率 b. 成分 原子分子 能階 c. 天文望遠鏡的功能與限制 2. 天體物理量的測量 a. 距離 b. 溫度 c. 亮度 d. 質量

  3. 來自星球的訊息 重力 電磁波（可見光、無線電波…） ……

  4. 波長 λ 頻率 ν 週期 T

  5. 地球大氣窗口

  6. 吸收譜線 發射譜線

  7. 三稜鏡、光柵、分光儀、析頻器 …

  8. 譜線的意義 λmax Δλ ∫λ dλ

  9. 光譜 原子、分子或是圍繞他們的電子，因為能量狀態變化，而吸收或激發不同頻率的光子。 光譜代表的意義 顯示是否含有特定的化學成分 熱運動對應的溫度高低 該成分的含量多少

  10. 望遠鏡的功能 聚光力 鏡面口徑越大，光聚越多，影像越亮 ～ D2 解析力 鏡面口徑越大，影像越清楚 θ～ λmax╱D

  11. 習題 使用口徑是 2m 的望遠鏡，觀測一顆黃色的星（波長 6000 ×10-10m），可得到多大的解析力？ 若希望保持相同的解析力，改用電波望遠鏡觀測波長為 6cm 的訊號，則至少應該使用口徑為多大的天線？

  12. 星球距離 三角視差 星等模數 造父變星 哈伯定律

  13. 恆星測距---三角視差

  14. 習題 三角視差法測恆星距離可得到一個公式 d = 1/p, d 表示距離，p 表示角度 問： 1) 這個方法能測量的距離有沒有極限？ 2) 利用這個方法，如何能夠測量到更遠 星球的距離？

  15. 星球表面溫度 黑體輻射 維恩位移定律

  16. 黑體輻射

  17. 視星等 vs 絕對星等 視星等 m：〝看起來〞的亮度。 測量的量，與星球距離有關。 絕對星等 M： 〝本身具有〞的亮度。 推算的量，與星球距離無關。 反映星球本身發光能力。

  18. 亮度 (以太陽為例) 太陽表面 每秒鐘 的總輻射： L ＝ 3.8×1033 erg/sec L ＝ 4πR2σT 4 地球大氣層外 每平方公分 每秒鐘 接受： f ＝1.36 ×106 erg/sec/cm2 f ＝（R/D）2σT4

  19. 恆星赫羅圖 (HR圖)

  20. 天體質量 克卜勒第三定律 質量—光度關係 星球物理結構… …

  21. 主題二：天文學概述 1. 行星與太陽系 2. 太陽 3. 恆星（結構、演化） 4. 星團 5. 星際物質 6. 星系、星系團 7. 宇宙

  22. 習題 算算星球的比例 地球半徑： 6378 km 太陽半徑： 696000 km 地球—太陽距離：1.5×108 km 與最近恆星距離：4 ly ＝3.8×1013 km 1mm ？ ？ ？ 10cm 20m 5000km

  23. 恆星 恆星是由一大團氫、一小部分氦，與很少量的重元素所構成。 恆星中心因為高溫、高壓，因而產生核融合反應，反應過程中質量損失，轉變成能量，這些能量向外傳遞到恆星表面即發光。

  24. 2000 年臺灣全年發電量： 1565億度 1度電 ≡ 1 KWH ( 仟瓦-小時 )＝ 103 ×107 erg/sec × 60 × 60 sec＝ 3.6 ×1013 erg 1565億度電 ＝ 156,500,000,000 × 3.6 × 1013 erg＝ 5.643 ×1024 erg

  25. 太陽一秒鐘發出的輻射能，相當於臺灣20年的發電量。太陽一秒鐘發出的輻射能，相當於臺灣20年的發電量。 ～20 Years

  26. 太陽能量的產生 • 燃燒？ • 燃煤 3,000年 • 重力收縮？ • 位能轉換成動能與熱能 46,000年 • 核融合？ • 氫融合成氦 10,000,000,000年 • 1938年美國物理學家貝特提出

  27. Proton-Proton Chain(質子—質子融合反應鏈) 1H + 1H ==> 2H + e+ + ν 2H + 1H ==> 3He + γ 3He + 3He ==> 4He + 1H + 1H 1H：氫核 ；2H：氘核；3He ：氦3核；4He：氦核 e+ ：正電子，與 e- 相撞後湮滅 ν：微中子，幾乎不被吸收，逸至太空中（1光年的鉛牆才能吸收微中子） γ：伽瑪射線，波長極短的光子，幾公分內被吸收

  28. 基本氫融合： 4 1H → 4He + Energy 4個氫原子核(質子)質量 = 6.693*10-27 kg (4個質子) 1個氦原子核質量 = 6.645*10-27 kg (2個質子，2個中子) 質量差異 = 0.048 × 10-27 kg， 約佔原先質量的0.7%。

  29. 由愛因斯坦質能不減定律： E = mc2 = (0.048×10-27 kg) × (3×108 m/sec)2 = 0.43 ×10-11 J 維持太陽穩定狀態，需每秒鐘約 1038次這種融合反應；即約每秒鐘有500萬噸的質量轉換成能量，才夠抵消太陽自身重力的收縮。

  30. P = nkT/ V

  31. 恆星演化 • 決定恆星壽命的因素只有一個： 質量！ 「壽命」：恆星維持穩定發光的時間。 • 質量愈大，壽命愈短！ • 例如太陽壽命約一百億年，而天狼星的壽命卻只有幾百萬年。 • 由比例來看，如果太陽可活七十歲，天狼星只能活三天！

  32. 恆星演化

  33. 恆星演化 • 恆星由雲氣生成 ，最後又成為雲氣與塌縮 的核心殘骸。 • 低溫濃密的分子雲，是恆星形成的搖籃。 • 恆星年老，膨脹爆炸，成為紅巨星，然後： 低質量恆星 → 白矮星+ 行星狀星雲 高質量恆星 → 超新星爆炸+ 中子星 甚至 → 超新星爆炸+ 黑洞

  34. 星系 銀河是一個星系，包含約2000億顆恆星。 星系主要組成的物質是恆星和雲氣。 宇宙中大約有500億到1000億個這樣的星系。

  35. 主題三、時間與曆法 1. 地球的運動 a. 自轉、公轉、進動、章動、不規則 b. 歲差的效應 2. 時間的定義 a. 日、月、年、秒 b. 恆星時與太陽時 c. 年與歲的不同 d. 朔望月與月球自轉 3. 曆法簡介 a. 陰曆、陽曆、陰陽合曆 b. 閏年、閏月、閏秒

  36. 地球的運動 自轉 公轉 進動 章動 不規則運動

  37. 國際標準時、時區、地方時 以英國格林威治（地理座標經度0度）為標準， 向東、西兩方每隔15度增加或減少1小時， 至太平洋上東西經相會處，為國際換日線。 台北位於東經121.5度，屬於東八區，領先世界時 8小時。即 UT1＝台北時間－8hr

  38. 地球的自轉 自轉的速率 一圈 ≠ 一天 自轉的方向 由西向東， 通過“地心” 的軸 地球的形狀

  39. 一天到底怎麼訂定？ 地球自轉一圈是一個恆星日 恆星日＝23h56m04.1s 地球公轉一圈的平均值是365.2422平太陽日 一日是 86400秒＝24h 一秒＝ Cs133原子基態兩個超精細結構間電子轉換的頻率 ＝ 9,192,631,770Hz

  40. 恆星日、太陽日 因為地球繞日公轉，所以連續兩次正對太陽所需的時間，比地球真正自轉一圈的時間要長，這也造成星星每天提前約4分鐘 東升。

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