79. Допплеровское смещение на краю диска Солнца
Солнце совершает один оборот вокруг своей оси за 24,7 суток. Радиус Солнца составляет около 7,0⋅10⁸ м. Вычислите величину допплеровского смещения, которое должно наблюдаться для света с длиной волны 5000 Å (1 Å=10⁻¹⁰ м) на одном из краёв диска Солнца вблизи его экватора. Происходит ли это смещение в стороны красного или синего конца видимого спектра? Сравните величину смещения Допплера с величиной гравитационного красного смещения для поверхности Солнца (упражнение 73). ▼
80. Расширяющаяся Вселенная. (Вспомните упражнение 6)
а) Производится спектрометрическое исследование света, приходящего от далёкой галактики. Спектральную линию с длиной волны 7300 Å удаётся отождествить (по её положению в общей картине линий) со спектральной линией водорода, обладающей для излучения водорода в условиях лаборатории длиной волны 4870 Å. Если изменение длины волны обусловлено эффектом Допплера, то с какой скоростью должна двигаться относительно Земли исследуемая галактика? Заметьте, что свет распространяется в направлении, противоположном направлению движения галактики (φ=φ'=π).
б) Полученные независимым путём данные говорят о том, что исследуемая галактика находится от нас на расстоянии 5 миллиардов световых лет. Оцените время, прошедшее с момента, когда эта галактика отделилась от нашей Галактики (Млечного Пути), приняв для простоты, что в прошлом скорость удаления была всегда постоянной (не замедлялась под действием взаимного притяжения галактик). Астроном Эдвин Хаббл обнаружил в 1929 г. 1), что это время (обратная которому величина носит название постоянной Хаббла, так что его можно называть хаббловским временем) приблизительно одинаково для всех галактик, расстояния до которых и скорости которых удалось измерить. Отсюда возникло представление о расширяющейся Вселенной 2). Приведёт ли к увеличению или уменьшению в оценке времени, прошедшего с начала расширения, учёт влияния тяготения в прошлом, приводящий к замедлению этого расширения?
1) Е. Hubble, Proс. U. S. National Acad. Sci., 15, 168 (1929).
2) Дальнейшие подробности см., например, в книге Hermann Bondi, Cosmology, Cambridge University Press, Second Edition, 1960. [Теоретически возможность расширяющейся модели Вселенной была предсказана еще в 1921 г. А. А. Фридманом; см. его работы, перепечатанные в Успехах физических наук, 86, № 3 (1963).— Прим. перев.]
▼
81*. Анализ парадокса часов с помощью эффекта Допплера 3)
3) Е. Feenberg, American Journal of Physics, 27, 190 (1959).
Проблема парадокса часов (см. упражнения 27 и 49) может быть изящно разрешена с помощью учёта эффекта Допплера. Вспомним, что Павел оставался на Земле, тогда как Пётр летал с огромной скоростью β𝑟 до далёкой звезды и обратно на Землю. Пусть они оба наблюдали удалённую переменную звезду, яркость которой попеременно ослабевает и увеличивается с частотой ν в системе отсчёта Земли (ν' в системе отсчёта ракеты). Предположим, что расстояние до этой переменной звезды намного превышает длину пути Петра, а направление на неё в системе отсчёта Земли перпендикулярно направлению движения Петра. Оба наблюдателя зарегистрируют одно и то же общее число пульсаций переменной в течение всего путешествия Петра от его вылета до возвращения. Исходя из этого факта и из формулы для допплеровского смещения (упражнение 75)
ν'
=
ν ch θ
𝑟
⋅
(1-β
𝑟
cos φ)
(122)
при данном угле наблюдения φ= 90° в лабораторной системе отсчёта, проверьте утверждение, что к концу путешествия, описанного в упражнении 27, Пётр постареет всего на 14 лет, тогда как Павел — на все 50. ▼
82*. «Не превышайте скорости»
На автостраде установлен стационарный радиолокатор, сдвиг частоты луча которого, отражённого от едущей навстречу ему машины, используется для измерения скорости её. Одна из таких установок, используемых полицией в штате Нью-Джерси, работает на частоте 2455 Мгц. Насколько сдвигается частота отражённого луча, если приближающаяся к радиолокатору машина имеет скорость 80 миль/час (1 миля/час = 0,447 м/сек). (Произведите приближённый расчёт, предполагая, что автомашина служит источником той же частоты, какой обладает излучение, падающее на неё в её системе покоя. Для того чтобы решить эту задачу, необходимо произвести два преобразования: от системы отсчёта автострады к системе отсчёта машины, а затем от системы отсчёта машины вновь к системе отсчёта автострады). Допустим, что радиолокационная установка способна различать скорости, разность между которыми составляет не менее 10 миль/час. Какое относительное изменение частоты может зарегистрировать эта установка? ▼
83*. Допплеровское уширение спектральных линий
Средняя кинетическая энергия атома газа при температуре 𝑇°𝐊 (шкала Кельвина) равна ³/₂⋅𝑘𝑇 (Константа 𝑘 называется постоянной Больцмана и равна 1,38⋅10⁻²³ дж/град). Определите относительное изменение частоты, обусловленное допплеровским смещением, которое будет наблюдаться в излучении атомов газа при температуре 𝑇. Используйте в качестве приближения для малых скоростей ньютонову механику. Будет ли наблюдаемая частота больше или меньше вследствие эффекта Допплера? Это явление — причина того, почему любая данная спектральная линия газа, возбуждённого электрическим разрядом, состоит из узкой полосы частот вокруг некоторой центральной частоты. Оно называется допплеровским уширением спектральных линий. ▼
84*. Изменение энергии фотона вследствие отдачи излучателя
а) Свободная частица, первоначально покоившаяся и обладавшая массой покоя 𝑚, излучает фотон с энергией 𝐸. Эта частица (её масса покоя стала равна 𝑚) испытывает отдачу, и её параметр скорости становится равен θ (рис. 113).
Рис. 113. Отдача, испытываемая частицей при испускании фотона.
Сформулируйте законы сохранения таким образом, чтобы в них не фигурировала ни скорость, ни параметр скорости. Рассмотрите тот случай, когда относительное изменение массы покоя в процессе излучения намного меньше единицы. Покажите, что энергия фотона равна 𝐸₀=𝑚-𝑚. Покажите также, что в общем случае
𝐸
=
𝐸₀
⎛
⎜
⎝
1
-
𝐸₀
2𝑚
⎞
⎟
⎠
или
𝐸-𝐸₀
𝐸₀
=
Δ𝐸
𝐸₀
=-
𝐸₀
2𝑚
.
(123)
б) Покажите, что такое изменение энергии в области видимого света (𝐸₀,обычн ≈3 эв), излучаемого атомами газа (𝑚𝑐≈10⋅10⁹ эв), намного меньше, чем обусловленное эффектом Допплера, вследствие теплового движения атомов (упражнение 83) даже при таких низких температурах, как комнатные (𝑘𝑇≈1/40 эв). ▼
85*. Эффект Мёссбауэра
а) Свободный атом железа 𝙵𝚎⁵⁷, образовавшийся в так называемом «возбуждённом состоянии» при радиоактивном распаде кобальта 𝙲𝚘⁵⁷, при переходе в «нормальное состояние» атома 𝙵𝚎⁵⁷ излучает из ядра гамма-квант (фотон высокой энергии) с энергией 14,4 кэв. Чему будет равно относительное изменение энергии гамма-кванта, вызванное эффектом отдачи атома? Масса атома 𝙵𝚎⁵⁷ составляет около 57 масс протона.