Hvor bliver de udsendte fotoner i Universet af? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Astrofysik > Hvor bliver de udsendt...

16. februar 2013

Hvor bliver de udsendte fotoner i Universet af?

Hej Spørg om Fysik
For det første jeg er lægmand. Altså aner som udgangspunkt intet om fysik, men alligevel har jeg et spørgsmål.

Universet har eksisteret i omkring 13 - 14 milliarder år. I alle de år har forskellige himmellegemer (stjerner) udsendt lys i form af fotoner. (som jeg forstår det).

Lys udsendes fra et himmellegeme, og efter tid rammer det et legeme der gør at vi (mennesker og dyr på jorden) kan se dette.

Mit spørgsmål er simpelthen. Hvad sker der med lysstrålen når det har ramt et legeme. henfalder den eller fortsætter det sin rejse i uendelighed.

Med venlig hilsen
S J

Lys betegnes ofte som fotoner, det er en lille bølgepakke, som har energi, og som har en bølgelængde (og dermed en frekvens). Alle legemer som har temperatur over det absolutte nulpunkt (og det har de alle på grund af de varmeteoriens sætninger, det er -272.16 ˚C), udsender fotoner dvs. en eller anden form for lys.

Plankkurver som viser synligt område og temperaturafhængighed.

Meget kolde legemer udsender lyste i fjerninfrarød (varmestråling), legemer med temperaturer som solen dvs. effektive temperaturer lidt under 6000 ˚C udsender lyset i det område, vi kan se lys i dvs. vores synsområde er fra omkring 400 nm, violet (0,000000400 m) til lidt over 700 nm rød. Meget varme stjerner der kendes stjerner med temperaturer over 50 000 ˚C, udsender lyset i violet eller ultraviolet. Desuden udsender kerneprocesserne i stjernerne fotoner med meget højere energi i røntgen og gammaområdet.

Der er skrevet en del om det her. Du kan søge i astronomi på Stjerner og i fysik på stråling og kvantefænomener, det gøres i højre spalte foroven, hvor man kan åbne en menu og vælge. Der kan evt. læses mere på: 

Det elektromagnetiske spektrum

Klapperslangehoved, gruperne imellem øjne og næsebor er IR censorerne

Den biologiske udvikling af synet

Når vores syn er bedst i det område, hvor solens stråling er stærkest, skyldes det antageligt den biologiske udvikling af vores øjne, hvor vi har opnået de bedste livsbetingelser ved optimal udnyttelse af lyset. Der er dyr der kan se områder, vi ikke kan se. Bier, en række sommerfugle m.fl. kan f.eks. se en del ud i det ultraviolette område, hvor vi intet kan se, fordi blomsternes ”reklameskilte” er i det område. Og der er slanger der har gruber i hovedet, som kan ”se” meget langt ud i infrarødt, så de kan finde små pattedyr ud fra deres varmestråling. Se også: Hvor bliver varmen i universet af? >>

Der kommer altså stråling i meget store dele af det elektromagnetiske spektrum, lige fra lange radiobølger til hård gammastråling dvs. fra bølgelængder, som måles i km, til bølgelængder som har mere end 14 nuller efter 0,0… et enormt bølgelængdeområde. Hele området lyder de samme love, men det der sker, når en foton rammer noget, afhænger normalt af bølgelængden. Sagt i bred almindelighed, kan det der sker lidt skematisk defineres i tre processer:

Plante af kurveblomstfamilien i normalt lys

Samme i UV lys, bemærk "reklamen" for honning (og støv)

Spejling

Den simpleste er refleksion, dvs. spejling, som vi kender det fra almindelige badeværelsesspejle, specielt formede glaslegemer og blanke metalflader. Her rammer fotonen dette spejl, og sendes uforandret tilbage i en eller anden retning. Spejling kan også ske, idet kortbølget stråling rammer atomlag, og strålingen spredes - dvs. ændrer retning (spejling: samme bølgelængde og energi).

Spejling i metalflade

Braggreflektion

Stødprocesser

Der er en række stødprocesser, hvor fotonen har en energi, så den kan vekselvirke med atomerne i stoffet. Det gælder f.eks. Comptonspredning, hvor en elektron løsrives af en passende energirig foton, og en foton med længere bølgelængde også udsendes fra stødstedet, men normalt i en ny retning. (Stød: Den nye foton har mindre energi, resten af energien bliver ved stoffet).

Compton effekt

Fuldstændig absorption af en foton

Det kan ske ved, at en elektron omkring et atom løftes op til en højere elektronbane. Der udsendes så, før eller siden, en foton af samme bølgelængde, eller to med længere bølgelængde (der er energibevarelse) osv. i helt vilkårlig retning i forhold til den oprindelige. Forsinkelsen kan måles i brøkdele af milliontedele af sekunder, eller den kan være lang, som det f.eks. kendes fra tal på selvlysende ure (Fosforescens), som lyser fordi, at de timer tidligere er blevet belyst, og har fået energien ved absorption (der kan gå noget som skal måles i millioner af år), hvis der kun er kort forsinkelse kaldes det fluorescens.

Strålingen, der kommer fra universet, kan være så kortbølget, at en elektron omkring et atom slås fri. Det kan ske med mange bølgelængder. Der kommer så en stråling, når elektronen igen indfanges af et atom, men den har ikke nogen simpel sammenhæng med den oprindelige.

Der kan dannes par af partikler og antipartikler, som så igen udsender energien på en eller anden måde. Ved meget høje energier, f.eks. røntgen og gammastråling, kan strålingens vekselvirkning ske ved, at den river kemiske bindinger i stykker. Den skadelige virkning på levende væv af denne type stråling består bl.a. i, at strålingen river vores DNA i stykker (arvematerialet i cellen) - og andre vitale stoffer i den levende celle.

Andre måder absorption kan ske på

Der er en række andre tilsvarende måder absorption kan ske på. (Absorption: energien overføres til det legeme strålingen rammer, energien udsendes normalt så senere, men uden sammenhæng i energi og retning med den oprindelige stråling).

Kvantespring

Vi kender alle absorptionsprocessen fra dagligdagen. Når man står nær ved et bål opvarmes tøj og ansigt af strålingen fra bålet. Det er præcis hvad der sker ved absorption af stråling. Al, eller en del af energien, omdannes til varme. Denne varme kan gøre absorptionsområdet varmere, så det  udsender varmestråling med sin lavere temperatur. Indskudt fodnote: Der findes kun varmestråling. Der findes ikke noget der hedder kuldestråling. Det der opfattes sådan, er bare steder hvor varmestrålingen er mindre end fra omgivelserne, alle legemer som er over det absolutte nulpunkt udsender varmestråling.

Lysstrålerne henfalder ikke med tiden

Det er helt korrekt, at der har været udsendt lys i det lange tidsrum. Lysstrålerne henfalder ikke med tiden. De fortsætter til de møder stof eller et atom. De kan ændre retning med fastholdt energi, de kan vekselvirke med atomer, ændre retning og bølgelængde til mindre energi, og aflevere noget energi som varme, og de kan blive helt omdannet til varme i gasser, væsker eller faste stoffer, eller varme som så med tiden udsendes som varmestråling fra legemet. For lys gælder energibevarelsesprincippet som i andre sammenhænge.

Det er klart, at da universer ekspanderer, har det udsendte lys større og større rumfang at være i. Om år milliarder vil stjernerne muligvis efterhånden brænde ud, og komme længere og længere væk fra hinanden. Universet bliver et koldt og mørkt sted, men der er stadig energibevarelse, så rundt omkring vil der være atomer nær det absolutte nulpunkt, som udsender svag varmestråling, dvs. meget langbølgede fotoner.

Med venlig hilsen
Malte Olsen