ألوان النجوم ودرجة حرارتها
يستنتج الطالب العلاقة بين درجة حرارة سطح الجسم المتوهج ولونه، ويرتّب النجوم من الأبرد إلى الأسخن بحسب ألوانها.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: طيف الجسم الأسود — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٥): ألوان النجوم — الجزء الأول، ص ١٠٣
خطوات التجربة
افتح المحاكاة (لها شاشة واحدة)، ولاحظ منحنى الطيف ومنطقة «الطيف المرئي» الملوّنة على المحور الأفقي، ومقياس «درجة حرارة الجسم الأسود» بالكلفن (K).
فعّل «قِيَم الرسم البياني» و«التصنيفات» لتظهر قمة المنحنى وأسماء مناطق الطيف.
انقل جدولًا بأعمدة: الجسم، درجة الحرارة (K)، لون الجسم المتوهج، موضع قمة المنحنى. ثم اختر «الشمس» وسجّل درجة حرارتها ولونها وموضع القمة.
اختر «المصباح الكهربائي» وسجّل في الجدول، ولاحظ إلى أين انتقلت قمة المنحنى وكيف تغيّر ارتفاعه.
اختر «الشِّعرى اليمانية أ» وسجّل في الجدول، وقارن لونها وموضع قمتها بالشمس.
اختر «الأرض»، ولاحظ في أي منطقة من الطيف يقع منحناها كله.
حرّك مقياس درجة الحرارة ببطء من أدناه إلى أعلاه، وراقب تغيّر لون الجسم من الأحمر إلى البرتقالي فالأصفر فالأبيض فالمائل إلى الزرقة.
الفكرة العلمية
كل جسم ساخن يشع ضوءًا وحرارة، ولون توهجه يدل على درجة حرارة سطحه. فكلما ارتفعت درجة الحرارة زادت الطاقة المنبعثة، وانتقلت قمة الطيف نحو الأطوال الموجية الأقصر، فيتغير اللون من الأحمر إلى البرتقالي فالأصفر فالأبيض فالأزرق. وهذا ما يلخصه جدول الكتاب: نجوم الصنف M حمراء وأبرد من ٣٥٠٠ س°، ونجوم الصنف O زرقاء وأسخن من ٢٥٠٠٠ س°، والشمس في الصنف G صفراء. فاللون يدل على الحرارة لا على حجم النجم. والمحاكاة تقيس الحرارة بالكلفن (K)، والكلفن يساوي الدرجة المئوية مضافًا إليها ٢٧٣ تقريبًا، فالشمس فيها ٥٨٠٠ K، أي نحو ٥٥٠٠ س°. والمحاكاة تعرض منحنى جسم مثالي يسمى الجسم الأسود، وطيف النجم الحقيقي قريب منه. ونشاط الكتاب قراءة جدول، أما هنا فتغيّر الحرارة بنفسك.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
رأيت في السماء نجمين، أحدهما برتقالي والآخر أزرق. أيهما سطحه أسخن؟
- البرتقالي، لأن اللون البرتقالي لون النار
- الأزرق
- متساويان، فاللون يدل على الحجم لا الحرارة
- لا يمكن معرفة ذلك من اللون
اعرض الإجابة
ب) الأزرق
في المحاكاة صار الجسم مائلًا إلى الزرقة عند أعلى الحرارات، وكان برتقاليًا أو أحمر عند حرارات أدنى. ويرتبط الأحمر والبرتقالي في أذهاننا بالنار الحارة والأزرق بالبرودة، لكن الأمر في النجوم معكوس.
خفّضت درجة الحرارة من «الشمس» إلى «المصباح الكهربائي». إلى أين انتقلت قمة المنحنى؟
- نحو الأطوال الموجية الأقصر (الأزرق وفوق البنفسجي)
- بقيت في مكانها وانخفض ارتفاعها فقط
- اختفت تمامًا
- نحو الأطوال الموجية الأطول (الأحمر وتحت الحمراء)
اعرض الإجابة
د) نحو الأطوال الموجية الأطول (الأحمر وتحت الحمراء)
انخفاض الحرارة ينقل القمة نحو الأطوال الموجية الأطول، ويخفض المنحنى كله. ومن قال إن القمة بقيت مكانها لاحظ الانخفاض فقط ولم ينتبه إلى انتقالها نحو تحت الحمراء، ولهذا يعطي المصباح حرارة كثيرة مع ضوئه.
الشعرى اليمانية من الصنف A والشمس من الصنف G. ماذا تتوقع؟
- الشعرى اليمانية أسخن وأقرب لونًا إلى الأبيض
- الشمس أسخن لأنها أكثر لمعانًا في سمائنا
- حرارتهما متساوية لأنهما نجمان
- الشعرى اليمانية أبرد وأكثر احمرارًا
اعرض الإجابة
أ) الشعرى اليمانية أسخن وأقرب لونًا إلى الأبيض
في المحاكاة كانت حرارة «الشِّعرى اليمانية أ» نحو ٩٩٥٠ K، وحرارة «الشمس» نحو ٥٨٠٠ K، وكان لون الشعرى أقرب إلى الأبيض. والشمس تبدو لنا أسطع لأنها قريبة منا جدًا، واللمعان الظاهري لا يدل على الحرارة.
الأرض تشع طاقة كما رأيت في المحاكاة، فلماذا لا نراها متوهجة في الظلام؟
اعرض الإجابة
لأن حرارة الأرض منخفضة، فيقع منحناها كله في منطقة تحت الحمراء ولا يصل إلى «الطيف المرئي». فالأشعة تحت الحمراء لا تراها العين، مع أن الأرض تشعها فعلًا.
تُسخَّن قطعة حديد في نار الحدّاد، فتحمرّ أولًا ثم تصير برتقالية ثم مصفرة. فسّر ذلك بما رأيته في المحاكاة.
اعرض الإجابة
كلما ارتفعت حرارة الحديد انتقلت قمة طيفه نحو الأطوال الموجية الأقصر. فعند حرارة أقل يغلب الأحمر على الجزء المرئي من الطيف، ومع زيادة الحرارة يدخل البرتقالي ثم الأصفر. فلون التوهج يدل على درجة الحرارة، كما في النجوم.