普通天文学/光学原理

普通天文学
运动和引力	光学原理	望远镜

光是我们感知和与周围环境相互作用的一种能量媒介。它是电磁辐射的可见频率范围，也包括电磁辐射的不可见形式，例如紫外线、红外线和无线电波。

与所有电磁辐射一样，光也是由称为光子的能量包（或量子）传递的。这些光子是电磁力在其他粒子（例如与原子相关的电子）之间传递的单位。根据观察光子的环境，光子可以表现为粒子或波。这种原理被称为波粒二象性。

波特性

电磁辐射的波状性质意味着它可以在图上绘制为垂直于波传播方向的振荡电场和磁场。这些振荡的频率以每秒完成的循环次数或赫兹来衡量。光子的特定频率将其放置在可能频率谱的某个位置。这被称为电磁频谱。构成可见光谱的频率范围介于 3.8×10¹⁴ 赫兹（深红色）和 7.5×10¹⁴ 赫兹（紫色）之间。

光速，用符号 c 表示，已精确测量为 299,792,458 m/s 或大约每秒三十万公里，并且已被证明在真空中是恒定的。真空是指理论和实验目的而言，本质上没有物质的体积空间。光速是现代物理学的基本常数，无论观察者如何运动，它都保持不变。因此，例如，如果你能够以光速的一半速度运动，并且你测量从前面到达的光的速度，你将测量它以光速（3.00 x 10⁸ m/s）到达。

由于光速在真空中是恒定的，因此对于给定的频率，光子将具有相应的波长，即波峰之间的距离。光的频率和波长通过以下公式直接相关

c=f\cdot \lambda

其中 c 是光速的常规符号，通常以米每秒为单位，f 是光的频率，以赫兹为单位，λ 是波长，以米为单位。

假设光速为 3.00 × 10⁸ 米每秒，那么可见光谱的波长范围约为 400 到 800 nm，或纳米。（纳米是 10⁻⁹ 米，或十亿分之一米。）

400 nm 的较短波长对应于较高的频率，位于可见光谱的蓝色端。同样，800 nm 的较长波长属于光谱的红色端。光子的实际能量随着波长的减小（或频率的增加）而增加。

爱因斯坦因将普朗克理论应用于电磁学而获得了诺贝尔奖。

强度

辐射源的强度是指其每单位面积每单位时间发射的能量，单位为焦耳/(米² x 秒)。当球形表面 I₀ 发射的能量远离该表面移动时，辐射强度随着距离的平方成反比而减小 (I=I₀/d²)，因为辐射会散开。换句话说，观察者感知到的光源强度与观察者到光源的距离的平方成反比。因此，对于光源距离的每两倍，强度都会下降四倍，或 2 × 2。

恒星天体（如恒星）的亮度由它们辐射的光量和它们到地球的距离决定。天空中一颗明亮的恒星实际上可能比一颗暗淡的恒星远得多，但由于它更强烈并辐射出更多的光，因此它看起来更近。

天文学家将恒星天体的光强度记录为数值星等。星等是对数刻度上的一个数字，已经过标准化，因此星等每变化 5 个单位，强度就会变化 100 倍。此外，星等的值随着光源强度的减弱而增加。

因此，2.0 星等的恒星比 1.0 星等的恒星暗。一颗 1.0 星等的恒星的亮度也是一颗 6.0 星等的恒星的 100 倍。每增加 +1.0 星等，就相当于将强度除以 2.512。

星等标尺的参考点设为零。曾经它是以织女星或 α 天琴座为基础。最亮的恒星天狼星（α 大犬座）的星等为 −1.46。典型人眼所能看到的最暗星等被认为是 6.0。然而，人们在良好条件下观察到比这更暗的恒星。使用望远镜更大的集光面积和照相机的更长曝光能力，可以观察到更暗的恒星。

反射

镜子是一个平坦或弯曲的表面，通常由高导电材料制成，例如金属。当光与镜面相互作用时，它会发生镜面反射。也就是说，照射到镜子的光束仅在一个方向上反射。这个方向由反射定律决定，该定律指出光反射的表面角等于它入射的表面角。

在这幅图中，从物体到达眼睛的反射光线产生了物体在镜子后面反转的幻觉。

光子相对于镜子的运动包含两个部分。第一部分是平行于镜子的运动部分，第二部分是垂直于镜子的运动部分。反射后，平行于镜子的部分保持不变。然而，垂直部分现在方向相反。也就是说，它有效地“弹回”表面，就像橡胶球弹回地面一样。

当光与非反射表面相互作用时，一部分光被表面吸收，其余部分在随机方向上散射。这种类型的反射称为漫反射，它导致环境光的照明效果。

被表面吸收的光的比例称为其反照率。反照率等级越低，它以漫射方式反射的光就越少。反照率等级低的表面在观察者看来是暗的，而反照率等级高的表面在观察者看来是亮的。表面的反照率等级可以告诉天文学家关于表面性质的信息。例如，被碳烟覆盖的表面将具有较低的反照率，而冰面将具有较高的反照率。

折射

当光以一定角度穿过透明介质时，该材料会导致光子略微改变方向。这种角度变化称为折射，光线弯曲的角度由材料的折射率决定。

在这幅图中，入射光束以 θ₁ 角照射到玻璃表面。一部分光能以 θ₂ 角折射穿过玻璃。剩余的大部分光能以 θ'₁ 角反射。

通过斯涅尔定律，可以通过光线穿过介质的两个材料的折射率来确定角度变化。对于折射率分别为n₁ 和n₂ 的材料，第一个材料中的角度θ₁ 决定了新材料中的角度θ₂，如下所示

n_{1}\cdot \sin(\theta _{1})=n_{2}\cdot \sin(\theta _{2})\,

以下是某些常见透明材料相对于真空的折射率（在 589 nm 波长下）

材料	索引
空气	1.003
水冰	1.331
水	1.333
石英	1.46
冕牌玻璃	1.52
重燧石玻璃	1.66
金刚石	2.419

其中空气的折射率是在海平面，水的温度在水的冰点，水在20 °C。

光谱

对于给定的透明材料，例如玻璃，光的折射随频率而变化。白光由各种能量的光子组成。光中的红色光子会比蓝色光子偏转的角度更大。

如果光穿过具有平行侧面的透明材料，例如一块玻璃，光束将以与进入时相同的角度射出。但是，当两侧不平行时，角度将根据频率而变化。这是棱镜背后的原理。玻璃棱镜用于将来自光源的光子分离成从红到蓝的频率光谱。类似的原理是当太阳光穿过水滴时形成彩虹的原因。

折射率随频率变化，导致来自左侧的平行单色光线以不同的角度从棱镜中射出。

专门用于显示辐射物体（如恒星）光谱的仪器称为光谱仪。

早期的光谱仪是使用一系列棱镜来构建的，这些棱镜会逐渐将光谱进一步分开。然而，这种布置的问题是，每个棱镜都会吸收一些通过的光。这限制了可以观察到的物体的亮度。一种称为衍射光栅的仪器，它是一种带有系列平行刻线的镜子，利用衍射原理来产生光谱，而光强损失很小。

艾萨克·牛顿发现，光束只能被衍射到一定程度，不能再远。衍射可以重新组合成白光。

透镜

透镜利用折射的特性来弯曲来自远处物体的光线，使其看起来更近（或更远）。简单地说，透镜是一个“包裹”在圆圈中的棱镜，因此光线被对称地弯曲。

然而，由于不同频率的光以不同的角度弯曲，因此光线聚焦的点会随频率而变化。通过透镜观察的观察者会看到靠近边缘的光源呈现彩虹般的色差。这称为色差。

为了调整这种频率聚焦的变化，光学技师通常使用由不同材料制成的透镜组合（具有不同的折射率）。明智地使用材料和透镜形状将导致透镜将所有光线聚焦在相同的距离处，产生高质量的图像，不会出现色差。

放大倍数

当您观察附近物体时，它在您的视野中跨越一定角度。也就是说，如果您有一条从物体顶部到您眼睛的虚线，以及从物体底部到您眼睛的类似虚线，则这两条线之间将存在一定角度。

随着物体退入远处，它在您视野中跨越的角度会逐渐减小，直到几乎成为一个点。从物体顶部和底部的虚线现在几乎平行。事实上，对于像恒星这样的天体物体，这些线基本上是平行的。

为了扩大物体的表观，有必要修改传入光线的路径，使它们不再平行，而是以一定角度进入您的眼睛。然后，眼睛会感知到物体，就好像它离得更近一样。

有两种常见的使平行光线以这种方式会聚的方法。第一个涉及使用弯曲的凹面镜。第二个利用玻璃等材料的折射能力以一定角度向内重新定向光线。

实现这一点所需的玻璃形状是凸透镜。透镜中心的部位只需要很小的曲率，因为它们只需要将光线稍微弯曲到你的眼睛。然而，在透镜的边缘，光线需要以更大的角度弯曲，因此透镜的侧面像棱镜一样相互弯曲。总体而言，透镜的侧面形成一个平滑的曲线，该曲线在逐渐向边缘倾斜时逐渐增大。

一个制作精良的凸透镜会使来自远处光源的平行光线聚焦在一个点上。当有多个这样的光源时，它们各自在一个称为焦平面的平面上聚焦在一个点上。人眼可以感知这个平面的图像，结果是视野被放大。如果图像没有聚焦在一个平面上，那么图像将看起来模糊。

衍射

光的另一个波动特性是每当它遇到障碍物时就会弯曲和扩散的趋势。任何光束也会随着距离而扩散，因此不可能保持任意长度的紧密光束。衍射的特性限制了远处物体的分辨率。

当一束相干光，例如由激光产生的光，通过两个狭缝开口时，光线从狭缝辐射出去，就像池塘中的涟漪。来自两个狭缝的半圆形涟漪相互作用，有时它们的波高相加，有时相互抵消。这称为相长干涉和相消干涉。如果在这些涟漪相互作用的区域放置一块屏幕，就会出现明暗相间的条纹。

分辨率

观察仪器的分辨率是衡量它可以用来区分两个非常靠近的点的程度。例如，这两个点可以是双星系统中的两颗恒星。在天文观测中，分辨率通常用弧秒来衡量。分辨率会根据一些环境和质量条件而变化，但它始终受观测仪器的孔径限制。也就是说，任何特定望远镜都能达到的最佳分辨率是有限的。要获得更好的分辨率，需要更大的孔径。

要了解为什么会出现这种情况，想象一个只包含两个垂直狭缝的望远镜，这两个狭缝之间隔着一定的距离，并在后面有一个观察屏幕。当来自远处恒星的光线进入这个望远镜时，它穿过狭缝并在屏幕上形成干涉图样。明暗条纹之间的距离与光的波长成正比，与狭缝之间的距离成反比。因此，增加狭缝的分隔将减小每个条纹的宽度。

现在假设有两颗恒星。它们都会在屏幕上形成明暗条纹，这些条纹可能会重叠。两颗恒星彼此越靠近，它们的干涉条纹就越靠近，直到它们变得不可区分。但是，如果增加狭缝的分隔，那么条纹就会变窄，并且可以再次区分这些恒星。这是干涉仪背后的原理。

干涉仪

在普通望远镜中，分辨率由孔径决定。在这方面，望远镜可以被认为是一系列允许光线通过的狭缝，边缘的光线提供最大的分辨率。通过在最大孔径之外添加一组收集外围光线的镜子，可以有效地增加孔径，从而提高望远镜的分辨率。

类似地，可以配置两个或多个望远镜协同工作，并提供至少等于其收集表面之间的间距的孔径。这种装置称为干涉仪，因为来自两个望远镜的图像通过衍射干涉过程集成在一起。射电望远镜多年来成功地使用这种技术来实现非常高的分辨率。光学干涉仪更难制造，因为它们需要极高的精度，并且需要抑制任何振动。

反射光栅

反射光栅是表面经过非常精确地刻划出一系列平行凹槽的表面。凹槽具有锯齿形图案，每个凹槽都包含一个长而平坦的表面，该表面以微小的角度加工而成，边缘有一个尖锐的台阶。每个凹槽都很窄，约每毫米 600 条线（每英寸 15,000 条线）。

当光线从每个凹槽反射时，它会比相邻凹槽的光线稍微滞后。这种差异会产生干涉效应，增强某些角度的光线，抵消其他角度的光线。光栅非常有效地破坏性地干涉光线，除了在某个特定角度，光线在那里相长干涉并产生峰值强度。该峰值的角度随光的波长而变化，因此会产生光谱。

偏振

除了传播方向之外，光子还包含一个电场和一个磁场。这两个场相互垂直，并且与传播方向垂直。这被称为横波。这些垂直的场赋予了光子一个方向。每个光子的场在真空中传播时会保持其方向。这种类型的场被称为平面偏振。

通常，光源发出的光包含大量随机偏振的光子。然而，有可能使一些光子沿相同方向排列，从而变得偏振。这种相干排列可以通过偏振片来检测。当偏振片与偏振方向一致时，偏振光会通过。当偏振片旋转时，它传输的偏振光会减少，直到最终与偏振平面垂直时，它会完全阻挡所有偏振光。

光在从表面反射时，例如阳光从水池中反射，会部分偏振。反射的阳光为驾驶车辆的人提供了眩光来源。由于这种光线是部分偏振的，因此使用偏振太阳镜可以优先阻挡偏振光，从而帮助减少眩光。

天文学家可以检查恒星光源，以确定它是否为偏振光源。偏振的存在表明光源或光线视线方向上存在某些物理性质。例如，磁场可以使光源偏振，电子的加速到接近光速也会使光源偏振。

谱线

当原子吸收光子时，能量会迫使原子中吸收的电子进入激发态。电子的行为发生改变，实际上变得更加活跃，进入一个新的核轨道模式。能量足够高的光子，或者能量足够的光子组合，甚至可以将电子从原子中击出。然后原子电离并获得一个净正电荷。

由于微观粒子的量子性质，原子中电子的能量变化被限制在非常特定的量。当能量正好为这个值的特定光子被电子捕获时，它必须跃迁到一个新的更高能量级。因此，每个原子都有一个特定的能量带集，它将根据其电子的当前能量状态优先吸收光子。

当白光穿过由相同类型原子组成的气体时，这些原子将倾向于吸收与它们电子跃迁到新能级所需的能量相匹配的频率的光。在气体另一侧观察光谱的观察者会看到这些能量已被吸收的暗线。同样，从另一个角度观察气体的观察者会看到这些相同能量频率被原子发射的亮带。

这种在特定频带选择性吸收光的特性在天文学中很重要，因为它允许天文学家确定遥远天体的化学性质。例如，恒星会辐射出包含强弱吸收带的光谱，这些吸收带由其表面不同气体的含量决定。记录和测量这些谱线的科学被称为光谱学。

多普勒效应

当一个物体在太空中向我们移动时，它可能会向我们辐射光。我们接收到的光的速度不会改变。然而，在它发射的光波每个峰值之间的间隔内，物体已经稍微靠近我们了。因此，波长变短，看起来比正常更蓝。相应地，一个远离我们的物体其波长会拉长，使它看起来更红。

这种红移或蓝移特性在天文学中有很多重要的应用。它可以用来测量遥远天体（例如星系）相对于我们移动的速度。对于旋转的物体，我们可以通过比较朝向我们旋转的边缘的蓝移与远离我们旋转的边缘的红移来测量其旋转速度。我们还通过恒星绕伴星运行时光谱向蓝或红方向的规律振荡发现了双星系统。

光谱学和光度学

光谱学涉及观察光谱。光谱是在你将来自光源的光通过棱镜或光栅将其颜色散开，然后观察特定波长处的光量时得到的。这样做可以得到大量信息。

所以，让我们拿起一个光谱仪，把它指向荧光灯泡或星云。你会看到，光并不是连续的彩虹色或波长，而是来自不同明确定义波长的光的组合。你会看到谱线。

这些谱线的原因是，荧光灯泡中的气体中电子的能量只能处于某些能级。当你在荧光灯泡中对气体做一些事情来激发它时，原子气体中的电子会移动到更高的能量轨道，称为激发态。它们会在这个激发态停留一段时间，从毫秒到秒不等。当电子从高能态下降到低能态时，它们会发出特定波长的光，该波长的能量（以及相应的波长）等于这两个能级之间的能量差。这被称为发射光谱。

检测到的光谱可以洞悉发射光谱的天体的组成。每个元素和物质都有其独特的能级和谱线，通过将发射光谱的谱线与已知元素的谱线进行比较，可以发现天体的组成。

当你在原子中加入能量时，电子会移动到更高的能级。当电子放松并向下移动能级时，它会为每个跃迁发出一个光粒子。由于每个能量都与特定的颜色相关联，因此每次跃迁都会发出单一波长的光。刺激和再发射之间的时间非常快（大约微秒），但有些物质中，从高能态到低能态的跃迁需要很长时间。一个例子就是发光贴纸。当你把它暴露在光线下时，它会将一些电子踢到高能级，而电子需要几秒钟到几分钟才能恢复到原来的状态。

可以从天体的光谱中发现关于它的其他信息。例如，当温度升高时，你最终会有越来越多的电子处于更高的能级，这会影响光谱，使你最终得到更强的谱线。但是，如果你将温度提高到某个点以上，电子会完全离开原子，谱线会变弱。

你还可以发现天体的压力和密度。随着压力和密度的增加，粒子相互作用改变电子能级到更高或更低能级的可能性会增加。这会导致谱线变宽，因为电子没有足够的能量从特定的能级开始和结束。

如果你将压力和密度提高到足够高，电子将不再有足够的时间停留在某个能级，因此谱线会变宽，形成所谓的连续光谱。连续光谱由固体、液体或高压气体发射。由于电子不再局限于特定的能级和波长，因此电子通常会发射低能量的红外光子而不是可见光光子。因此，发射连续光谱的东西（例如灯泡，特别是白炽灯泡）会比发射更离散光谱的东西（例如荧光灯泡）在更低频率（称为热量）处发射大部分能量。由于能量守恒，荧光灯泡会非常有效地将电能转化为光，而白炽灯泡会将其大部分能量作为热量发射。因此，荧光灯泡将电能转化为光的效率更高。

还有一种非常常见的光谱。如果你将气体暴露在不同波长的光线下，如果其中一个波长恰好与气体中能级的能量差相匹配，它将吸收该特定波长的光。所以，如果你有一个连续光谱的光源，让它通过前面的冷气体，你就会产生所谓的吸收光谱。大多数恒星发射吸收光谱，因为恒星的冷上层吸收了来自恒星热下层发射的光的谱线。

到目前为止，我们一直在讨论可见光，但光谱学的原理适用于其他类型的电磁辐射，而可见光只是整个波长范围内的一小部分。您可以拥有伽马射线或 X 射线光谱（比可见光波长短），以及微波和红外光谱（比可见光波长长）。最大的区别在于是什么产生了辐射。原子不同状态之间的能量差通常是可见光粒子的能量。X 射线光子会将电子直接从原子中击出，因此 X 射线不能由电子在原子能级之间跃迁产生。然而，X 射线是在原子核在不同的核能级之间跃迁时产生的。相反，微波辐射可以在分子在“摆动”时在能量状态之间移动时产生。因此，通过观察微波，您可以通过检测光谱中的微波来检测寒冷的分子气体云。相反，通过将微波发送到包含水的物质中，分子将被诱导“摆动”，换句话说，加热。同时，微波将穿过能量级与微波不匹配的事物（空气或陶瓷）。因此，如果您将一杯咖啡放入微波炉中，所有的能量都会被咖啡吸收，而不会被杯子或空气吸收。

关于光谱学的最后一点。光谱仪受许多因素影响，并且那里每个物体都有不同的光谱，了解影响光谱仪的因素以及如何从光谱仪中获取这些信息是天文学的一个重要部分。

讨论问题

从最热到最冷的恒星分类系统是 OBAFGKM，其中 A 是氢线最强的恒星，B 是第二强的恒星，依此类推。为什么恒星分类是按照这种顺序而不是按照温度的更合理的顺序？讨论你从你的经验中遇到的一个类似的原因，它导致了看似奇怪的分类系统。

识别三个物体，并告诉我它们是否会导致发射光谱、连续光谱或吸收光谱。另外，告诉我如果你用光谱仪对准自己，你会看到什么。你会看到发射光谱、连续光谱或吸收光谱吗？

你认为 LCD 发出哪种类型的光谱？金子呢？微波炉呢？你呢？

根据你对摄影技术的了解，你认为天文学家今天是如何获取光谱的，这与 1920 年有什么不同？1850 年呢？你认为互联网可以如何帮助天文学家获取光谱？

你认为为什么制造一个好看且耐用的荧光灯泡这么难？他们是如何做到的？

如果我站在 100 瓦的无线电波或光波前，我不会发生任何不好的事情。但是，如果我站在 100 瓦的伽马射线或 X 射线前，就会发生不好的事情。为什么？

紫色散射最多，红色散射最少。

定义

光谱是一个在英语中已经有了广泛含义的词，最早由艾萨克·牛顿等科学家在 1600 年代使用，用来指定将阳光通过玻璃棱镜或通过彩虹的自然机制产生的颜色范围。如今，它几乎在任何情况下都用于描述各种各样的值。具体来说，在物理学和天文学中，它仍然表示可见光的颜色范围，但也包括从超长波长的无线电波到超短波长的伽马辐射的不可见形式的电磁能量。

产生光谱

当我们谈论可见光时，颜色类似于波长。红光具有相对较长的波长，而蓝光和紫光具有相对较短的波长。这些波长也反映了加热物体的温度；红色更冷，而蓝色更热。像太阳这样的白光不是由单一颜色或波长组成，而是由许多颜色或波长的混合物组成，眼睛将这些混合物解释为白色。

虽然所有波长的光都以相同的速度在真空中传播，但不同波长的光在穿过透明介质（如玻璃、水甚至空气）时速度不同。当光从一种介质（如空气）进入另一种介质（如玻璃）时，它的速度会根据两种介质的折射率而改变。在这个例子中，光进入玻璃时会变慢。蓝光或紫光在从折射率较低的介质进入折射率较高的介质时，比红光变慢得稍微多一些。这与玻璃棱镜的特殊形状一起，会弯曲或分散光线，将颜色分散开来，有点像人工彩虹。

“恒星的亮度也取决于它的温度，而温度会影响恒星发射的光谱。如果观察到两颗具有相同光谱的恒星，并且其中一颗恒星的距离通过视差测量已知，则可以比较它们的亮度。亮度的差异归因于距离的差异。使用平方反比定律，可以确定之前距离未知的恒星的距离。恒星不仅在可见光谱中发射辐射，而且还会发射无线电波、X 射线和伽马射线。所有这些不同的电磁波谱部分都可以与已讨论的技术结合使用，以进行天文测量。”

类型

光谱类型有

连续光谱，由白炽固体（如电炉的红色发热元件）、液体（如熔化的熔岩）或高压气体（如恒星表面）产生。
发射光谱，以窄的亮线为特征，由激发的低压气体产生。发射光谱源的例子包括彗星的彗发和彗尾，以及玫瑰星云。
吸收光谱，以窄的暗线为特征，由通过低压气体的连续光谱产生。这在太阳和恒星的光谱中可以看到，是由恒星较冷、低压气体大气中对光的吸收造成的。

通过研究光谱，天文学家可以发现有关恒星的许多信息，最重要的是恒星中发现的化学元素。“电磁辐射被物质吸收的波长（或频率）的记录；每种纯物质的吸收光谱都是独一无二的。”

大多数恒星表现出吸收线光谱，但一些罕见的恒星表现出发射线。沃尔夫-拉叶星具有发射光谱，这是由通过低压气体的热星发射的紫外线 (UV) 辐射引起的。某些星云或气体云也表现出发射线。光谱线也可以在不可见光中检测到，例如紫外线和微波。

牛顿物理学

艾萨克·牛顿提出了万有引力定律、运动定律和微积分。万有引力定律总结在公式中

$F={\frac {GM_{1}M_{2}}{D^{2}}}$

其中 $M_{1}$ 和 $M_{2}$ 是两个质量，以公斤为单位， $G$ 是万有引力常数 $6.67\cdot 10^{-11}{\frac {Nm^{2}}{kg^{2}}}$ 。 $D$ 是两个质量中心之间的距离，以米为单位。 $F$ 以牛顿为单位。

功是用以下公式计算的

$W=FD$

其中 $W$ 是功（以焦耳为单位）， $F$ 是力（以牛顿为单位）， $D$ 是距离（以米为单位）。

动能（运动能量）用以下公式计算

$K={\frac {1}{2}}MV^{2}$

其中 $M$ 是质量（以克为单位）， $V$ 是速度。

牛顿相对论：一个人以 1 公里/小时的速度行走，他以 3 公里/小时的速度投掷一个球。要获得球的速度，只需将速度相加： $1km/h+3km/h$ .

热力学第一定律指出，能量既不能被创造也不能被消灭，只能在它的两种形式之间相互转化：能量和物质。

四大基本力

宇宙中存在着四大基本力：引力，它将星系和其他大型结构结合在一起；电磁力，它将原子结合在一起；核力，它将原子核结合在一起；弱相互作用，它与元素的转化和放射性衰变有关。核力是最强的，引力是最弱的。如果没有这些力，宇宙就会瓦解。

万有引力使质量相互吸引。质量越大的物体，引力场越强。

电磁力可以用“异性相吸”这句话来概括，它使原子能够相互结合，从而创造了构成我们体验的各种化合物。原子核因其正电荷而吸引带负电荷的电子。静电力是根据库仑定律计算的。

核力的强度取决于距离。在 1 到 2*10⁻¹⁵ 米的距离内，核力是吸引力。然而，如果距离太近（小于 10⁻¹⁵ 米），核力就会变为排斥力；而在大于 2*10⁻¹⁵ 米的距离内，核力就会衰减为零。

原子

原子的概念最早是由希腊哲学家德谟克利特提出的。他认为物质不能无限分割。他相信所有物质都是由连接在一起的粒子组成的，这些粒子可以被分开，但不能再被分割。这些不可分割的粒子被称为原子。这个词来自希腊语 atomos，意思是“不可分割的”——a（非） + tomos（切开）。 [1]

元素周期表是由德米特里·门捷列夫在 1869 年创建的（在 1871 年进行了修订）。人工元素具有放射性，半衰期很短。

核反应被归类为临界或超临界反应。临界反应是：一个中子进入，一个中子出来。超临界反应是：一个中子进入，三个中子出来——释放出巨大的能量。超临界反应被用于原子武器。

核聚变是巨大的能量来源，但需要 1,000,000 开尔文的温度。

粒子

所有原子都是由粒子组成的。粒子的特征是质量、电荷和自旋。粒子的自旋是右手（逆时针）或左手（顺时针）。

原子中心是原子核，它包含一定数量的质子和中子，电子围绕它们运行。使电子保持运行轨道的力是电力；使原子核保持结合在一起的力是核力。

在中性原子中，质子和电子的数量相等。例如，氦原子核中有两个质子和两个电子，围绕着原子核运行。它的原子核中还有两个中子。当电子数量超过质子数量，或者反之，那么原子被称为离子，它更容易与其他离子或原子发生反应，因为它具有与之相关的净电荷。

电子带负电（-），质子带正电（+）。中子、中微子和光子不带电。其中质量最大的是中子；它可以衰变成质子、电子和中微子。粒子由夸克构成。六种夸克分别是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克。

反物质是由保罗·狄拉克预测的。每种粒子都有一个反粒子，它们具有相同的质量，但电荷和自旋相反。有反电子/正电子、反质子、反中微子和反光子。（反光子与光子具有相同的自旋。）当粒子遇到它的反粒子时，它们会相互湮灭，产生能量。反之亦然：当两个光子相遇时，物质就会产生。这种物质的产生被称为“对产生”。

如果有反物质恒星，它们的光线将与物质恒星的光线相同，因为反光子与光子相同。

天文学研究能量流动和力。能量主要来自两个来源：气体云坍缩形成恒星和行星的引力；以及核能。使恒星燃烧的核聚变是一种核能；另一种是加热行星核心的放射性衰变。

地球有一个磁场。地核有电流。这个磁场导致了北极光。

频率和波长与光速的关系由以下公式表示：

$f\lambda =C$

其中 $f$ 是频率， $\lambda$ 是波长， $C$ 是光速。

光子是光能的离散包。要计算光子的能量，请使用以下公式：

$E=hf$

$h$ 是普朗克常数

$6.63\cdot 10^{-34}J\cdot sec$

$f$ 是频率，单位为 ${\frac {1}{sec}}$

爱因斯坦著名的方程式， $E=MC^{2}$ ，证明了质量和能量可以相互转换。 $E$ 是能量， $M$ 是质量， $C$ 是光速， $3\cdot 10^{8}m/s$ .

光谱学

"人类永远无法知道的唯一一件事就是恒星的化学成分。" ---奥古斯特·孔德，19世纪哲学家

他错了！

基尔霍夫和本生发现，不同的元素以不同的颜色燃烧。不同的颜色对应于不同的光波长。发射的光的颜色可以记录在照相板上。这被称为元素的发射光谱，它是每个已知元素独一无二的。因此，可以通过研究任何已知元素的“光谱”来确定实验室中的任何已知元素。

需要解释为什么不同的元素发出不同的光波长，才能解释如何确定恒星的成分。单个元素具有独特的质子数。如果您从左到右遵循元素周期表，您会发现对于前几行，原子序数每次增加一个。氢是最小的元素，因为它只有一个质子。氦是下一个最小的，因为它有两个质子，依此类推。

因此，这些元素中的每一个都具有不同的电子和质子数。假设这些元素都是中性的，那么每个连续的元素都包含比上一个元素多一个电子。即氦有两个电子，而氢有一个电子。

电子绕原子核运行。它们可以被描述为具有与其相关的能级。特定元素中的电子只能占据特定的能级或电子层。当元素被加热时，会有能量输入，这些能量被分配给这些电子，因此它们会移动到更高的能级。当这个电子回到其原始能级时，它必须损失热量所获得的能量。电子通过发射光子（光包）来损失这种能量。

这个光子将具有恰好所需的能量，使电子能够降落到其确切的原始状态。可以使用 E=hf 计算这种能量，其中 E 是能量，h 是普朗克常数，f 是单个光子的频率。虽然粒子具有频率似乎很奇怪，但由于波粒二象性，它确实具有频率。

从上面可以看出，每个元素，因为每个元素的电子只能占据特定的能级，所以发射的光子的频率只能取某些值。

从 c = f * lambda 这个等式可以看出，由于 c 是光速，它几乎总是相同的，f 是频率，lambda 是波长，因此可以看出，因为 c 是常数，所以每个元素，通过只发射特定频率的光子，会发出特定波长和颜色光的光子。

不可能使用实验室技术通过使用元素的发射光谱来定义元素，因为我们从恒星接收到的光是由多种颜色组成的。但是，还有另一种方法。例如，如果我们查看太阳的发射光谱，就不会有单个元素的“条形码”特征，而是会看到一个连续光谱，就像纸上的彩虹一样。这个“连续”光谱将有一些黑线，在这些黑线处，光波长被太阳光球层吸收而不是发射。正是从这些黑线中，我们才能推断出恒星的化学成分。

人们发现，恒星连续光谱中的黑线与某些元素的发射线完全对应。这些元素的存在是因为它们会发射出相同波长的光，这些光会被吸收，因此在光谱中表现为明显的黑线。恒星接收来自四面八方的光线，但会将它们向各个方向发射出去。如果将光线想象成 20 支标枪，它们击中某处的一个元素，那么这个元素就会将这些标枪一个个地射回周围，因此到达地球的光量就非常微弱甚至不存在，因此我们在发射光谱中观察到暗线。

原子量子模型

量子物理学是物理学中一个相对较新的分支，它研究的是非常小的物体，例如原子和夸克。它遵循与经典（或“牛顿”）物理学不同的规则。牛顿物理学假设能量可以不断地被分割，并且物体可以拥有任意小的能量。量子物理学研究的是那些发射或吸收称为量子（量子是能量的离散包，不能再分割）的离散能量包的物体。经典物理学假设连续性，而量子物理学假设宇宙是离散的。

马克斯·普朗克被认为是“量子理论之父”。

1913 年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔利用欧内斯特·卢瑟福关于原子核的研究和马克斯·普朗克的量子假设，创建了原子的量子理论。该理论指出，原子的电子只能在确定的轨道上运动。当一个氢原子发射一个 Hα 光子时，电子就会下降到一个更低的轨道。当一个氢原子接收一个光子时，它就会跃迁到一个更高的轨道。

氢光谱已被研究用于紫外线（莱曼系）和可见光（巴尔末系）。在莱曼发射系中，电子从一个更高的轨道跃迁到 n=1 轨道。在巴尔末发射系中，它从一个更高的轨道跃迁到 n=2 轨道。（n=1 是电子最低能量状态或轨道，称为主量子数。）电子从 n=2 跃迁到 n=1 时产生的能量变化导致电子发射出能量为 10.2 eV 的光子，并在光谱的紫外部分出现。电子从 n=3 跃迁到 n=2 时产生的能量变化导致电子发射出能量为 1.89 eV 的光子（H-α），并在光谱的红色部分出现。

氢原子中的能级可以通过以下公式计算： $E_{n}={\frac {-13.6eV}{n^{2}}}$

其中 $n$ 是电子的轨道。

1929 年，路易·德布罗意公爵因他的物质波理论获得诺贝尔奖。

阿尔伯特·爱因斯坦和相对论

爱因斯坦的等效原理表明，引力会导致空间弯曲。他发现，空间的曲率决定了物质的运动方式。因此，引力可以被认为是宇宙“形状”的结果，而不是一个力向量。这就是爱因斯坦的运动定律。根据广义相对论，光也会受到引力的影响。这种现象已被引力透镜的研究证实。关于恒星的大多数信息都是通过研究电磁辐射获得的。也可以通过观察星际尘埃来获取信息。

电磁辐射包括紫外线 (UV)、无线电波和 X 射线。波有两種類：纵波（例如声音传播的方式）和横波（例如光和其他电磁辐射传播的方式）。横波的测量标准是波长和频率。波长用希腊字母 $\lambda$ （λ）表示。波长越长，频率越短。

频率的公式为

$f={\frac {c}{\lambda }}$

其中 $c$ 是 EM 辐射的速度， $3*10^{8}$ 米每秒。

天文学家可以通过分析光谱来了解遥远天体的很多信息。光谱有三种类型：连续光谱、发射光谱和吸收光谱。连续光谱来自高压黑体或热源（例如灯泡）。发射光谱具有亮线。它是由冷的低压气体引起的。吸收光谱具有暗线。当黑体的光穿过冷的低压气体时就会出现。例如，我们太阳的表面会发射出连续光谱，但当它到达我们时，它就会变成吸收光谱，因为它穿过太阳的大气层。因此，所有正常的恒星都具有吸收光谱。

由于每种元素都有其独特的光谱，因此天文学家可以通过分析恒星的光谱来确定它们的化学成分。他们还可以根据光谱类型（连续光谱 - 高压，或发射光谱 - 低压）来确定物体的压强。天体光谱学是天文学家用来了解宇宙的基本原理的最强大工具之一。天体光谱学是研究恒星和其他天体发出的电磁辐射的吸收和发射的技术。为了能够解释和预测天体的吸收和发射光谱，必须对分子发射和吸收有一个基本的理解。分子发射和吸收是指当分子改变量子能级时发射和吸收光子的过程。通过研究分子发射和吸收，可以测量天体的化学成分、物理性质和速度。

量子力学

量子力学中一个理解分子吸收和发射的关键概念是，分子能量是量子化的。换句话说，分子只能存在于特定的量子态，每个量子态都具有固定的能量。储存在分子中的量子化能量可以被认为是储存在三个不同模式中的能量之和：（1）旋转，（2）振动，和（3）电子。

                                         $E_{tot}=E_{rot}+E_{vib}+E_{elec}$

由于分子的内能级是量子化的，因此当分子改变量子态时，会观察到能量的离散差异。这些跃迁直接对应于离散光谱中发射或吸收的光子的能量。如前所述，发射是指分子通过释放光子从较高的量子态改变到较低的量子态的过程。另一方面，吸收是指分子通过吸收光子从较低的能级改变到较高的能级。

与分子跃迁（发射或吸收）相关的总能量变化可以用以下公式描述

                                    $\Delta \ E=E_{upper}-E_{lower}=h\nu \$

在该等式中， $\Delta \ E$ 是光子的能量，等于两个量子态之间分子跃迁相关的能量差， $\nu \$ 是相应电磁波的频率，h 是普朗克常数。这种关系被称为普朗克定律，很重要，因为它将辐射作为粒子与波的思考概念联系起来。图 1 说明了由于围绕原子核的电子电跃迁而导致发射的概念。需要注意的是，虽然这张图片显示了原子的电子跃迁，但相同的过程控制着分子中的电子跃迁。使用普朗克定律，分子内部能量的总变化可以描述为

                                $\Delta \ E=\Delta \ E_{rot}+\Delta \ E_{vib}+\Delta \ E_{elec}$

该等式表明，分子的总内部能量是旋转能、振动能和电子能变化的总和。从量子力学可以看出，不同内部分子能量模式的量子能级具有不同的间距。电子态比振动态间距更大，振动态比旋转态间距更大。由于这种不同的间距，不同内部能量模式的变化会导致不同波长的电磁能量的吸收和发射。旋转能量的变化会导致微波跃迁，旋转和振动能量的变化（振动旋转）会导致红外跃迁，旋转、振动和电子能量的变化（振动电子）会导致紫外跃迁。需要注意的是，振动能量的变化通常伴随着旋转能量的变化，而电子能量的变化通常伴随着振动和旋转能量的变化。

发射光谱和吸收光谱

分子的吸收光谱或发射光谱通常包含许多“谱线”。这些谱线对应于分子内部能量模式的离散差异。换句话说，谱线是光谱中对应于从一种量子态到另一种量子态跃迁的部分。谱线组可以构成振动带。谱线的的位置、强度和形状可以提供关于经历内部能量跃迁的分子准确的物理特征。谱线的位置揭示了各种分子参数，如核间距和分子键角。另一方面，谱线强度和形状可以揭示辐射气体中分子的成分、温度、压力和速度。图 2 说明了这一概念，它显示了氢等离子体的发射光谱。

控制吸收光谱的定律，它将各种分子性质与气体介质中吸收的光量联系起来，被称为比尔-朗伯定律。

                                 $T_{\nu }=\left({\frac {I}{I^{o}}}\right)=exp(-k_{\nu }L)$

在该等式中， $T_{\nu }$ 是透过气体介质的光的比例， $\nu$ 是正在透过的电磁辐射的频率， $k_{\nu }$ 是光谱吸收系数，L 是吸收路径长度。图 3 展示了比尔-朗伯吸收的示意图。光谱吸收系数由下式给出

                                 $k_{\nu }=S_{i}\times \phi \times P_{i}$

其中 $S_{i}$ 是跃迁的“强度”， $\phi$ 是“线形函数”， $P_{i}$ 是吸收气体物质的分压。

双原子分子光谱

电磁辐射与物质的相互作用可以通过三种主要类型的相互作用来解释：电子偶极矩、感应极化和弹性散射。与电子偶极矩的相互作用导致辐射吸收和发射的变化，而感应极化和弹性散射是分子散射光子的直接结果。许多双原子异核分子具有永久偶极矩。偶极矩在分子的两端具有正电荷和负电荷。这个偶极矩的运动，通过分子的旋转和振动，使分子能够发射或吸收电磁辐射。

分子旋转

如前所述，分子的旋转对应于电磁频谱的微波区域的跃迁。当双原子分子旋转时，分子的偶极矩也旋转，这使得分子能够在特征共振频率处吸收或发射。描述该过程的最简单的双原子分子旋转模型是刚性转子近似。在这个模型中，分子的原子是具有平衡分离距离的点质量，该距离要么恒定要么刚性。使用经典力学，可以确定分子的惯性矩和角动量。这些信息与分子的旋转能量一起使用，可以使人们能够确定旋转能量的允许值作为量子数的函数。

分子振动

就像分子的旋转会导致分子电偶极矩的变化一样，振动也会由于分子内部键的拉伸而改变分子的电偶极矩。这种拉伸会导致红外电磁辐射的发出或吸收。二原子振动的最简单模型是简谐振子。在这个模型中，两个质量被一个平衡分离距离隔开。两个质量之间的键长围绕这个平衡距离振荡，就像弹簧一样。通过使用经典力学，可以利用表征键刚度和质量大小的基频来确定储存在振子中的势能。

电子跃迁

除了旋转和振动之外，分子的电子结构也可以与电磁辐射相互作用。如果分子壳层中电子的分布发生改变，就会发生能量跃迁，从而导致电磁辐射在电磁光谱的紫外线和可见光区域发出和吸收。电子光谱涉及对应于不同电子构型的势能井之间发生的跃迁。势能井代表电子力随核间距的变化。

量子数

有多个量子数定义每个电子的状态：主量子数 $n$ 代表电子的能级，方位 (或角动量) 量子数 $\ell$ 表示电子的亚层 (即 s、p、d、f)，磁量子数 $m$ 指定亚层内的轨道，以及自旋量子数 $s$ 定义电子的自旋 (自旋向上或自旋向下)。

适用于电子的量子数总结
名称	符号	含义	可能的值
主量子数	n	电子的能级	$n\in \mathbb {Z} ^{+}(1,2,3,\dots )$
方位 (角动量) 量子数	$\ell$	电子的亚层 (对应于 s、p、d、f)	$\ell \in \mathbb {Z} {\text{ }}(0,1,2,3,\dots )$
磁量子数	m	亚层内的轨道	$m=-l,(-l+1),\dots ,(l-1),l$
自旋量子数	s	电子的自旋	$s=\pm {\frac {1}{2}}$

此外还有总角动量数： $j=\ell +s$ .

热辐射是特定频率范围的电磁辐射。所有物体都以电磁辐射的形式发出能量。当原子被随机热运动摇动时，电子的移动电荷会导致它们发出变化的电磁场。一般来说，物体越冷，其原子和分子的运动越慢，发出的辐射波长越长。因此，人体主要在红外光谱区域发射，使夜视相机对军队和警察非常有价值。但白炽灯泡的钨丝的温度要高得多 (大约 3000 K 或大约 5000 华氏度)，使其主要发出可见光。

因此，发射辐射的光谱和强度可用于从远处确定物体的温度。如果将材料加热到 700 开尔文以上，它会开始发出可见光 - 从暗红色开始，随着温度升高而向光谱的蓝色端移动。然而，大多数物体辐射各种温度，人眼感知的有效颜色可能并不完全代表真实的温度。例如，太阳对大多数观察者来说是白色的，但它辐射能量最多的波长约为 5800 K 或大约 10,000 华氏度，光谱上相当于绿色。然而，当人眼检测到我们从太阳接收到的各种波长时，特别是太阳发射的辐射的特定比率，我们眼睛和大脑的连接会将其感知为白色。多普勒效应或多普勒频移描述了一种现象，其中来自物体接近观察者的辐射能量的波长向较短的波长移动，而当发射物体远离观察者时，波长会移向较长的值。这发生在任何形式的以波形式发射的能量中，包括声音和光。声音的传播方式与电磁能量不同，但效果类似。

对于移动物体的声波，比如火车，接近的火车喇叭的声音一开始会像嗡嗡声，越来越响，直到它经过你，然后以较低的音调消失。这是因为你听到的波长在火车前方被挤压，然后在火车经过时被拉伸。当波长较短 (靠近你) 时，波长的频率会更大，音调更高。当波长更长时，会发生相反的情况；频率会更小，这是一种随着火车经过，远离你，音调迅速降低的效果。这也适用于光波，就可见光而言。接近的物体向较短的波长移动，称为蓝移。而远离物体的光波长较长，这些波长被称为红移。如下图所示，如果你从望远镜向外看，你可以看到红移向外传播到一个物体，或者在这种情况下是一个看不见的行星。然后是来自看不见的行星的蓝移波长，它们正在返回望远镜。

通过多普勒效应检测到的恒星相对于太阳的运动速度（朝向或远离太阳），可以为太阳在银河系中的运动以及其他关于恒星、星团和星际气体云运动的信息提供线索。双星（两颗围绕共同质心相互绕行的恒星）的相对运动可以通过它们的光线变化来检测，事实上，甚至有一些双星无法被看作单独的恒星，但它们的双星性质是通过它们组合光谱的变化而得知的。

由于声波和光波都存在红移和蓝移，埃德温·哈勃能够利用多普勒效应发现我们附近的星系正在远离银河系。这导致了他的结论，即宇宙正在膨胀。红移，更准确地说是宇宙红移，因为它对宇宙学（研究宇宙的起源和演化）有影响。科学家们甚至可以更进一步地探索宇宙，因为他们意识到可以将速度添加到哈勃方程中。利用频谱偏移，他们现在可以根据这些观测结果来确定距离。

普通天文学
运动和引力	光学原理	望远镜