AST201H Midterm Notes.docx

68 Pages
Unlock Document

University of Toronto St. George
Astronomy & Astrophysics
Michael Reid

Stars and Galaxies Intro 02/12/2014 Fritz Zwicky –(1930s) figured out how large the galaxies were + how they were moving around in space  (relative to each others gravity)  Most of the mass of galaxies were invisible▯ “missing mass” theory Vera Rubin – studied individual galaxies and how fast each one is spinning, Rubin’s observation: the  farther you are from the center, orbit=faster In 1998 it was discovered that 68.3% was dark energy, 26.8% dark matter, 4.9% ordinary matter (stars,  planets, etc.) 4.9% of the universe is “luminous” matter or “light­emitting matter” 97.5% of the universe is “missing” Most of the universe is very empty Astronomical Distance Measurements  Astronomical Unit (AU): Earth's average distance from Sun (about 150mil. km, 8 light­min)  ­distances within solar system  Light­Year (ly): distance light travels in 1 year (about 10 trillion km, 63,000 AU) ­ describes distances of  stars/galaxies   The Observable Universe  Universe estimated to be 14 billion years old; distance of 14 billion light­years marks boundary (horizon) of  our observable universe.  Contains nearly 100 billion galaxies  The Big Bang, Expansion, and the Age of the Universe  The universe isexpanding:  the average distances between galaxies are increasing with time. Galaxies  and objects within them are not.  Stars Gravity drives collapse of clouds of gas/dust to form stars/planet compresses material in cloud ▯ center becomes dense + hot enough to generate energy by  nuclear  fusion Star lives as long as it can shine with energy from fusion In final death throes, star blows contents back into space. Most diesupernova  (explosion of star) Blown contents become parts of new clouds and form new stars  Earths Orbit ­ yearly, 100,000 km/hr, axis tilt is 23.5  pointing at Polaris/North star Dark Matter ­ (due to lack of light emitted) completely invisible to our telescopes, must outweigh ordinary  matter that makes up stars/planets  Edwin Hubble:  Every galaxy outside the Local Group is moving away from us  More distant galaxy= appears faster racing away  Entire universe is expanding (raisin cake analogy)  Motion  Earth rotates around its axis ­ once a day, 1000km/hr  Earth orbits Sun ­ once a year, 100,000km/hr  Solar System moves relative to nearby starts ­ 70,000km/hr  Milky Way Galaxy rotates ­ 230 million yr orbit, 800,000km/hr  Our galaxy moves relative to others in Local Group ­ toward Andromeda Galaxy at 300,000km/hr  Solar/Star System –star/s and all objects that orbit it Galaxy – huge collection of a trillion stars bound together by gravity Local Group – group of 40 galaxies (Milky Way Galaxy belongs) Galaxy Group/Cluster – collection of galaxies bound by gravity Small= group , bigcluster Supercluster – gigantic region of space w/many clusters of galaxies packed closely together Universe/Cosmos – total of all matter and energy – (incl. galaxies) Observable Universe­ portion that can be seen from earth (small portion) Geocentric­ earth­centered Asteroid – small object that orbits a star (metal and rock) Comet – ice­rich object that orbits a star (less dense than asteroid) Small body system – asteroid/comet but too small to be dwarf planet Star – large, glowing ball of gas generating heat and light thru nuclear fusion in core Planet – large object that orbits a star, reflects light from star, large enough to have own gravity, has  cleared its own orbital path Moon – object that orbits a planet (satellite if object is orbiting an object) Nuclear Fusion – process which light­weight atomic nuclei smash together to fuse and = heavier nuclei Nebula – cloud of gas (bright) and dust (dark) Ecliptic Plane – plane of earth’s orbit around the sun Space, Time, and “Spacetime” 02/12/2014 According to velocity, the person on the ground sees the ball (10km/h inside the plane) going 910km/h  because the plane is going 900km/h­ relative to the GROUND Or it would be 10km/h –relative to the plane The speed of the ball is different in different “frames of reference” Einstein’s theory of relativity ­ We can only measure motion relative to a given frame of reference Special relativity – speed of light is the same no matter what, in all same frames of reference INVARIANT – with two observers in same substance changes in different substances eg. in WATER but everyone in the water would agree the speed is the  same no matter what Time Dilation – because two observers moving relative to one another must  agree  about the speed of  light, they musdisagree  about the time between events! Time literally flows at different rates for any two people in motion relative to one another Length Contraction­ observers in motion relative to one another also disagree about their lengths. Rest value comparison: larger/longer = mass and time If you observe something moving by you at close to speed of light ­ you'll conclude time runs slower for that  object (eg. Clock moving by you ticks slower than your clock)  If you observe 2 events to occur simultaneously ­ a person moving by you at close to speed of light may not  agree the events are simultaneous  If you measure the mass of something moving by you at close to speed of life ­ you'll find the mass is  greater than if it were stationary (E = mc )  Space, Time, and “Spacetime” 02/12/2014 smaller/shorter = length and distance If you measure the size of something moving by you at close to speed of life ­ you'll find the length (in  direction its moving) is shorter than if it were stationary  same = speed of light only Einstein ­ Theory of relatively is two parts:    What is absolute about relativity?  Theory's foundations rest on idea that 2 things in universe are absolute:  The laws of nature are the same for everyone  The speed of light is the same for everyone  Special Theory of Relativity:  "special" b/c it deals only with special case in which we ignore role of gravity  General Theory of Relativity:  "general" b/c it applies with or w/o gravity  Developed "thought experiments" ­ could be carried out in principle but would be very difficult in practice  Distances & times appear absolute in daily life ­ but not in regards to the universe  *Who is really moving? How fast are you going? ­ no absolute answers.  **Measures of motion/time/space make sense only when described whom/what they're being measured  relative to.   No material object can ever keep up with the light it emits/reflects = cannot reach/exceed speed of light     Time dilation  Time runs more slowly in the reference frame of anyone moving relative to you The faster the other reference frame is moving, the more slowly time passes with it *moving clocks run slow if Jackie is moving and you are not, her time goes slower Space, Time, and “Spacetime” 02/12/2014 Observers in motion relative to one another also disagree about their lengths moving makes things shorter could fit a 10ft ladder in a 9ft barn if it moved fast enough Twin Paradox– one twin moves really quickly for 70 years of second twin’s life but for first twin, only  aging by 3 years  Light year is the distance light travels in one year –not speed (speed of light) Sun is 8 light­minutes from earth imagine you get in a spaceship and travel to the star Vega at 99.9% of the speed of light Earth to Vega distance = 25 light years Q: According to special relativity, if someone on earth measures Vega to be 25 light years away, you in your  ship headed to Vega at 0.999c will measure the distance to be A: 25 light years Q: The person on earth sees you travel 25 light years at 0.999c they think your trip takes A: a little more  than 25 light years (if you travel just slower than 100km/hr, and have to travel 100km, it will take you just  slightly more than an hour) Q: You on the ship measure the distance between Earth and Vega as only 1 light year. Thus, for you the  trip to Vega takes only A: one year because your year is a light year 4 fundamental forces of nature – everything in galaxy can be described  Strong nuclear force (hold atomic nuclei together) strongest Electromagnetism (makes atoms cling to each other) eg. friction (infinite range) Weak nuclear force (breaks atoms apart) Space, Time, and “Spacetime” 02/12/2014 Gravity (makes masses attract one another) (infinite range) – barely exists but makes a huge contribution Q: do stars on one side of our galaxy feel gravity from stars on the other side? A: yes Speed­ change of position – rate of movement Velocity – rate of change of position in a certain direction Acceleration – change of speed – rate it increases or decreases Frame of reference – point of view/what you see vs. what someone else sees Two people have same reference if they are not moving relative to one another (same place is two people  moving at same velocity) “stationary” and “moving” have to be relative to something Two key absolutes: The laws of physics are the same in reference frames that are not accelerating but movement does not  matter The speed of light is invariant (always measured to be the same) in a vacuum In a vacuum­ means through space to make the statement correct Speed=distance/time Time=distance/speed ^if you don’t have a clock how do you tell the amount of time has gone by with the beanbag in the air? –  need distance and speed Q: Would the person running and a stationary observer agree on the following? 1­how much distance the beanbag has travelled? A: no because stationary sees arc, runner sees straight  path Space, Time, and “Spacetime” 02/12/2014 2­how much time the beanbag has spent in the air? A: yes because the speeds must be different How would your answers to 2 change if the beanbag always travelled at same speed? – time would be  different Einstein’s Second Revolution If you launch two probes in opposite directions from a space station, they will meet as they orbit the earth Special theory of relativity ­applies only to situations in which we are not concerned with the effects  of gravity Einstein’s General Relativity theory – matter shapes the ‘fabric’ of spacetime (the greater the  mass, the greater the distortion of spacetime) The distortions (based on mass) determine how other objects move through spacetime Spacetime The three dimensions of space + one dimension of time together  = an inseparable four­dimension combination  The stronger the gravity, the more slowly time runs Large masses that have rapid changes in motion/structure emit gravitational waves that travel at the  speed of light Is All Motion Relative? motion is no longer relative with acceleration Equivalence principle ­feeling weight (not weightless) ­you cannot tell the difference between being  in a room on earth vs. in a room accelerating through space equivalence principle allows us to treat all motion as relative – leads to general relativity If you feel weight, then you are not on the straightest possible path through spacetime all orbits must therefore represent paths of objects that are following the straightest possible path through  spacetime ▯shapes and speeds of orbits reveal geometry of spacetime ▯new view of gravity Space, Time, and “Spacetime” 02/12/2014 Understanding Spacetime Curved Spacetime ­ Same concept of two­dimensional flat surface being curved but four­dimensional  spacetime can also be curved  Great circle – any circle around the earth’s surface that has its center at the center of Earth (full  diameter) Flat geometry – rules of geometry on flat plane (Space and spacetime)  Spherical geometry, saddle­shaped geometry Geometry of the universe is a mix of all three types but has to edges or center “straight” lines in curved spacetime – if the straightest possible path is truly straight=flat region, if it is curved  =shape of curve is the shape of spacetime Gravity 02/12/2014 A New View of Gravity      Newton's law of gravity ­ every mass exerts a gravitational attraction on every other mass ­ no  matter how far away they are from each other ­ "action at a distance"  Einstein's equivalence principle allowed explanation of action of gravity w/o requiring any long­ distance force     What is gravity?     What we perceive as gravity arises from the curvature of spacetime  Rubber Sheet Analogy ­ represents spacetime in region where it has flat geometry ­ radial distances  between circles shown are all same. If you rolled a marble across sheet, it would roll in straight line at constant speed; Newton's first law  of motion (objects move at constant velocity when not affected by gravity or any other forces)  Spacetime around sun ­ Sun is heavy mass causing sheet to curve and form bowl­like depression.  Circles more widely separated near bottom of bowl, showing gravity becomes stronger and curvature of  spacetime becomes greater as we approach Sun's surface (weakens near center).  General relativity states depending on speed + direction, planets/objects in space can follow  circular/elliptical/unbound parabolic/hyperbolic orbits  Orbits ­ planets orbit b/c they follow straightest possible paths allowed by shape of spacetime around  them.  Central mass of Sun not grabbing/communicating w/ them or influencing motion in anyway. Instead, it's  dictating shape of spacetime around it  Gravity 02/12/2014 A mass like Sun causes spacetime to curve▯ curvature of spacetime determines paths of freely moving  masses like planets   Weightlessness in Space ­ Earth curves spacetime in way that makes satellites go round ­ they're  following straightest path  Must launch spaceships at escape velocity to escape bowl­shaped region around Earth (marble shot fast  enough to roll out of bowl + onto flatter region surrounding) astronauts would only feel weight when deviating from straightest path   Limitations of the Analogy     It's a 2D representation of a 4D reality  3 important limitations:  Rubber sheet is supposed to represent universe, but doesn't make sense to place Sun upon universe  (masses should be  within  sheet) Gravity 02/12/2014 Black Hole ­ Greater curvature of spacetime = stronger gravity.  2 ways to increase gravity  place where spacetime is so curved nothing that falls into it can ever escape  Larger mass causes greater curvature (Newton's law of gravity ­ increasing mass of object  increases gravitational attraction )  Leave its mass alone but increase its density by making it smaller inside (Newton ­ surface gravity on  object of specific mass grows stronger as object shrinks in radius )  If object becomes so small with same mass it can become a bottomless pit ­ a hole in the observable  universe (black hole)  Event horizon ­ boundary that marks "point of no return", b/c events that occur within its boundary can  have no influence on observable universe    How does gravity affect time?  Gravity affects time as well as space (curvature of spacetime)  Gravitational time dilation ­ stronger gravity/greater curvature of spacetime = greater effect of  gravitational time dilation  Time runs slower on surface of Sun than on Earth, more slowly on white dwarf star than on Sun (in black  hole, time comes to stop at event horizon, slow near it)  Testing General Relativity     How do we test the predictions of the general theory of relativity?    Mercury's Peculiar Orbit  First observational test passed by theory of general relativity  Newton's law of gravity predicted Mercury's orbit should precede slowly around Sun b/c of gravitational  influences of other planets  Gravity 02/12/2014 Observation verified, calculations couldn't completely account for observed precession  Gravitational Lensing ­Observing trajectories of light rays moving through universe  Light always follows straightest possible path, if space is curved, light paths will appear curved as well  Depending on precise 4D geometry of spacetime between us and star/galaxy, image we see may be  magnified or distorted into arcs, rings, or multiple images of same object ­type of distortion is  gravitational lensing  Gravitational lensing can be used to search for objects in Milky Way too small/dim to be seen by their own  light  Gravity 02/12/2014 Microlensing event ­ If it drifts across our line of sight to a brighter/more distant star, the small  object's gravity will focus more of the star's light directly toward Earth + distant star will appear brighter than  usual for days/weeks as the lensing object passes in front of it  Cannot see object that causes the microlensing itself, but duration of event reveals its mass  Used to identify extrasolar planets + place constraints on # of small dim objects inhibiting our galaxy  Gravitational Time Dilation  Compare clocks located in places with different gravitational field strengths  Clocks at low altitudes tick slower than clocks at higher altitudes ­ agrees w/ theory of general relativity    Gravitational waves According to general relativity, sudden change in curvature of space in 1 place should move outward  through space (ripples on a pond) Distortions  of space carried by gravitational waves should  compress + expand objects as they pass by ­ could detect waves  by looking for waves of compression + expansion  Newton’s 1  Law – objects move with constant speed and  direction unless acted on by external force A baseball loses contact with your hand, it stops moving,  accelerating, changing speed and feeling force   Acceleration = change in speed, force causes a change in  speed and special relativity says from baseball's POV it is  stationary and you are moving  nd Newton's 2  Law ­ force = mass x acceleration  After you throw the ball, you go the opposite direction at a slower  speed  Newton's 3rd Law ­ if one body exerts a force on another,  the other body will exert a force of equal strength but opposite direction    2 Newton's Law of Gravity  ­ F gravityGMm/r   The force of gravity depends on the square, if the distance changes by a factor of 3, force changes by a  factor of 9  Gravity 02/12/2014   How do you know if your moving?  You can't  ever know.  How do you know if you're feeling the force of gravity? You feel pressure on your feet b/c floor is pushing  up. Jumping up you come back down. Etc.     The Equivalence Principle ­ no experiment can distinguish a gravitational force from a  corresponding acceleration of the whole reference frame  According to relativity, gravity doesn't really exist ­ general relativity removes gravity and replaces it with  curved spacetime  Anything with mass bends space and time Gravitational lensing – light bends around the masses from bent space – not from Newton’s Law but  from general relativity In Newton’s law light would normally travel space  General relativity bends space and time – bent space = bent light Launching things into orbit – if there was no floor, throwing a water bottle fast enough, it will ‘miss’  the far side of the earth and complete an orbit would launch it into the orbit of the earth and  make it complete the orbit in a full circle (V,orbital) – depends on what height you throw it from If you throw it super fast, the object would miss the earth at an equal point all the way around (donut ring)  If you throw it EXTREMELY fast, it would escape earths gravity, at escape speed Only 1 minimum speed to orbit (red) Elliptical orbits (yellow) Circular orbit (green) Elliptical orbits (blue) Escape speed (pink) Q: if I throw a ball with a speed just a little larger than the escape speed, what shape will its orbit be? A:  open – not a closed loop at all Black Holes 02/12/2014 Newton’s laws: escape velocity from any object depends only on its mass and size When an object is more compact = raised escape velocity Black holes: an object’s gravity is so strong not even light can escape “black holes” named by John Wheeler in 1967 event horizon – boundary between the inside of a black hole and the universe outside (mathematical  boundary not physical) marks the point of no return for objects entering the black hole: the boundary around the black hole is  where escape velocity equals the speed of light boundary tends to be spherical due to the velocity that is needed to escape the center is the same all the  way around nothing that reaches the event horizon can ever escape the structure of space and time on the event horizon is strange space and time are not distinct, but bound in the four­dimensional spacetime what we perceive as gravity arises from the curvature of spacetime Size of a Black Hole radius of the event horizon is known as the Schwarzschild radius depends only on its mass a black hole with the mass of the sun has a Schwarzschild radius of 3km Properties of a black hole a collapsing stellar core becomes a black hole when it shrinks to a size smaller than its Schwarzschild  radius Black Holes 02/12/2014 at that moment, the core disappears within its own event horizon the black hole still contains all the mass and exerts the full amount of gravity associated with that mass outward appearance says nothing about what fell in Theory of three properties of a black hole mass electric charge  (if a black hole had any positive or negative charge, it would attract oppositely charged  particles, making it electronically neutral) angular momentum  (black holes rotate rapidly when they form in the collapse of a rotating star,  collapsing stellar core rotates faster and faster as it shrinks in size) frame­dragging – black hole’s rotations drags neighboring regions of spacetime around in circles singularity­ due to its crush of gravity, all matter that forms in a black hole, will be crushed to a tiny and  dense point in the black hole’s center in a rapidly rotating black hole, it may stretch to a ring as opposed to a single dense point What Would it be Like to Visit a Black Hole? Gravitational redshift – light coming out of a strong gravitational field should show a redshift (change,  fade – eg. blue light turns blue but as it gets sucked in and further redshifted, becomes unseeable) Force inside the black hole is lethal to humans – stretches you length wise and squeezed, like tides to the  ocean For a supermassive black hole the force becomes weaker so nonlethal to humans – the bigger the  weaker Do Black Holes Really Exist? Formation of a black hole – electron degeneracy pressure supporting the iron core of a massive  star succumbs to gravity Black Holes 02/12/2014 Core collapses into a ball of neutrons – most supernova stars leave neutron stars behind Massive stars might not succeed in blowing away all their layers ▯matter falls back into core ▯mass rises  above neutron star limit ▯gravity overcomes the pressure and the core collapses again, turning into a black  hole Einstein’s theory states that energy, like mass, also exerts gravity The more the core of the supernova collapses, the stronger the gravitational attraction Observational Evidence for Black Holes Black hole’s gravity influences surroundings, thus revealing its presence If it is too massive to be a neutron star, according to current knowledge it cannot be anything other than a  black hole Confirming that black holes are 100% real is very difficult Due to successful theories about neutron stars and general theory of relativity, black holes must exist Escape speed from Earth surface is about 11km/s Escape speed goes up if you compress the earth – it gets smaller and more compressed so you are closer  to the center of gravity Escape speed from the surface of an object goes up as it gets smaller Q: What would happen to the escape speed if we kept crushing the earth smaller and smaller? A: the  escape speed would go up and up, and once it reaches the speed of light, nothing can get away from the  earth!!! An object with an escape speed of c is a black hole Called black hole because the light goes in but none comes out Black hole is an object which bends space time – bends space as much as it can bend Anything with high enough density that its escape speed has reached the speed of light  Black Holes 02/12/2014 “Singularity” – density is infinite Event horizon is like a border between countries: nothing physically there. Q: If we add mass to a black hole, the black hole will: A: get larger If the sun became a black hole­ we wouldn’t get sucked in *Difference between stellar­mass and supermassive black holes: difference is mass  ­ stellar mass black holes are around 3­10 times the mass of the Sun,  supermassive black holes are 10 ­10  times the mass of Sun   The Mysterious Galactic Center What lies in the center of our galaxy? Within 1000 light­years of the center, we find swirling clouds of gas and a cluster of several million stars Exact center has radio emissions named Sagittarius A* (A­star) Sgr A* contains a few million solar masses within a tiny region of space According to Kepler's 3rd law ­ object must have mass of about 4 million solar masses in a region just larger  than our solar system Astronomers believe that since Sgr A* has such a huge mass, there must be a very massive black hole Behaviour is puzzling ­ most black holes accumulate matter through accretion disks that radiate brightly in X  rays. However X ray emission from Sgr A* is rather faint  Generally low X­ray brightness – may be that matter falls into it in big chunks instead of smooth, swirling  flow of an accretion disk Tutorial Notes Black Holes 02/12/2014 Q: Madhulla is feeling weightless, which is most correct? She is in free fall due to gravity OR? A: moving at  constant velocity Q: Which escape velocity is the highest? The escape velocity at? A: c­the surface of a planet of the same  radius, but has twice the mass of earth Q: What does “escape speed” of the earth mean? What determines the escape speed of the earth at its  surface? A: Speed you need to escape the orbit of a large mass The mass determines it – the heavier the mass the stronger the orbit (gravitational pull) and depends on  how strong the gravity is Q: Can the escape speed of a body be larger than the speed of light? If so, what can escape from such a  body? A: No – nothing can be faster than the speed of light – invariant Nothing can escape from such a body Q: What is the “schwarzchild radius” of a black hole? What is special about the schwarzchild  radius? A: Schwarzchild radius – radious of event horizon (area around black hole) depends only on its mass a black hole with the mass of the sun has a Schwarzschild radius of 3km Q: What is the “event horizon” of a black hole? What is special about the event horizon? What is physically  located at the event horizon? A: event horizon = point of no return time slows down with increased speed so if someone gets sucked into a black hole, from the outside it  looks like they aren’t moving from inside the black hole you can see the whole universe –because light goes in but never escapes so  from outside you cant see the whole universe nothing physical located at event horizon TRUE OR FALSE:  Black Holes 02/12/2014 Q: Black holes are dangerous and suck up matter from the universe Would we be sucked into the black hole of the sun (sun replaced by black hole) A: NO because the  distance from sun to earth is much larger than the schwarzchild radius of the sun black hole would be Q: Do the following situations feel different? A) you are on earth feeling 9.8m/s2 acceleration. B) you are on  a spaceship that is accelerating at 9.8m/s2 A: NO Q: How would Newton explain why a satellite is orbiting earth? A: Newtons law of force and motion – force  of gravity and mass of the earth making the motion of orbit The Sun 02/12/2014 14.1 A Closer Look At The Sun Why was the sun’s energy source a major mystery? 1  idea▯  gravitational contraction (the sun slowly contracts in size, thus generating energy) Gradually shrinking sun = gas always moving inwards = thermal energy GEOLOGISTS PROVED THIS WRONG ^ Why does the sun shine? Einstein’s special theory of relativity 1905 – the mass itself contains enormous amounts of energy  The sun converts its mass into energy through nuclear fusion Q: Why does the sun shine? A: gravitational contraction made it hot enough to sustain nuclear  fusion in its core Stable sun Nuclear fusion requires extremely high temperatures and densities – in the sun these are found deep in the  core To keep shining, the sun must keep its core hot and dense (through a natural balance between: gravity  pulling inward and pressure pushing outward) ^ that balance needed to keep the sun stable is gravitational equilibrium Nuclear Fusion – How it started Sun was born from a collapsing cloud of interstellar gas ▯contraction of cloud released gravitational  potential energy ▯energy generated in the suns interior =balance with energy lost from radiation of surface ^ this process gave a stable energy balance Sun’s Structure ­giant ball of plasma­ gas in which many atoms are ionized because of high  temperatures The Sun 02/12/2014 Basic Properties of the Sun Spectroscopy ▯says the sun is made almost entirely of hydrogen and helium Sunspots ▯dark splotches on the sun’s surface Sun’s Mass = 300,000x the mass of earth Entire sun does not rotate at same rate – solar equator 1rotation =25 days, latitude 1rotation =30 days Sun releases a lot of radioactive energy Joules – measurement of energy in units of joules Power is the  rate at which energy is used Standard unit of power is watt ▯ 1 watt= 1 joule/s (a 100­watt light bulb requires 100 joules of energy for  each second it is on Luminosity = sun’s total power output Sun’s Atmosphere (order from farthest to closest to sun) Solar wind – stream of charged particles continually blown outward in all directions from the sun Corona – low­density gas on the sun’s outermost layer of atmosphere (has super high temperature) has extremely low density so despite having super high temperatures, a spaceship wouldn’t absorb  relatively little heat chromosphere – middle layer of sun’s atmosphere (radiates most of sun’s ultraviolet light) The Sun 02/12/2014 photosphere – visible surface of sun (consists of gas far less dense than earths atmosphere) – surface  seethes and churns like a pot of boiling water Q: Which is the strongest of the fundamental forces in the universe? A: strong force Sun’s Interior (in order from out to in) Convection zone – energy generated in solar core travels upward (transported by the rising of hot gas  and falling of cool gaconvection ) Radiation zone – energy moves outward primarily in a form of protons of light (many X­rays emitted,  super high temp) Solar Core – transforming hydrogen into helium, super hot, high density(100x density of water) and  pressure more than 200bil x the surface of the earth Q: The overall result of the proton­proton chain is that __________. A: 4 H becomes 1 He + energy Light and Matter 02/12/2014 How do light and matter interact?  Light interacts with matter in 4 basic ways:  Emission: process by which matter emits energy in form of light (eg. Light bulb)  Absorption: process by which matter absorbs radiated energy (eg. Placing hand near light bulb ­  opaque materials absorb)  Transmission: process by which light passes through matter without being absorbed (eg. Glass/air ­  transparent materials transmit)  Reflection/Scattering: process by which matter changes the direction of light (eg. Any visible object)  Materials interact differently with different colors of light ­ red glass transmits red light/absorbs other colors.  Green lawn reflects green light/absorbs other colors  Brain interprets messages light carries, recognizing materials/objects in process we call vision Properties of Light  Newton placed second prism to prove that the prism wasn't what was providing the color, as second didn't  produce rainbow like first    What is light?  Newton's theory: light is made up of countless tiny particles.  Other scientists demonstrated light behaves like waves.  ­­> Is light a wave or a particle?  Particles and Waves in Everyday Life  Light and Matter 02/12/2014 Waves consist of peaks, troughs, even though waves are moving outward, particles that make up water are  moving primarily up/down  Waves carry energy outward from place pebble lands but do not carry matter along with them.   Particle is a thing, wave is a pattern revealed by its interaction with particles  3 basic properties of waves:  Wavelength: distance from one peak to the next  Frequency: number of peaks passing by any point each second, measured in cycles per second;  Hertz (Hz)  Speed: tells us how fast their peaks travel across pond; how fast energy travels from one place to  another  Wavelength X frequency = speed  Light as an Electromagnetic Wave  What is "waving" when a light wave passes by? ­ electric and magnetic fields  Field describes the strength of force that a particle would experience at any point in space  Eg. Earth creates gravitational field that describes strength of gravity at any distance from earth, strength of  field declines with distance  Electricity and magnetism also create forces, so strength in different places can be described in terms of  electric and magnetic fields  Light waves ­ traveling vibrations of both electric and magnetic waves ­ light is an electromagnetic  wave.  If electrons were set in row they'd wriggle like snake as light passed by (waves)  Light and Matter 02/12/2014 Longer wavelength = lower frequency, vice versa  Photons: "Particles" of Light  Light behaves as both waves and particles  Light comes in photons ­ properties of both  Can be counted individually and hit walls one at a time, and is characterized by wavelength and frequency.   Carries specific amount of kinetic energy shorter wavelength = higher energy  What is the electromagnetic spectrum?  There is light we cannot see, visible light is only tiny part of complete spectrum of light; electromagnetic  spectrum  Light itself = electromagnetic radiation  Electromagnetic Spectrum (Longest to shortest wavelength)­ RIVUX­G Radio waves: longest­wavelength light  Radio waves have no noticeable effect on bodies but make electrons move up/down in antenna ­ how radio  receives waves from station  Microwaves: wavelengths that fall near border b/w infrared & radio waves, where they range from  micrometers to centimeters  Infrared: light with wavelengths somewhat longer than red light, between visible light and radio waves  Infrared sometimes associated with heat as molecules in warm object emit it  Visible Light: the light our eyes can see, found near middle of spectrum, ranging wavelength from 400­ 700nm  Receptors in eyes respond to visible light photons, enabling vision  Ultraviolet: wavelengths somewhat shorter that blue light, lies beyond violet end of rainbow  Ultraviolet carry enough energy to harm skin, causing sunburn/skin cancer  X rays: even shorter wavelengths  x­ray have enough to penetrate through skin but blocked by bones/teeth  Gamma rays: shortest­wavelength   Light and Matter 02/12/2014 Interactions with matter Brick wall is opaque tvisible lightbut transmitsradio waves  Glass is transparent tvisible lightbut opaque toultraviolet light  Certain types of matter tend to interact more strongly with certain types of light, so each type of light carries  different information about distant objects in universe ­ astronomers observe all wavelengths  Frequency: the longer the wavelength the lower the frequency bc WLxF = speed of light Energy: same as frequency (higher frequency = higher energy) Speed of light: same no matter what frequency or energy level Light and Matter 02/12/2014 Structure of matter Atoms ­ indivisible, nothing smaller possible  Democritus: 3 basic elements ­ fire, water, earth, air. Properties of different elements could be explained  by physical characteristics of their atoms  All matter is composed of atoms , properties depend on characteristics of its atoms, however not  indivisible  Atoms come in different types, each type corresponds to different chemical element   Atomic Structure  Atoms made of protons, neutrons and electrons  Protons/neutrons found in nucleus   Rest of volume contains electrons surrounding nucleus  Light and Matter 02/12/2014 Nucleus contains most of mass though very small, b/c protons/neutrons are 2000 x bigger than electron   Properties of atom depend mainly on electrical charge in nucleus     Atomic number: number of protons in nucleus  Atomic mass: protons + neutrons  All atoms have same number of protons, neutrons vary creating isotopes  Atoms combine to form molecules  Q: Which of the following best describes the fundamental difference between two different chemical  elements (such as oxygen and carbon)? A: They have different numbers of protons in their nucleus. Phases of matter Interaction b/w light +matter depends on physical state of matter ­ matter's phase  Solid: phase where atoms are held rigidly in place  Liquid: phase were atoms are held together but move freely  Gas: phase where atoms can move essential independently of one another  Chemical bond ­ interactions between electrons that hold atoms in molecule together. Changes in  pressure/temp cause phase change  Phase Changes in Water  Can take all 3 phases, some gas phase is always present with other forms  Sublimation: process by which molecules escape from a solid  Evaporation: process by which molecules escape from a liquid  Molecular Dissociation and Ionization  Molecular Dissociation: process of molecules splitting into pieces  Can be cause by high temps  Ions: charged atoms  Ionization: process of stripping electrons from atoms  Plasma: hot gas in which atoms have become ionized "fourth phase of matter"  Phases and Pressure  Temp is primary factor in determining phase and ways light interacts with it  Pressure: force per unit area pushing on an object's surface  Causes core to remain solid despite high temps  Energy in Atoms To produce light, objects transform energy contained in matter into vibrations of electric/magnetic fields that  we call light  Light and Matter 02/12/2014 Charged particles within atoms ­ electrons ­ b/c only particles that have charge can interact with  light  Atoms contain energy in 3 diff ways:  Mass energy by virtue of their mass kinetic energy by virtue of motion electrical potential energy that depends on arrangement of their electrons around their nuclei  Q: According to the laws of thermal radiation, hotter objects emit photons with _________. A: a shorter average wavelength Energy Levels in Atoms  Only particular energies are possible ­ energy levels  Ground state = level 1 ­ 0 eV.   Higher levels = excited states  Energy level transition: electron moving from one energy level to another, can only occur when  electron gains or loses specific amount of energy pertaining to levels   Amount of energy separating levels gets smaller at higher levels  If gains enough to reach ionization level may escape=ionized atom Excess energy beyond amount needed for ionization turns into kinetic energy of free­moving electron  Q
More Less

Related notes for AST201H1

Log In


Don't have an account?

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.