ماهية النجوم
|
تجربة استهلالية: النجوم من حولنا النجوم أجرام سماوية مضيئة بنفسها، وهي تختلف عن بعضها في الصفات، مثل: اللون، والكتلة، والحجم. المواد والأدوات: صورة تمثل جزءًا من السماء يحوي مجموعة من النجوم، و (3) بطّاريات، وأسلاك، و (6) مصابيح مختلفة الألوان والحجوم، ومفتاح، وكرتون مقوى، وألوان، ومقص، ومسطرة، وقلم.
ظهرت بعض النجوم مُتفرِّقة، وظهر بعضها الآخر مُتجمِّعًا. يشير الاختلاف في ألوان النجوم إلى اختلاف تركيبها؛ إذ تولد جميع النجوم من السديم الكوني الذي يتكوَّن من الغاز والغبار الكوني. وتختلف السدم في ما بينها، ويشير اختلاف ألوان النجوم إلى اختلاف درجات حرارتها السطحية، وهي تتفاوت في حجومها؛ لأنَّ لها دورة حياة تمر بها، فيتغير حجم النجم وفقًا لها. تظهر النجوم في أقصى اليسار على شكل مثلث. الإجابة الصحيحة يجب أنْ تتضمَّن أنَّ النجوم قد تبدو في السماء مُتفرِّقة، وأنَّ العديد منها يوجد على شكل مجموعات، وأنها قد تظهر بأشكال مختلفة وفقًا لما يتخيَّله الراصد، وتختلف في ألوانها وحجومها لأنَّ لها دورة حياة تمر بها. |
النجم Star: هو جِرم سماوي كروي يتكون من غاز ساخن متأين، يغلب على مكوناته نَوى عناصر الهيدروجين والهيليوم، ونسب قليلة من عناصر أخرى، مثل: الكربون، والنيتروجين، والأكسجين، والحديد، وهو يصدِر طاقة حرارية وضوئية.
لم يتمكن العلماء من الوصول إلى النجوم، ولكنهم توصلوا إلى معرفة صفاتِها المختلفة، مثل: لونها، وكتلتها، وحجمها، ودرجات حرارتها، وذلك بتحليل أطياف الأشعة المنبعثة منها.
ما مصدرُ الطاقةِ في النجومِ؟
تنشأ هذه الطاقة عن الاندماجات النووية Nuclear Fusions التي تحدث في قلب النجم؛ إذ تتحد النوى الخفيفة لنظائر الهيدروجين (الديتيريوم (1H2)، والتريتيوم (1H3) لإنتاج نواة أثقل، هي نواة الهيليوم. ونظرًا إلى فرق الكتلة بين المواد المتفاعلة والمادة الناتجة من التفاعل؛ تنتج كميّات كبيرة من الطاقة تصل الأرض في صورة حرارة وضوء. يحدث هذا الاندماج تحت ضغوط هائلة، ودرجات حرارة مرتفعة جدًّا في قلبِ النجمِ، أنظر الشكل الآتي الذي يمثل تفاعلات الاندماج النووي في قلب النجم.
أتحقق: أوضح المقصود بالنجم.
جِرم سماوي كروي يتكون من غاز ساخن متأين، يغلب على مكوناته نَوى عناصر الهيدروجين والهيليوم، ونسب قليلة من عناصر أخرى، مثل: الكربون، والنيتروجين، والأكسجين، والحديد، وهو يصدِر طاقة حرارية وضوئية.
سطوع النجوم Luminosity
عند النظر إلى السماء ليلا نجد أن النجوم تتفاوت في صفاتها، مثل: الحجم، واللون؛ فمنها ما يمكن تمييزه، ومنها ما هو خافت لا يكاد يرى بالعين المجردة.
تتفاوت أيضًا كمية الطاقة التي يشعها النجم فعليًّا في الثانية الواحدة، في ما يعرف بسطوع النجم .
يعتمد سطوع أي نجم على عاملين، هما:
- درجة حرارة سطح النجم.
- حجم النجم
ويتناسب السطوع مع كليهما طرديًّا.
درجة حرارة سطوح النجوم وألوانها Surface Temperature of Stars and their Colors
قد تبدو جميع النجوم أول نظرة نقاطًا لامعةً مضيئةً في السماء.ولكن، إن نظرنا إليها باستخدام المقراب سنجدها مختلفةً في ألوانها كما في الشكل الآتي؛ إذ إنها تلمع مثل الجواهر الملونة على خلفية مخملية سوداء.
تختلف ألوان النجوم بسبب اختلاف درجات حرارتها السطحية؛ فالنجوم الحمراء والبرتقالية تمثل أقل النجوم درجة حرارة. أما النجوم ذات اللون الأصفر، فتكون متوسطة درجة الحرارة، في حين يشير اللون الأبيض المزرق إلى أكثر النجوم درجة حرارة، ويزداد سطوع النجوم بزيادة درجة الحرارة.
سؤال الشكل (2): أوضح: ما الألوان التي تظهر بها النجوم؟
اللون الأحمر، واللون البرتقالي، واللون الأصفر، واللون الأبيض، واللون الأزرق.
الربط بالفيزياء
يشع النجم عند درجة حرارة معينة حزمة من الموجات المتقاربة في طولها الموجي، تتمركز حول موجة محورية تحمل أكبر كمية من الطاقة، وتسمى موجة الذروة λ ذ، حيث تتناسب درجة الحرارة عكسيًّا مع الطول الموجي؛ فكلّما زادت درجة حرارة سطح النجم قصر الطول الموجي لأشعته (يميل لونه إلى الأزرق)، وكلَّما انخفضت درجة حرارة
سطح النجم زاد الطول الموجي لأشعته (يميل لونه إلى الأحمر)، أنظر الشكل الآتي:
أتحقق: أذكر العوامل التي يعتمد عليها سطوع النجوم؟
يعتمد سطوع النجم على عاملين، هما: درجة حرارة سطح النجم، وحجمه.
لتعرُّف المعلومات التي يمكن استنتاجها من ألوان النجوم، سننفذ التجربة الآتية.
|
التجربة: الكشف عن ألوان النجوم المواد والأدوات:
3. أكتب لون سلك المصباح بعد مرور (8) ثوانٍ، ثم ألمس بحذر المصباح بيدي لوصف درجة حرارته.
عند استخدام بطارية ضعيفة، ظهر لون سلك المصباح باللون الأحمر، وكانت درجة حرارته منخفضة. وعند استخدام بطارية جديدة، تغيّر لون سلك المصباح، فأصبح يميل إلى الزرقة، وكانت درجة حرارته تتراوح بين المتوسطة والمرتفعة، ولكنْ عند استخدام بطاريتين جديدتين تغير لون سلك المصباح ليصبح أزرق اللون، وكانت درجة حرارته مرتفعة. يحول المصباح الكهربائي الطاقة الكهربائية الناشئة عن البطارية إلى طاقة حرارية؛ لذا، فإنَّ اختلاف درجة حرارة المصباح مردُّه إلى اختلاف كمية التيار الكهربائي التي تضخُّها (تمررها) البطارية في كل خطوة. لون النجوم عند درجات حرارة سطح مرتفعة نسبيًّا أزرق، لون النجوم عند درجات حرارة سطح منخفضة نسبيًّا أحمر. |
حجوم النجوم Star Sizes
عند النظر إلى النجوم في السماء، فإنها تبدو جميعًا نقاط ضوء من الحجم نفسه. فهل تبدو لنا النجوم بحجمها الحقيقي؟
يمكن تعرف حجوم النجوم وعلاقتها بالسطوع بتنفيذ النشاط الآتي.
|
نشاط: تمييز حجوم النجوم وعلاقتها بالسطوع أدرس الشكل الآتي الذي يمثل مخططًا يبين العلاقة بين سطوع النجوم وحجومها ودرجات حرارتها السطحية، ثم أجيب عن الأسئلة التي تليه:
التحليل والاستنتاج: نجوم كبيرة الحجم، ونجوم متوسطة الحجم، ونجوم صغيرة الحجم. العلاقة طردية؛ أي إنه كلَّما ازداد حجم النجم زاد سطوعه. سطوعه سيكون مرتفعًا، ومكانه على المُخطِّط سيكون أعلى يسار المخطط.
|
يتبين مما سبق أن النجوم تختلف في حجومها؛ فبعضها كبير جدًّا مثل نجم السِّمّاك الأعزل (Spica)، وبعضها كبير مثل نجم النسر الواقع (Vega)، وبعضها متوسط الحجم مثل الشمسِ، وبعض آخر أصغر كثيرًا منَ الشمس. ومن الملاحظ أنه كلما زاد حجم النجم ودرجة حرارته السطحية زاد مقدار سطوعه.
أتحقق: هل توجد علاقة بين حجم النجم وبعده عن الأرض؟ أستقصي العلاقة (إن وجِدت).
لا توجد علاقة بين حجم النجم وبعده عن الأرض. فبعض النجوم ذات الحجم الكبير تبدو صغيرة؛ لأنَّها بعيدة جدًّا عنَّا، وقد تبدو نجوم أخرى كبيرة الحجم بالرغم من أنها متوسطة الحجم أو صغيرة الحجم؛ لأنَّها قريبة منّا، مثل الشمس.
|
أفكر النجم سيريوس Sirius أكثر سطوعًا بمقدار ضعفين من النجم ريجل Rigel ، ولكن النجم ريجل أبعد عنا بمسافة تزيد (100) مرة على النجم سيريوس. بما أنَّ النجم سيريوس أكثر سطوعًا بمقدار ضعفين من النجم ريجل، فهذا يعني أن كمية الطاقة التي يشعها النجم سيريوس (المنبعثة منه) فعليًّا في الثانية الواحدة ستكون أعلى من كمية الطاقة التي يشعها النجم ريجل في الثانية الواحدة. |