二節(jié)宇宙起源和演化

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1、第二節(jié)宇宙的起源和演化困擾人們數(shù)百年：宇宙起源和演化的問題？宇宙在空間上究竟是有限還是無限？1一、一些相關(guān)知識1.電磁波靜電場電荷變化電場電量變化臨近區(qū)域變化磁場較遠(yuǎn)區(qū)域新的變化電場更遠(yuǎn)區(qū)域新的變化磁場●●……變化的電場和磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)，以有限的速度，在空間的傳播過程，稱為電磁波。22.電磁波譜波長：λ（m）頻率：ν（Hz）λ=電磁波波長分布很廣長——幾萬米（無線電波）——微波——紅外線——可見光——紫外線——X射線短——<10-13米（γ射線）傳播子光子E=hνν大或λ小，E越大Cν33.輻射任何物體在任何溫度下都發(fā)射電磁波

2、，發(fā)射電磁波的過程稱為輻射，輻射出的能量稱為輻射能。4.光譜的紅移、藍(lán)移物體相對于觀測者靜止不動(dòng)，光譜波長是固定的；物體相對于觀測者運(yùn)動(dòng)，光譜波長有變化：物體遠(yuǎn)離觀測者而去光譜波長向紅端移動(dòng)紅移向觀測者運(yùn)動(dòng)光譜波長向藍(lán)端移動(dòng)藍(lán)移4二、目前所認(rèn)識的宇宙1.宇宙星系恒星每個(gè)星系幾十億~幾千億顆氣體塵埃尺度150億光年，年齡100~150億年總星系物質(zhì)及運(yùn)動(dòng)分布，在統(tǒng)計(jì)上是均勻的，各向同性的宇宙中物質(zhì)含量：氫（H2）最多氦（He）其次其它少量目前發(fā)現(xiàn)的約10億個(gè)（幾百億個(gè)）尺度幾千~幾十萬光年不等（總星系）5星系漩渦星系橢圓星系不規(guī)則星系2

3、.銀河系尺度組成發(fā)光部分直徑7萬光年最大厚度1萬光年恒星2000億顆氣體、塵埃團(tuán)塊63.太陽系尺度—組成直徑240億千米尺度半徑70萬千米位置銀河系軸3/5處運(yùn)動(dòng)250千米/秒繞軸運(yùn)動(dòng)溫度內(nèi)部15000000K表面6000K行星9個(gè)類地行星（Si、Fe）衛(wèi)星34個(gè)無衛(wèi)星有衛(wèi)星彗星1600顆流星太陽中心天體水金地火木土天海冥類木行星（H2、N2、NH3、CH4）離太陽120億千米7三、宇宙的起源和演化宇宙開端——150億年前大爆炸最重要證據(jù)：星系光譜紅移星系彼此遠(yuǎn)離宇宙在膨脹極高密度狀態(tài)物質(zhì)密度更高奇點(diǎn)大爆炸81922年弗里德曼和192

4、7年勒梅特，得到了動(dòng)態(tài)宇宙模型。20世紀(jì)20年代，發(fā)現(xiàn)多數(shù)星系發(fā)出的光譜發(fā)生紅移。這意味著多數(shù)星系在向我們遠(yuǎn)離的方向上退行。1948年伽莫夫等人，結(jié)合當(dāng)時(shí)核物理的知識，提出了宇宙大爆炸理論。認(rèn)為今天看到的宇宙膨脹逆著時(shí)間追溯回去，則起始于一次猛烈的大爆炸。1929年哈勃總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)定律v=H0rV——星系退行的速度H0——哈勃常數(shù)，觀測值為150千米/秒千萬光年r——星體的距離9觀測支持和宇宙的熱演化大爆炸之后約10-2秒大爆炸之后約1秒大爆炸之后約10秒宇宙溫度約1011K，宇宙主要成分是電子、正電子、光子、中微子、反中微子等及少量核

5、子。宇宙溫度下降為1010K，宇宙中的中子占24%，質(zhì)子占76%宇宙溫度下降為3x109K，宇宙中的中子、質(zhì)子可形成4He。而較重的原子核仍沒有形成的機(jī)會。10到了3分鐘，宇宙溫度下降為109K。中子衰變?yōu)橘|(zhì)子，剩下的中子都可直接組合到氦核中，因此造成氦核的豐度為26%，其余的質(zhì)子則只能成為氫核了。這與是接近的。到了約1012秒宇宙繼續(xù)冷卻和膨脹，溫度降為4x103K。原子氣體靠引力作用結(jié)團(tuán)形成恒星和星系，而恒星和星系演化，其中的和聚變過程產(chǎn)生更重的原子核；脫離了熱偶合的光子氣體稱為，溫度下降到現(xiàn)在的2.7K。1964年彭齊亞斯和威爾

6、遜發(fā)現(xiàn)這種背景輻射。宇宙中氦和氫的豐度測量這是宇宙大爆炸理論的一個(gè)重要的觀測支持。這是宇宙大爆炸理論的又一個(gè)重要的觀測支持。宇宙背景輻射11大爆炸1秒鐘前3分鐘3分鐘~70萬年幾十億年T>100億K質(zhì)子、中子、電子、光子……“宇宙湯”T—10億K質(zhì)子+中子氘核、氦核T—100萬K緩慢膨脹T—3000K原子核+電子原子光子不再被電子散射宇宙開始透明原子—引力凝聚原始星云12星系的形成恒星的一生（1）形成（2）演化13三種質(zhì)量<太陽白矮星（白色、小）黑矮星質(zhì)量≈太陽極猛烈爆發(fā)，在極短時(shí)間內(nèi)亮度增至千萬~上億倍—“超新星爆發(fā)”體積極小、密度

7、極高星核—中子星質(zhì)量>>太陽超新星爆發(fā)黑洞恒星歸宿14太陽系形成、演化地球形成、演化15【復(fù)習(xí)思考題及習(xí)題】1.現(xiàn)代宇宙學(xué)是如何定義宇宙概念的？2.從整體上看，我們的宇宙存在哪幾個(gè)結(jié)構(gòu)層次？3.簡述宇宙的形成和演化過程。4.簡述太陽系的結(jié)構(gòu)、形成和演化。5.地球有那些圈層結(jié)構(gòu)？它們是如何形成的？16