Astronomische Probleme und ihre physikalischen Grundlagen

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1 Hans Schafer Astronomische Probleme und ihre physikalischen Grundlagen Eine Auswahl fur Unterricht und Selbststudium Mit 53 Bildern, 47 Tabellen und 79 Aufgaben mit Losungen Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

2 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Schäfer, Hans: Astronomische Probleme und ihre physikalischen Grundlagen: e. Ausw. fur Unterricht u. Selbststudium Aufl. - Braunschweig: Vieweg ISBN Verlagsredaktion: Alfred Schubert 1978 Alle Rechte an der deutschen Ausgabe vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden, 1978 Ursprunglich erschienen bei der deutschen Ausgabe Friedr. Vieweg & Sohn Vedagsgesellschaft mbh, Braunschweig in 1978 Die Vervielfaltigung und Ubertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen Oder Bilder, auch fur Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. Im Einzelfall mufi iiber die Zahlung einer Gebiihr fur die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fur die Vervielfaltigung durch alle Verfahren einschliefilich Speicherung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bander, Platten und andere Medien. Satz: Vieweg, Braunschweig ISBN ISBN (ebook) DOI /

3 Vorwort Dieses Buch ist aus dem Wunsch entstanden, der Astronomie einen shirkeren Eingang in den Unterricht zu verschaffen und allen Interessenten einen leichteren Zugang zu astronomischen Problemen. Auch ohne Studium der Astronomie oder astronomischer Literatur ist es moglich, sich mit astronomischen Problemen zu beschaftigen, wenn die physikalischen Kenntnisse vorhanden sind. Das Buch kann nicht nur in Schulen oder anderen Gemeinschaften, wie z. B. Arbeitskreisen in Volkssternwarten, sondern auch zur Eigenbeschaftigung benutzt werden. Ich hoffe, d a es ~ viele zum vertieften Studium der Astronomie anregt. Bei den besprochenen Problemen handelt es sich natiirlich urn eine sehr enge und dazu noch subjektive Auswahl. Fiir Anregungen und Verbesserungsvorschlage bin ich sehr dankbar. Dem Verlag danke ich flir die ausgezeichnete Zusammenarbeit. Remscheid Mai 1978 Hans Schafer

4 v Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 1 Kepler-Gesetze und Gravitationsgesetz Notwendige Kenntnisse aus der Physik Zentrifugalkraft Kepler-Gesetze Gravitationsgesetz Astronomische Probleme Einige Betrachtungen zur Bewegung unseres Mondes. Siderische und synodische Umlaufszeit und die beiden ersten Kepler-Gesetze Die Bahnen der Planet en Zum 3. Kepler-Gesetz; das Gravitationsgesetz; Bestimmung von Entfernungen und Massen im Planetensystem Storungsrechnung Gezeiten Die Ringe des Saturns Doppelsterne - Massenbestimmung von Sternen Die Masse der Milchstra1\e (Galaxis) Die Dichte einiger Himmelskorper Potentielle Energie und Drehimpuls Notwendige Kenntnisse aus der Physik; Obersicht Potentielle Energie im Gravitationsfeld Drehimpuls, Drehmoment und Triigheitsmoment Astronomische Probleme Virialsatz, Kreisbahngeschwindigkeit und parabolische Geschwindigkeit Gravitationsenergie einer Gaskugel; Kontraktion der Sonne; Helmholtz-Kelvinsche Zeit skala Die Verteilung des Drebimpulses im Planetensystem Die Erhaltung des Drehimpulses und das zweite Kepler-Gesetz Das System Erde-Mond und die Erhaltung des Drebimpulses Allgemeine Gasgleichung, Kinetische Gastheorie, Strahlungsgesetze Notwendige Kenntnisse aus der Physik Allgemeine Gasgleichung und kinetische Gastheorie Strahlungsgesetze Astronomische Probleme Temperatur und Leuchtkraft der Sonne und der Sterne Leuchtkraft der Sterne; scheinbare und absolute Helligkeit Farbindizes Das Hertzsprung-Russel- und das Farben-Helligkeitsdiagramm; das Zustandsdiagramm Temperaturen von Planeten und Monden Atmosphiiren von Planeten und Monden... 81

5 VI I nhaltsverzeichnis 4 Linienspektren und Dopplereffekt Notwendige Kenntnisse aus der Physik Linien- (und Banden-)Spektren Doppler-Effekt Astronomische Probleme Qualitative Spektralanalyse Einige Bemerkungen zur quantitativen Spektralanalyse Die Balmerserie in Absorption Aufnahmen der Sonne im Licht einzelner Linien; Aufnahmen im Licht aus der Mitte oder den Fliigeln einzelner Linien Interstellarer Raum: das Leuchten der Emissionsnebel- verbotene Linien - die 21 cm-linie - Molekiile im interstellaren Raum Der Doppler-Effekt Kernphysik Notwendige Kenmnisse aus der Physik Aufbau der Atomkerne Coulombsches Potential, Tunneleffekt 5.2 Astronomische Probleme Gravitationsinstabilitat in interstellaren Wolken - Kontraktion - Entstehung von Sternen Thermonukleare Reaktionen in Sternen auf der Hauptreihe Kernprozesse in Sternen au1\erhalb der Hauptreihe.., Endstadien der Sterne: W e Zwerge, ~ e Neutronensterne, Schwarze Locher Anhang A.1 Erlauterung einiger Begriffe A.2 Die wichtigsten Gesetzma1\igkeiten und Besonderheiten des Planetensystems, die wichtigsten ZustandsgroBen der Sterne A.3 Losungen der Aufgaben Literaturverzeichnis 143 Sachwortverzeichnis 145