Estest (660663), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Магнитные силы полностью порождаются электрическими тока­ми — движением электрических зарядов. Существуют попытки объе­динения теорий с учетом симметрий, в которых предсказывается су­ществование магнитных зарядов, но они пока не обнаружены. По­этому величина е определяет и интенсивность магнитного взаимо­действия.

Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отда­ют энергию в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Види­мый свет является электромагнитным излучением определенного ди­апазона частот. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу, хотя и проявляются подчас в сложных формах. 'Электромагнитные взаимо­действия определяют структуру и поведение атомов, удерживают атомы от распада, отвечают за связи между молекулами, т.е. за химические и биологические явления. Гравитация и электромагнетизм — дальнодействующие силы, распространяющиеся на всю Вселенную.

Сильные и слабые ядерные взаимодействия — короткодействую­щие и проявляются только в пределах размеров атомного ядра.

Слабое взаимодействие ответственно за многие ядерные процес­сы, например, такие, как превращение нейтронов в протоны, и сильнее других сказывается на превращениях частиц. Поэтому эф­фективность слабого взаимодействия можно охарактеризовать уни­версальной постоянной связи g(W), определяющей скорость протека­нии процессов типа распада нейтрона. Через ядерное слабое взаимо­действие одни субатомные частицы могут превращаться в другие.

Сильное ядерное взаимодействие имеет более сложную природу. Именно оно препятствует распаду атомных ядер, и не будь его, ядра распались бы из-за сил электрического отталкивания протонов. С этим типом взаимодействия связаны энергия, выделяемая Солн­цем и звездами, превращения в ядерных реакторах и освобождение энергии. В ряде простейших случаев для его характеристики можно ввести величину g(S), аналогичную электрическому заряду, но мно­го большую. Здесь есть некоторые особенности — сильное взаимо­действие не удовлетворяет закону обратной пропорциональности, как гравитационное или электромагнитное: оно очень резко спадает за пределами эффективной области радиусом около 10^-15м. Кроме того, внутри протонов и нейтронов также существует сильное взаимодей­ствие между теми элементарными частицами, из которых они состо­ят, следовательно, взаимодействие протонов и нейтронов есть отражение их внутренних взаимодействий. Но пока картина этих глубин­ных явлений скрыта от нас.

Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему времени неясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самым сильным является короткодейству­ющее сильное взаимодействие, электромагнитное слабее его на два порядка, слабое — на 14 порядков, а гравитационнное — самое сла­бое, оно меньше сильного на 39 порядков. В соответствии с величи­ной сил взаимодействия они происходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия происходят при столкновении частиц с око­лосветовыми скоростями, и время реакций, определяемое делением радиуса действия сил на скорость света, дает величину порядка 10^-23 с. В случае слабого взаимодействия процессы происходят медлен­ней — за 10^-9 с. Характерные времена для гравитационного взаимо­действия порядка 10¹⁶ с, или 300 млн лет.

Среди электромагнитных взаимодействий для примера можно выделить химическую реакцию, в медицине - рентгеновское обследование. Что касается любви – то это соединение всех четырех взаимодействий в одно.

1. В чем суть соотношения неопределенностей Гейзенберга? Как Вы понимаете слова Ричарда Феймана: «Микрочастицы не похожи ни на что, из того, что Вам хоть когда-нибудь приходилось видеть».

Гейзенберг представил физические величины как совокупность всех возможных амплитуд перехода из одного квантового состояния в другие. Сама вероятность перехода пропорциональна квадрату мо­дуля амплитуды, именно эти амплитуды и наблюдаются в экспери­ментах. Тогда каждая величина должна иметь два индекса, соответ­ствующих верхнему и нижнему состояниям. Эти величины называ­ются матрицами. Гейзенберг получил и уравнения для наблюдаемых величин, но в первоначальном виде они были сложными. В 1926 г. он сумел объяснить отличие двух систем термов для пара- и ортогелия как соответствующих симметричным и антисимметричным решениям его уравнения.

Гейзенберг в решении проблем, которыми начал заниматься с 1925 г., шел от наглядных феноменологических моделей. В 1927 г. он при поддержке Бора и его школы предложил устранить противоре­чие волна — частица, которое он понимал как некую аналогию. Счи­тая, что "совокупность атомных явлений невозможно непосредствен­но выразить нашим языком", он предложил отказаться от представ­ления о материальной точке, точно локализованной во времени и пространстве. Либо точное положение в пространстве при полной не­определенности во времени, либо наоборот — таково требование квантовых скачков.

Так Гейзенберг пришел к формулировке принципа неопределенно­сти, устанавливающего границы применимости классической физи­ки. Этот принцип, принесший ему большую известность и до сих пор вызывающий дискуссии, представляет фундаментальное положение квантовой теории, отражая ограничение информации о микробъектах самими средствами наблюдения. Гейзенберг подсчитал Предельную точность определения положения и скорости электрона из так называемых перестановочных соотношений квантовой меха­ники. В то время в моде были мысленные эксперименты. Допустим, в какой-то момент нам нужно угнать положение и скорость электрона. Самый точный метод — осветить электрон пучком фотонов. Электрон столкнется с фотоном, и его положение будет определено с точ­ностью до длины волны используемого фотона. Для максимальной точности нужно использовать фотоны наимень­шей длины, т. е. большей частоты, или обладающие большими энер­гией Е и импульсом hv/c. Но чем больше импульс фотона, тем силь­нее он исказит импульс электрона. Чтобы знать точно положение электрона, нужно использовать фотоны бесконечной частоты, но тогда и импульс его будет бесконечным, так что количество движе­ния электрона будет совершенно неопределенным. И, наоборот, же­лая определить точно импульс электрона, из аналогичных рассужде­ний придем к неопределенности и положении. Выразив неопределен­ность положения как q, а неопределенность импульса как р, полу­чим q рh. Если взять сопряженные им величины — энергию Е и время t, то квантово-механическое соотношение неопределенности для них будет t Еh.

Высказывание Ричарда Феймана лишь доказывает что, сложно представить частицу, которая бы обладала свойствами и волны, и частицы.

1. как происходит образование элементов во Вселенной по модели Большого взрыва. Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе.

Светимость нашей Галактики оценивают числом 10⁵⁴ эрг/с. Если возраст Галактики 10¹⁰ лет, то при постоянной светимости она выделила за -это время 2*10⁶¹ эрг. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия 2,5* 10^-5 эрг. Следовательно, за время существования Галактики в ней образовалось 10⁶⁶ альфа-частиц. При массе частицы 6,67*10^-24 г это составляет 7*10⁴² г, а масса Галактики — 4*10⁴⁴ г. Поэтому к нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н могло бы быть 7/400, или 1/57, по массе или 1/230 по числу атомов. Это меньше наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализа состава звездных атмосфер, космических лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких простых оценок понятно, как получать согласие модели с данными соотношениями.

Плотность материи во Вселенной  практически совпадает с плот­ностью реликтового излучения. Она может быть выражена через энергию  = Е/с², а, значит, и температуру Е = Т⁴. С другой сторо­ны,  = M/(4/3)R^, R = (9GMt²/2)^1/3 и  (5*10⁵/t²) г/см³. Здесь время t в секундах. Отсюда ясна связь температуры Т и времени, прошедше­го от начала расширения: Т 10¹⁰/t

Сначала (при t<0,01 с) температура очень высока, и вещество со­стоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря при­сутствию электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино проис­ходит непрерывное превращение n + е⁺ р + ^- и обратно, р + е^- n+ . При охлаждении за первые 10 с число протонов увеличится за счет нейтронов, и начнется образование дейтерия, трития, изотопа гелия He-3 и Не-4. Через 100 с от начала расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода получается 0,9, гелия — 0,09, остальное приходится на более тяжелые элементы. По весу водород составляет около 0,7, гелий — 0,3. Это и есть химический состав Все­ленной к началу формирования звезд и галактик.

Для наглядности эту начальную стадию делят на четыре "эры". Для каждой из них можно выделить преобладающую форму суще­ствования материи, в соответствии с чем и даны названия.

В самом начале эры адронов, продолжавшейся 0,0001 с, была вели­ка энергия гамма-квантов. При высоких температурах могли суще­ствовать частицы только больших масс, для которых существенно и гравитационное взаимодействие. Элементарные частицы разделяют на адроны и лептоны, причем первые могут участвовать в сильных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и медленных, поэтому первые эры получили такие названия.

Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов. Плотность d > 10¹⁴, Т > 10¹² К, t< 0,0001 с. Основную роль играет излучение, количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но оста­ется некоторое количество протонов. Из равновесия с излучением

вышли последовательно гипероны, нуклоны, К- и -мезоны и их античастицы. Продолжительность эры лептонов 0,0001 10 К < Т 10¹² К 10⁴ < d < 10¹⁴ Основную роль, играют легкие части­цы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтро­нами. Постепенно из равновесия с излучением вышли мю-мезоны и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны распались на электроны, электронное антинейтрино и мю-онное нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция элек­тронов и позитронов. Спустя 0,2 с Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино, и они перестают взаимодействовать с ве­ществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени, но температура их должна была снизиться до 2 К, поэтому пока их не могут обнаружить.

Далее приходит фотонная эра продолжительностью 1 млн лет. Ос­новная доля массы—энергии Вселенной приходится на фотоны, ко­торые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин эры про­исходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры происходили взаимные превращения прото­нов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказы­вались энергетически более выгодными и, значит, более вероятны­ми. Это определило скорости реакций, и к началу эры число нейтро­нов остановилось на 15%.

В начале эры излучения 3000 К < T< 10¹⁰ К; 10^-21 < d < 10⁴г/см³ ней­троны захватываются протонами, и происходит образование ядер ге­лия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество нейт­ронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла со­ставить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3 000 К, плотность уменьшилась на 5-6 порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от веще­ства, Вселенная стала прозрачной для вещества, и пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начина­ет трать вещество.

В звездную эру, наступившую при t порядка 1 млн. лет, Т прибли­зительно равно 3 000 К, а плотность d порядка 10^-21г/см³ Начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Основными источниками сведений о распространенности химических элементов служат данные о составе Солнца полученные с помощью спектрального анализа, и результаты лабораторных химических анализов материала земной коры. метеоритов пород поверхности Луны и планет.. Принято выражать количество атомов какого-либо химического элемента по отношению к кремнию в разных природных системах. поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим элeментам.

С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает неравномерно, причем элементы с четным порядковым номе' ром более распространены, чем с нечетным, особенно элементы с массовым числом, кратным 4, например. Не, С, О, Ne, Мд, Si, S, Ar, Са. ряд максимумов соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно 2. 8. 20, 50, 82, 126 . Этим "магическим" числам соответствуют заполненные ядерные оболочки, характеризующие устойчивые ядра. По этому поводу американс­кие космохимики Гарольд Юри и Г.Зюсс сказали так: "Представляется, что распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на юлу космическою ядерною пожара, в котором оно было создано".

Большинство газов (или летучей части солнечного вещества) — Н, Не, СО, О, N, СО2 и все инертные газы. Основную часть внутрен­них планет и метеоритов составляют нелетучие элементы солнечного вещества — Si, Ре, Vg, Са, Al, Mi, Na. Проводя детальные сравнения, Виноградов показал, что эти породообразующие элементы планет и метеоритов непосредственно выброшены Солнцем, и не за­хвачены из других областей Галактики. Некоторые различия в составе планет связаны с вторичными процессами и тем, что элементы входят в разные соединения, пребывая в разных агрегатных состоя­ниях. Особенно близок состав нелетучей части элементов Солнца и наиболее распространенных каменных метеоритов — хондритов.

Летучая часть солнечного вещества, существующая в виде газов при Т>0, при низких температурах переходит в твердое состояние, а атомы газов вступают в соединения. Инертные газы в соединения не вступают, оставаясь и при низких температурах в газообразном со­стоянии. Земля и метеориты сохранили летучие элементы в той сте­пени, и какой они проявляли свою активность, поэтому инертные газы как на Земле, так и в метеоритах встречаются редко. Что каса­ется изотопного состава С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Со, Ва, К, Си, то он оди­наков на Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований не проведено, но для С12:С13 он такой же, как и на Земле. Исследования по инертным газам показали идентичность изо­топного состава в солнечной системе, но на других звездах это отно­шение иное.

Таким образом, все тела солнечной системы построены из неболь­шого числа элементов (около 28 номера таблицы Менделеева распро­страненность существенно падает) и имеют единое происхождение. Метеориты, большинство которых оказались очень древними, дали ценную научную информацию об истории возникновения отдельных тел солнечной системы. По оценкам, основанным на радиоактив­ном распаде урана, тория, рубидия и калия, их возраст около 4,5—4,6 млрд лет, т. е. совпадает с возрастом Земли и Луны. В них насчитываются примерно 66 минералов, большинство из них похожи на земные. Вероятно, метеориты образовались тогда же, что и плане­ты земной группы. Согласно принятой в геологии классификации, все элементы разделены на четыре группы. Атмофильные элементы склонны накапливаться в атмосферах; литофильные образуют твер­дые оболочки планет; халькофильные создают соединения с серой, подобные меди; сидерофильные способны растворяться в сплавах же­леза.

1. Круговороты каких веществ определяют основные факторы формирования климата и каким образом.

Планеты земной группы, как предполагают ученые, когда-то были похожи друг на друга.

Характеристики

Список файлов реферата