belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 130
Текст из файла (страница 130)
Величина „Би/М, определяющая точность такой модели, достаточно мала, и поэтому модель правильно передаст картину движения ионов и электронов. Весь окружающий нас мир состоит из трох элементарных частиц: электронон, протонов и нейтронов. Все многообразие мира связано с многообразием конструкций, из пих возникающих.
Типов квазичастиц неизмеримо больше, так как неизмеримо разнообразны движения атомных частиц в твердых телах. Многообразие типов квазичастиц часто заслоняет тот факт, что 480 Гл. вь злключение квазичастицы, как и обычные частицы, могут быть элементами конструкции строительным материалом для более сложных образований. Электроны проводимости могут колебаться. По электронной жидкости пробегают волны., в данном случае это тоже квазичастицы плазмоны. Хотя все электроны обладают одинаковым зарядом и потому отталкиваются друг от друга, в ряде металлов им удается создать нечто вроде молекулы электронную пару. Осознание этого обстоятельства позволило обьяснить сверхпроводимость.
Характерная черта сверхпроводящего тока -.- строгая согласованность в движении электронных пар, обусловленная их взаимодействием через фононы. Это движение не затухает, что является удивительным следствием квантовых законов. Есть явления, за которое «ответственны» все квазичастицы. Например, тепло переносят и фонопы, и электроны, и магпоны, а вот электрический заряд только электроны и дырки; за температурную зависимость магнитного момента ответственны магноны — кванты колебаний атомных спинов и т.
д. В подавляющем числе случаев свойства твердого тела, жидкости, плазмы систем сильно взаимодействующих частиц могут быть описаны как свойства газов частиц или квазичастиц. 12.6. Эволюция Вселенной и происхождение элементов Распространенность элементов в природе тесно связана с космологией наукой об эволюции Вселенной, ибо по современным воззрениям, правильность которых подтверждается большим числом данных, химические элементы образовались на ранней стадии развития Вселенной в период нуклеосинтеза. Современные космологические теории базируются на трех фундаментальных фактах: 1. Изотропности распределения материи в больших масштабах.
2. Систематическом смещении спектральных линий в красную область спектра. 3. Реликтовом излучении. Первый факт вытекает из систематики звезд. Создается впечатление, что «первичная материя» делилась на части, все более мелкие. Число галактик оценивается в настоящее время значением порядка 3-.4 миллиардов, что приводит к массе наблюдаемой части Вселенной порядка 10'~-10ззг при средней плотности 10 80 г/см . Второй факт был выражен в 1929 г. в законе Хаббла: красное смещение излучения, испускаемого галактиками, пропорционально удаленности этих галактик. Если объяснить такое смещение эффектом Доплера, то это приводит к картине расширяющейся Вселенной, в которой галактики «разлетаются». Наблюдение Хаббла подтвердили основное предсказание теоретических работ А.А.
Фридмана (1922 г.). Им было установлено, что однородная Вселенная не может быть статической, она всегда находится либо в состоянии расширения, либо сжатия. Результаты Хаббла на первый взгляд кажутся странными, ибо имеется выделенная точка наша Земля, относительно которой все галактики разбегаются. Покажем, что эта выделенность Земли,. как и направления движения относительно нее, кажущиеся.
Пусть относительно неподвижной точки 0 произвольная точка В движется по радиусу со скоростью и (см. 12.6. ЭВОЛ1ОЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ рис. 12.1). Перейдем в систему координат, в которой В покоится. Для любой другой точки С ее радиус-вектор и скорость относительно точки Н (будем обозначать их штрихами) равны / / г,=г — г; п,=п,— и С учетом закона Хаббла и = Нг, где Н постоянная Хаббла, получим п'=п — п =Н(гс — г ) =НГ. Таким образом, в какой бы точке Вселенной мы ни находились, закон Хаббла будет одним и тем же закон движения с точки зрения наблюдателя, находящегося в точке Н и движущегося вместе с ней, ничем не отличается от закона движения для наблюдателя в центре, в точке О, т.
е. точка В полностью эквивалентна любой другой точке. Если предположитгь что физические законы, которые нам известны в настоящее время, были справедливы на всех этапах эволюции Вселенной, то теория расширяющейся Вселенной приводит при мысленном движении в направлении, обратном течению времени, к «началу», отстоящему от нас по времени примерно на 10~~ лет, локализованному в особой «точке» пространства и носившему характер взрыва. В самом деле, если исходить из современной плотности вещества и излучения и двигаться мысленно против течения времени примерно 10~в лет, то мы приходим к столь внушительной концентрации энергии, что это наводит на мысль о внезапном «Вольшом взрыве».
Обращая свой взор на ранние стадии развития Вселенной, ученые поступают фактически как историки, воссоздавая шаг за шагом то, что реализовала приро- 0 да. Вещество не было создано раз и навсегда непосредствешю в момент Ъольшого взрыва. Первыми возни- Рис. 12.1 кли элементарные частицы: нейтроны, электроны и протоны; затем, через несколько минут поело Вольшого взрыва, нейтроны распались, частично породив ядра водорода и гелия. Атомарные водород и гелий образовались только через миллион лет, когда температура упала до 3000 К.
Флуктуации плотности в расширяющемся огненном шаре из водорода и гелия постепенно приводили к развитию неустойчивости, в результате чего вещество разбивалось на куски, сжималось под действием гравитационных сил и так начиналось формирование звезд и галактик. По мере гравитационного сжатия вещество становилось все более плотным и разогревалось. В звезде начинают идти реакции термоядерного синтеза, которые ученые сейчас пытаются воспроизвести в земных условиях. Все это время в звезде сохраняется механическое равновесие между гравитационными силами, старающимися сжать вещехство, и давлением излучения, которое противостоит этому сжатию.
По мере выгорания водорода выделяющейся ядерной энергии оказывается недостаточно, чтобы компенсировать потери на излучение фотонов и нейтрино. Механическое равновесие нарушается, и звезда испытывает новое гравитационное сжатие, плотность вещества увеличивается и 482 ГЛ. 12. ЗЛКЛК)ЧЕНИЕ становятся возможными реакции слияния ядер гелия с образованием бериллия, углерода, кислорода и т.д. Реакции синтеза легких элементов энергетически выгодны, и этот процесс доходит до образования элементов группы железа, где возникает новая ситуация. У элементов группы железа энергия связи на нуклон максимальна.
Это означает, что элементы группы железа не могут служить ядерным топливом, и горение должно прекратиться, как только образуется железо. Именно этим обусловлен тот факт, что среди элементов с массовым числом больше 30 железо наиболее распространено в природе. Итак, нуклеосинтез элементов от гелия до железа обязан процессам слияния в молодых звездах. Более тяжелые элементы родились много позже, когда возраст Вселенной стал равен примерно миллиарду лет, и их образование связано с поглощением нейтронов ядрами образовавшихся в результате нуклеосинтеза элементов и последующим Д-распадом, который приводит к увеличению заряда ядра. Самые тяжелые элементы тоже неустойчивы: их распад энергетически выгоден.
Эволюция некоторых звезд после окончания периода нуклеосинтеза происходит следующим образом. Звезды с массой, более чем в два раза превышающей массу Солнца, в процессе сжатия, наступающего после выгорания «ядерного горючего» внутри звезды, могут потерять устойчивость внутреннее давление не в состоянии противоборствовать гравитационному сжатию. Когда силы тяготения значительно превысят силы внутреннего давления, сжатие ускорится.
Это приведет к резкому повышению температуры и взрыву центральной области звезды, содержащей много нейтронов. Разбрасывание сильно на| ретого вещества центральной области значительно увеличит температуру внешних областей звезды. Последние отстают в эволюционном развитии звезды и содержат неизрасходованное ядерное горючее, так как до момента взрыва температура их сравнительно мала. При быстром нагревании внешних областей (из-за взрыва внутренних) увеличивается скорость ядерных реакций. Энергия, выделяемая при этих реакциях, еще более усиливает эффект взрыва центральных областей. Одновременно с мощным выделением энергии в звезде перестраиватотся ядра путем захвата болыпого числа быстрых нейтронов, вылетающих из центральных областей.
При захвате нейтронов образуются тяжелые элементы вплоть до тория и урана. Предположение об образовании элементов в звездах ставит сразу же вопрос о механизме выброса вещества недр звезды в космическое пространство. В настоящее время известен только один способ, за счет которого вещество недр звезды может попасть в космическое пространство — - взрыв сверхновых звезд. Расширение оболочки звезды при ее нагревании, обусловленном взрывом центральной части звезды, происходит столь быстро, что гравитационное притяжение не может задержать этот процесс, и она рассеивается в пространстве. Яркие кратковременные вспышки звезд, связанные, по-видимому, с указанным выше процессом, многократно наблюдались астрономами.
Несмотря на малую вероятность этого события (1 раз в 50 100 лет в целой галактике), столь редко вспыхивающие сверхновые звезды могут обеспечить наблюдаемую распространенность тяжелых элементов. Подтверждают эту гипотезу и анализы содержания различных химических элементов в падающих па Землю метеоритах -- в них обнаружены изотопы, которые могли родиться только в недрах звезд. 12.7. ВЕЩЕСТВО В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ 12.7. Вещество в экстремальных состояниях Свойства вещества в состояниях с необычно высокой концентрацией шп.ргии (такие состояния и соответствующие им внешние условия мы и будем называть экстремальными) всегда представляли значительный интерес в ряде разделов физики и смежных наук астрофизики, геофизики, некоторых прикладных дисциплин. К числу экстремальных внешних условий относятся прежде всего высокие давления и магнитные поля, высокие и очень низкие температуры.
Возникновение экстремальных состояний в естественных условиях связано главным образом с действием сил тяготения. Эти силы, имеющие неэкранированный дальподействующий характер, сжимают вещество и, как следствие, разогревают его (непосредственно или в результате повышения вероятности ядерных процессов, идущих с выделением энергии). Поэтому характерные примеры экстремальных состояний следует искать в недрах Земли, в небесных телах во Вселенной, на ранних стадиях эволюции самой Вселенной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
