конспекты по физикке. 15. 1 Упругие волны

• Название: 15. 1 Упругие волны
• Анкор: конспекты по физикке
• Дата: 22.01.2023
• Размер: 0.98 Mb.
• Имя файла: FIZIKA.docx
• Тип: Документы; #898940
• страница: 5 из 5

20.5 Строение ядра

 Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд Z и масса М. Заряд ядра определяется количеством сосредоточенных в нем положительных элементарных зарядов. Носителем положительного элементарного заряда е= 1,6021 • 10”¹⁹ Кл в ядре является протон, или а-частица. Атом в целом нейтрален, и заряд ядра определяет одновременно и число электронов в атоме. Распределение электронов по энергетическим оболочкам существенно зависит от их общего числа в атоме. Поэтому от заряда ядра в значительной мере зависят распределение электронов по их состояниям в атоме и положение элемента в Периодической системе Менделеева. Химические элементы различаются зарядами ядер их атомов (атомными номерами).

Масса атома практически совпадает с массой его ядра ввиду того, что масса электронов в атоме мала. Напомним, что масса электрона составляет '/₁₈₃₆ массы протона. Массы атомов принято выражать в атомных единицах массы (а.е.м.). За атомную единицу массы принята ¹/_п массы атома изотопа углерода :



Новая частица была названа нейтроном, и вскоре после ее открытия в 1934 г. Д. Д. Иваненко высказал гипотезу о том, что атомные ядра состоят только из протонов и нейтронов. 

Протоны и нейтроны называют нуклонами, т. е. ядерными частицами (от лат. nucleus — ядро). По современным данным, массы протона и нейтрона равны соответственно



21.1 Термоядерные реакции

Большой энергетический эффект можно получить при синтезе легких элементов, например гелия, из еще более легких элементов — водорода или его изотопов дейтерия и трития JH. Атомные массы дейтерия и гелия равны 2,01410 и 4,00260. Легко убедиться, что при реакции синтеза + ²Н -> jHe выделится 23,85 МэВ энергии, т. е. 5,96 Мэв на один нуклон, — почти в 6 раз больше, чем при реакции деления ядер урана. Отметим также, что дейтерий — значительно более распространенный элемент, чем или ²94 U. В обычной воде содержание дейтерия составляет 0,015 %. Если учесть колоссальные запасы воды на Земле в виде вод океанов и морей, а также ледников, то очевидно, что здесь мы имеем совершенно неисчерпаемые запасы энергии.

Однако на пути практической реализации реакции синтеза встретились очень существенные трудности. Дело в том, что для слияния двух ядер дейтерия их надо сблизить так, чтобы расстояние между их центрами было порядка г» 3 • Ю”¹⁵ м. Лишь в этом случае ядерные силы притяжения окажутся больше кулоновских сил отталкивания и произойдет синтез ядра гелия. Для этого нужно совершить работу, равную электростатической по-

е²

тенциальной энергии П=- ядер находящихся

4тГ?₀А'

на этом расстоянии друг от друга. Подставив числа, найдем, что энергия составляет примерно 0,2 МэВ. Ядра дейтерия смогут преодолеть этот барьер, если при столкновении они будут обладать соответствующей кинетической энергией. Расчет показывает, что средняя кинетическая энергия теплового движения дейтронов равна 0,2 МэВ при Г* 2 • 10⁹ К, т. е. при температуре порядка миллиардов кельвин.

реакции синтеза ядер требуют нагревания вещества до очень высоких температур. Поэтому эти реакции называют термоядерными.

21.3 Мир звезд

Мир звезд очень разнообразен. По своим физизическим характеристикам (массы, размеры, светимости, температуры и т. д.) звезды существенно отличаются друг от друга.

Полученные различными способами данные показывают, что размеры некоторых звезд (сверхгиганты) сравнимы с размерами Солнечной системы, в то время как другие (белые карлики) не больше Земли, а радиус нейтронных звезд всего 10—15 км. Размеры Бетельгейзе в 300 раз больше, а размеры спутника Сириуса примерно во столько же раз меньше размеров Солнца.

Однако единственным источником энергии, который может на протяжении миллиардов лет обеспечивать необходимую светимость звезд, — это термоядерные реакции, при которых протоны (ядра водорода) соединяются в ядра гелия. Для звезд с солнечной массой ядерные реакции могут обеспечивать их светимость в течение примерно 1 • 10¹⁰ лет, что не мало по космическим масштабам, особенно если учесть, что наша планета существует уже не менее 4,5 млрд, лет, а Солнце — около 5 млрд. лет.

2. Термоядерные реакции, результатом которых является превращение водорода в гелий, в конце концов приводят к изменению химического состава вещества звезды и нарушению химической однородности в его распределении. По мере «выгорания» водорода меняются структура звезды, ее внутреннее строение, светимость, размеры и температура.

В центральной зоне звезды, где запасы водорода исчерпались, образуется гелиевое ядро, а реакции водородного цикла происходят лишь в тонком поверхностном слое вокруг ядра.

термоядерные реакции, происходящие в недрах звезд, обеспечивают образование большинства химических элементов, которые составляют основу Земли и других планет этого типа, а также входят в состав живых организмов. Но наиболее благоприятные условия для образования ядер тяжелых элементов возникают на заключительных этапах эволюции массивных звезд при вспышках сверхновых.

21.4 Белые карлики, пульсары, черные дыры

Звезды, масса которых в несколько раз превышает солнечную, в конце эволюции должны превращаться в еще более удивительные объекты — нейтронные звезды и черные дыры. Такому превращению обычно предшествуют катастрофические взрывы.

Теоретически существование нейтронных звезд было предсказано Л. Д. Ландау в 30-х годах XX в., вскоре после открытия нейтрона. В настоящее время, согласно этой теории, звезда может превратиться в нейтронную, если ее масса заключена в пределах от 1,4 до 2,7 массы Солнца. В этом случае после исчерпания запасов «ядерного горючего» силы тяготения продолжают сжимать звезду. В результате должен происходить гравитационный коллапс звезды, т. е. неограниченное сжатие ее вещества к центру.

В результате сжатия радиус звезды уменьшается до 10—15 км, а плотность возрастает до 1 • 10¹⁷ кг/м³. Это сверхплотное вещество по своим физическим свойствам должно напоминать вещество атомного ядра. Получающуюся при этом звезду называют нейтронной. Дальнейшее сжатие приводит к мощному взрыву — вспышке сверхновой звезды и выбросу значительной части ее вещества в межзвездное пространство. Вещество, выброшенное при взрыве, наблюдается как газовая туманность.

Наиболее известной из числа таких объектов является Крабовидная туманность в созвездии Тельца, оставшаяся на месте Сверхновой звезды, которая вспыхнула в 1054 г. и была видна невооруженным глазом на дневном небе.

Если масса звезды превышает три массы Солнца, то ее гравитационный коллапс уже ничто не может остановить. Она сжимается до обьема, радиус которого меньше так называемого гравитационною радиуса. Гравитационный радиус — очень малая величина. Так, для Солнца он составляет всего 3 км. Эта величина определяет радиус той области пространства, в которой поле тяготения благодаря большой массе настолько сильно, что вторая космическая скорость для тел, находящихся в этой области, должна была бы превышать скорость света. Так как со скоростью, превышающей скорость света, ни тела, ни частицы двигаться не могут, то ни вещество, ни фотоны, находящиеся в этой области пространства, не могут покинуть ее пределы. Эту область Вселенной называют «черной дырой». Правда, пока еще не обнаружены «черные дыры», которые, согласно этой теории, возникают на заключительной стадии эволюции наиболее массивных звезд.

21.5 Эволюция звезд и Вселенной

В результате термоядерных реакций происходит выброс потока нейтрино, который регистрируется и дает возможность исследовать процессы в недрах звезд. Эта область исследований получила название нейтринной астрономии.

Нейтрино практически свободно проходят сквозь всю толщу Солнца, и вероятность взаимодействия солнечных нейтрино с веществом на Земле ничтожно мала. В 1946 г. Б. М. Понтекорво высказал идею, что для обнаружения нейтрино можно воспользоваться его поглощением ядром изотопа ³⁷С1 в ходе реакции, обратной р-распаду,



при которой образуется радиоактивный изотоп аргона.

3. С 1955 г. Р. Дэвисом были начаты эксперименты по обнаружению нейтрино. В этих установках использовалась богатая изотопом ³⁷С1 жидкость перхлорэтилен С₂С1₄ (четыреххлористый углерод). Наполненные этой жидкостью резервуары объемом до 400 м³ располагались глубоко под землей (до 1,5 км) для того, чтобы исключить воздействие космических лучей, которое также может приводить к образованию ³⁷Аг. Неожиданную возможность регистрации нейтрино предоставила вспышка Сверхновой звезды в созвездии Золотой Рыбы, которая была зарегистрирована 24 февраля 1987 г. На установке в Японии за 13 с был замечен всплеск из 11 событий, связанных с взаимодействием нейтрино с веществом детектора, а на американской — всплеск из 8 событий за 6 с. Направление пролета нейтрино с точностью до 15—20° совпадало с направлением на Сверхновую.

21.6 Будущее вселенной

На основе многочисленных наблюдений Э. Хаббл пришел к выводу, что «разбегание галактик» подчиняется строгому закону (закон Хаббла):

скорость v удаления Галактики прямо пропорциональна расстоянию R до нее:



Коэффициент пропорциональности Н получил название постоянной Хаббла. По современным оценкам, этот коэффициент равен 75 км • с^-1 • Мпк'¹.

Закон Хаббла играет исключительно важную роль в исследовании крупномасштабной структуры Вселенной. Он позволяет определять расстояния до самых далеких от нас объектов, когда другие методы уже неприменимы. В данном случае достаточно

„ Х-Х₀ АХ

только как можно точнее измерить величину Z =-- = — ,

Х₀ А,₀

которую называют параметром красного смещения. *

2. В 1960 г. внимание ученых привлекли несколько источников радиоизлучения, которые удалось отождествить с очень елабыми звездообразными объектами. Впоследствии их назвали квазизвездными источникнми радиоизлучения или кратко квазарами. В спектрах испускания квазаров ЗС 48, ЗС147, ЗС 273 и других было отмечено от 6 до 10 широких линий спектра. Было установлено, что эти линии в спектре квазара ЗС 273 принадлежат водороду и магнию, но они очень сильно смещены в красную сторону. Параметр красного смешения в спектре ЗС 273 оказался равным 0,16, что соответствует лучевой скорости 45 000 км/с. Если применить формулу Хаббла (21.1), то расстояние до квазара ЗС 273 получается равным 630 Мпк. Еще большего значения параметр красного смещения достигает в спектре квазара ЗС 48, а именно 0,37. Значит, этот квазар удаляется со скоростью 90 000 км/с и расстояние до него составляет 1200 Мпк.

По сравнению с галактиками квазары очень малы, а по сравнению со звездами слишком велики.