Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль ). Конспект лекций для студентов 1 курса всех форм обучения Специальность 19. 02. 10 Технология продукции общественного питания

• Название: Конспект лекций для студентов 1 курса всех форм обучения Специальность 19. 02. 10 Технология продукции общественного питания
• Анкор: Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль
• Дата: 02.10.2019
• Размер: 4.41 Mb.
• Имя файла: Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль ).doc
• Тип: Конспект; #88257
• страница: 49 из 49

27.2. Энергия Солнца и звезд

Физическая природа звезд изучена еще недостаточно полно, чтобы можно было с уверенностью говорить о том, как возникают звезды, как возникло Солнце и какова судьба звезд. По современным представлениям звезды зарождаются группами или скоплениями в основном из водородно-гелиевых туманностей, т.е. в некоторых местах пространства межзвездная пыль и газ сгущаются в тела больших размеров, что в результате последующего сжатия таких тел приводит к их разогреванию и свечению, т.е. к превращению в звезды.

Когда температура внутри тела поднимается достаточно высоко, там происходят процессы превращения водорода в более тяжелые химические элементы, что сопровождается выделением значительного количества энергии. В таком состоянии звезды могут находиться, по меньшей мере, миллиарды лет (например, Солнце).

Реакции синтеза протекают в недрах звезд, в том числе и Солнца. Солнце и солнцеподобные звезды состоят в основном из водорода – до 80 % и гелия – до 20 %. Температура в их недрах достигает 10⁷–10⁸ К. При такой температуре все атомы полностью ионизированы и представляют собой плазму. Таким образом, Солнце и звезды можно сравнить с гигантскими самоподдерживающимися термоядерными реакторами. Наиболее вероятной термоядерной реакцией, происходящей в недрах Солнца при Т = (1 – 2)10⁷ К, является следующая:

,

,

.

Эту цепочку термоядерных реакций, в результате которой четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия , называют протон-протонным циклом. Средняя продолжительность последней реакции, завершающей цикл, около 1 млн лет, а энергетический эффект – около 13 МэВ. В целом энергетический эффект протон-протонного цикла составляет 27 МэВ.

Для звезд, более ярких, чем Солнце, характерен углеродный цикл.

Итогом углеродного цикла, как и протон-протонного, является превращение четырех ядер водорода в одно ядро гелия. Количество ядер углерода, участвующих в реакции, остается неизменным; они выполняют роль катализатора. В этом цикле в промежуточных реакциях из углерода образуется азот. Азот является побочным продуктом реакции превращения водорода в гелий.

После выгорания водорода в центре звезды при температуре (1 – 2)10⁸ К начинается горение гелия:

,

и т. д.

С выделением продуктов горения – углерода и кислорода, в результате у звезды образуется углеродно-кислородное ядро.

При температуре Т = 510⁸ – 10⁹ К загораются углерод и кислород, образующиеся при горении протоны и нейтроны участвуют в различных реакциях с ядрами, порождая элементы с порядковым номером в пределах .

Основной продукт горения углерода и кислорода – кремний.

При температуре Т > 210⁹ К в тепловом излучении появляется много квантов с энергией, достаточной для отщепления альфа-частиц от кремния, серы, магния и др. Альфа-частицы могут присоединяться к более тяжелым ядрам, образуя элементы вплоть до железа, никеля, цинка.

Происхождение элементов с Z > 30 связывают с процессами захвата нейтронов. К ним относятся элементы вплоть до висмута.

Образование элементов тяжелее гелия происходит уже в современную эпоху.

Синтез элементов тяжелее железа проявляется во взрывных процессах (во вспышках сверхновых звезд). При этом газ выбрасывается в окружающее пространство и участвует в формировании звезд последующих поколений и других небесных тел.

Если на ранней стадии эволюции вещество галактики состояло исключительно из водорода и гелия, то в дальнейшем межзвездная среда обогатилась тяжелыми элементами и они уже в готовом виде входят в состав вновь рождающихся звезд. Таким образом, во Вселенной происходит процесс необратимости развития материального мира.

27.3. Эволюция звезд

Излучение звезды осуществляется за счет термоядерных реакций, протекающих в центре звезды. Расчеты моделей звезд показывают, что главной термоядерной реакцией является превращение четырех ядер водорода в ядра гелия (протон-протонный цикл), при этом происходит выгорание водорода, светимость и радиус звезды увеличиваются, а температура уменьшается. Температура в центре у звезд больших масс выше, поэтому такие звезды эволюционируют быстрее и превращаются в красных гигантов.

После выгорания водорода происходит сжатие ядра, состоящего уже из гелия, при этом температура повышается до 100 млн К и более и начинает протекать новая термоядерная реакция – образование атомов углерода из трех атомов гелия. Эта реакция сопровождается потерей массы и выделением энергии.

Окончательная судьба звезды зависит от ее массы. Если масса звезды меньше, чем 1,2 массы Солнца, то она завершает свою эволюцию как белый карлик.

Если масса звезды заключена между 1,2 и 3 массами Солнца, то она превращается в нейтронную звезду. На конечной стадии ее развития происходит мощный сброс оболочки, т. е. вспышка сверхновой звезды. Если масса звезды превышает три солнечные массы, то в результате процесса гравитационного сжатия радиус звезды становится столь малым, что гравитационное поле звезды начинает втягивать в себя всю окружающую материю. Эти звезды все поглощают, но ничего не испускают, даже излучение. Такие звезды называют черными дырами. Расчеты показывают, что если бы Земля превратилась в черную дыру, то ее радиус был бы 0,9 см. Так как черные дыры не излучают и их размеры очень малы, то обнаружить их можно лишь косвенным путем, а именно – по регистрации коротковолнового, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, сопровождающего втягивание межзвездной материи в черную дыру.

Скорость эволюции пропорциональна скорости выделения энергии и обратно пропорциональна массе звезды.

Звезды-гиганты развиваются за несколько миллионов лет, звезды типа Солнца – за 8–11 млрд лет, белые карлики – за 10¹⁰–10¹¹ лет.

27.4. Происхождение Солнечной системы

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, объединенных в единую систему благодаря гравитационному взаимодействию, с центральным телом – Солнцем. Кроме Солнца в состав Солнечной системы входят восемь планет и их спутники, карликовые планеты и малые тела – астероиды, кометы, метеориты и др.

Планеты (от греч. planetos – блуждающие) – небесные тела, обращающиеся вокруг звезды (Солнца). Они, в отличие от звезд, не излучают света, а светят отраженным солнечным светом. Форма планет близка к шарообразной. Планеты Солнечной системы подразделяют на две группы: земная группа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Плутон, который раньше считался планетой, на XXVI Ассамблее Международного астрономического союза был квалифицирован как карликовая планета.

Сравнивая между собой эти две группы планет, можно сказать, что планеты земной группы характеризуются меньшей массой, меньшими размерами, большой плотностью и сравнительно малой скоростью обращения вокруг Солнца.

Ни одна из планет земной группы не имеет развитой системы спутников в отличие от планет-гигантов. Спутником Земли является Луна; Фобос и Деймос – спутники Марса. Земля – единственная планета земной группы, обладающая сильным собственным магнитным полем. Три планеты земной группы (Венера, Земля, Марс) обладают атмосферой. У Марса она сохранилась в очень разреженном состоянии, а у Меркурия полностью отсутствует. Только Земля обладает мощной гидросферой, которая сформировалась одновременно с планетой.

Следует заметить, что Венера имеет обратное вращение, т. е. противоположное направлению вращения Солнца вокруг своей оси.

Из особенностей планет-гигантов следует отметить их относительно большие размеры, малую плотность, хорошо развитую систему спутников. Так, у Юпитера имеется 14 спутников, у Сатурна – 10. Плоские светящиеся кольца вокруг Сатурна состоят из множества мелких частиц. Особенностью Урана является характер его вращения: он движется как бы «лежа на боку», плоскость его экватора перпендикулярна плоскости орбиты.

Наиболее проработанный в настоящее время сценарий рождения Солнечной системы, которого придерживается большинство астрономов и астрофизиков, следующий: существовало протопланетное облако межзвездного вещества массой 10⁵ солнечных масс, плотность которого порядка 10⁶ молекул в 1 см³, температура 20 – 100 К. Во время взрыва сверхновой звезды под действием ударной волны межзвездное вещество начало сжиматься, температура стала увеличиваться и за несколько миллионов лет достигла (1,0 – 1,5)10⁷ К. За счет сжатия протопланетное вещество превратилось в линзовидный диск с новой звездой (Солнце), в которой шли термоядерные реакции (примерно 4,7 млрд лет назад). В результате медленного вращения линза превратилась в тонкий диск, который распался на гигантские кольца, окружающие Солнце. Существует много моделей, рассматривающих превращение колец диска из межзвездного вещества в планеты. В настоящее время предпочтительнее следующая: эти кольца уплотнялись, частицы вещества колец слипались, образуя зародыши планет – планетеземали. Вследствие притяжения колец друг к другу зародыши планет росли. Наибольшего размера достигли девять зародышей, которые впоследствии превратились в планеты. Ближе к Солнцу температура пылинок была выше, и здесь образовались сравнительно небольшие планеты земной группы, состоящие из тугоплавких каменистых веществ, металлов и их оксидов и содержащие очень мало легких газов и воды.

Дальше от Солнца, где было намного холоднее, на пылинках намерзал лед, а также углекислый газ, метан, аммиак. Там образовались планеты-гиганты, в составе которых значительно больше воды, аммиака и метана, чем металлов и каменистых веществ.

Гипотеза образования планет путем объединения твердых тел и частиц выдвинута выдающимся советским ученым академиком О. Ю. Шмидтом. Она заменила представления о конденсации планет из газовых сгустков и объяснила разделение планет по физической природе на две группы. Впоследствии эта гипотеза была подтверждена физико-химическими исследованиями состава и структуры метеоритов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие реакции называют термоядерными?

2. Расскажите о балансе энергии при синтезе дейтерия и трития.

3. В чем заключается проблема термоядерной энергетики?

4. Какие термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и звезд?

5. Как происходит развитие звезд?

6. Назовите планеты, входящие в состав Солнечной системы.

7. Изложите гипотезу образования планет Солнечной системы.

Список использованных источников

1. 
   Бутиков Е. И., Кондратьев А. С. Физика для углубленного изучения, т. 1. Механика. М., 2004.
   
2. 
   Детлаф А. А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Курс физики, т. 2. Электричество и магнетизм. М., 1977.
   
3. 
   Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. М., 2013.
   
4. 
   Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики, т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. М., 1985.
   
5. 
   Путилов К. А. Курс физики, т. 2. Учение об электричестве. M., 1963.
   
6. 
   Савельев И. В. Курс общей физики, т. 2. Электричество. М., 1970.
   
7. 
   Сивухин Д. В. Общий курс физики, т. 3. Электричество. М., 1977.
   
8. 
   Фриш С. Э., Тиморева А. В. Курс общей физики, т. 2. Электрические и электромагнитные явления. Л., 1962.
   
9. 
   Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики, т. 1. Движение и силы. Законы сохранения. Молекулярно-кинетическая теория газа. Молекулярные силы и агрегатные состояния вещества. Электродинамика. М., 1974.