|
|
умкд по астрономии. УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017). Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г
Фотосфера (4) - слой газов толщиной 350-700 км. В нижнем слое фотосферы, обладающем температуре 8000 К при давлении солнечного вещества до 106 Па наблюдается гранулы - ячейки верхнего яруса конвективной зоны размерами около 700 км и временем существования до 8 минут - восходящие потоки раскаленных газов. Гранулы разделяются темными промежутками шириной до 300 км. В "обращающем слое" - "видимой поверхности" Солнца при температуре 5770 К формируется все приходящее к Земле солнечное электромагнитное излучение в интервале длин волн от 10-13 до 5× 10-2 м с максимумом энергетической светимости в области l = 5,55× 10-7 м (желтая часть спектра). На фоне непрерывного спектра излучения глубин Солнца наблюдаются черные линии поглощения атомарных газов солнечной фотосферы, называемых фраунгоферовыми линиями. Уменьшение температуры в верхних слоях фотосферы до 4000 К порождает потемнение солнечного диска к краям светила. Светлые участки фотосферы (6), на которых поверхность Солнца разогрета до 7000-10000 К, называются факельными полями (флоккулами). Отдельные участки фотосферы с пониженной до 4000-4500 К температурой по контрасту с раскаленной окружающей поверхностью воспринимаются как черные солнечные пятна (7).
Фотосфера условно считается "видимой поверхностью" Солнца (хотя на самом деле это тонкий слой раскаленного ионизированного газа) потому, что в вышележащих слоях солнечной атмосферы плотность вещества уменьшается настолько, что мы видим фотосферу Солнца сквозь эти слои, которые можем наблюдать лишь в особых обстоятельствах или при помощи специальных приборов.
Хромосфера (5) толщиной около 104 км наблюдается во время полных солнечных затмений как красноватое кольцо вокруг Солнца. Температура вещества повышается от нижней хромосфере падает до 5000 К (при давлении газа около 0,1 Па), а затем в средней и верхней хромосфере возрастает до 10000 К (при давлении 6× 10-2 Па). Выше 1500 км хромосфера представляет собой совокупность сравнительно плотных и горячих (6000-15000 К) газовых струй и волокон. На высоту 4000-5000 км со скоростью 20 км/с поднимаются редкие изолированные столбы солнечного вещества – хромосферные спикулы диаметром 500-3000 км, занимающие до 0,5 % солнечной поверхности. На высоту от 104–105 км вздымаются протуберанцы (8) - сравнительно холодные плотные облака солнечного вещества разнообразной, часто причудливой формы. Время от времени наблюдаются хромосферные вспышки – термоядерные взрывы с выделением энергии до1025 Дж (9).
В узком переходном слое между хромосферой и короной ионизированные частицы солнечного вещества ускоряются в магнитном поле, и характеризующая их скорость кинетическая температура быстро возрастает до 106 К.
Корона (10) – внешняя, наиболее разреженная часть солнечной атмосферы, обладает очень сложной и постоянно изменяющейся структурой. Корона разделяется на внутреннюю (Т <1,5× 106 К) и внешнюю (Т <3× 106 К), образующую на расстоянии в несколько радиусов Солнца поток солнечного вещества - заряженных частиц (е-, р) и электромагнитного излучения - солнечный ветер, "дующий" со скоростью от 350-400 км/с на экваторе до 700 км/с на полюсах Солнца.
Далее можно в общих чертах ознакомить учеников с энергетикой Солнца (или рассмотреть этот материал позже на уроке "Эволюция звезд"). К сожалению, изложение материала темы "Солнце и звезды" опережает по времени изучение основ атомной и ядерной физики. Это облегчает изучение материала о термоядерных реакциях в курсе физики, но сильно затрудняет формирование понятий об энергетике звезд.
Ниже мы предлагаем 2 варианта изложения материала с опорой на сведения об основных физических характеристиках и химическом составе Солнца. Рассказывая о термоядерных реакциях превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия в недрах Солнца, нужно постоянно оговариваться, что родственные им термоядерные реакции происходят в недрах всех остальных звезд. Ученики должны осознать, что энергетике Солнца и звезд имеет одну природу.
1. Упрощенный вариант изложения материала, рассчитанный на учащихся "обычных" и гуманитарных классов:
Солнце и звезды светят потому, что в их недрах происходят термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия.
Вы уже знаете, что массы звезд в сотни тысяч раз, в миллионы раз превышают массу Земли. Такая огромная масса порождает очень сильное давление верхних слоев вещества звезды на вещество вблизи её центра. Температура и давление вглубь звезды очень быстро растут: так, если температура видимой поверхности Солнца составляет около 6 000 К, то к центру Солнца она возрастает до 15 000 000 К при давлении до 2× 1018 Па! В недрах более массивных звезд температура и давление еще выше.
Звезды почти целиком состоят из водорода и гелия: Солнце содержит 71% водорода, 26,5% гелия и лишь 2,5% других, более тяжелых химических элементов.
Под действием высоких температур и давлений в центрах звезд ядра атомов водорода - протоны - сближаются так тесно, что силы ядерного притяжения преодолевают силы электрического отталкивания. В результате этого взаимодействия протоны объединяются, образуя ядра атома гелия. Процесс идет в 3 этапа с огромным выделением энергии (рис. 23).
Рис. 23. Термоядерные реакции в недрах Солнца
Эти термоядерные реакции носят название протон-протонного цикла. В более массивных звездах помимо реакций протон-протонного цикла протекают более мощные термоядерные реакции азотно-углеродного цикла, в которых ядра атомов азота и углерода являются катализаторами термоядерных реакций превращения водорода в гелий.
Водород – "звездное топливо", "сгорающее" в недрах звезд для того, чтобы они могли жить и светить. С течением времени близ центра Солнца и других звезд становится все меньше водорода и все больше гелия.
Чем меньше масса звезды, тем ниже давление и температура в её недрах, тем слабее, с меньшим выделением энергии идут термоядерные реакции, тем дольше "сгорает", превращаясь в гелий, водород в ядре звезды и тем дольше она живет. У красных тусклых звезд-карликов долгий век - они живут десятки миллиардов лет.
Чем больше масса звезды, тем выше давление и температура в её недрах, тем сильнее, с мощным выделением энергии идут термоядерные реакции, тем скорее "сгорает", превращаясь в гелий, водород в ядре звезды и тем меньше она живет. У голубых звезд-сверхгигантов недолгий век - они живут всего лишь десятки миллионов лет.
Наше Солнце - желтая, средняя по своим характеристикам звезда класса G живет уже 5 миллиардов лет, и будет светить еще почти 8 миллиардов лет.
2. Сложный вариант изложения материала, рассчитанный на учащихся физико-математических классов, предусматривающий использование понятийного аппарата ядерной физики:
Энергетика Солнца и звезд основана на термоядерных реакциях - процессах превращения одних элементарных частиц в другие, сопровождающихся синтезом более тяжелых атомных ядер из более легких, протекающих при высоких (Т>107 К) температурах и давлениях, с выделением огромного количества энергии.
В недрах нормальных звезд происходят термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. Общее значение выделившейся энергии, уносимой возникшими в ходе взаимодействия атомных ядер элементарными частицами (g -квантами, нейтрино и т.д.), эквивалентно разности между суммой масс вступающих в реакцию ядер атомов водорода и массой образующегося ядра атома гелия.
Основными типами реакций, происходящих в недрах звезд, являются:
1. Протон-протонный цикл, протекающий при температурах T <= 1,8 * 107К (при описании хода термоядерных реакций сообщаются значения энергии, выделяющейся в ходе каждой отдельной реакции (1 МэВ = 1,6× 10-13 Дж) и, в скобках, продолжительность реакции - время, за которое число частиц уменьшается вдвое):
2. Азотно-углеродный цикл (CNO), в котором ядра атомов азота и углерода играют роль катализаторов реакции и протекающей при температурах свыше 1,8× 107 К с установлением равновесных концентраций изотопов 14N (95 %), 12С (4 %), и 13С (1 %) по массе:
Для звезд с массой М
М¤ основным являются протон-протонный цикл, для массивных звезд (M > M¤ ) основным являются азотно-углеродный цикл, протекающий с большей скоростью и большим выделением энергии, чем протон-протонный цикл.
Изложение сведений об энергетике Солнца и звезд позволяет сформировать понятие о космическом процессе существования звезд. Материал может изучаться как на данном занятии, так и на 6 уроке, при изучении сведений об основных параметрах внутреннего строения и эволюции звезд.
Вначале ученикам напоминается определение понятия "существование космических объектов":
Существование космических объектов - квазистационарное состояние равновесия, в котором они пребывают на отдельных, наиболее продолжительных во времени этапах своего развития и которое обеспечивается тем, что все внутренние и внешние силы, действующие на каждую отдельную частицу объекта и весь объект в целом, взаимно уравновешивают друг друга. Существование космических объектов обусловлено внутренними динамическими процессами; все космические объекты, от пылинок межпланетной среды и туманностей до звезд и галактик являются открытыми неравновесными системами, обменивающимися с окружающей средой веществом и энергией.
Существование звезд обусловлено равновесием сил тяготения и упругости (газового давления) (рис. 24).
Рис. 24. Равновесие сил в недрах звезд
Упрощенные пояснения для учащихся "обычных" и гуманитарных классов:
Наше Солнце и другие звезды можно сравнить со сверхмощными - мощностью в миллиарды миллиардов земных водородных бомб! – естественными, природными термоядерными бомбами, непрерывно взрывающимися в течение миллионов и миллиардов лет.
Почему же этот сверхмощный взрыв не разрывает, не распыляет звезду в космическом пространстве? Этому мешает сила всемирного тяготения.
Масса звезд настолько велика, что сила тяготения мешает веществу звезды разлетаться в окружающем пространстве, притягивает его к центру звезды.
На каждую частицу вещества внутри звезды постоянно действуют две силы: одна из них - сила давления световых лучей и раскаленного газа, возникающая в ходе термоядерных реакций в недрах звезды, отталкивает эту частицу вещества прочь от звезды; другая - сила тяготения - стремится притянуть её обратно. Эти силы равны по величине, но противоположны по направлению. Они уравновешивают друг друга миллионы и миллиарды лет.
Солнце и звезды - естественные термоядерные реакторы с гравитационным удержанием плазмы. Термоядерные реакции в недрах Солнца и звезд "саморегулируются": рост температуры в центре звезды за счет усиления мощности термоядерных реакций ведет к возрастанию газового (лучевого) давления и расширению звезды в пространстве. Увеличение размеров звезды снижает давление вышележащих слоев вещества на нижележащие под действием силы тяжести, что в свою очередь уменьшает температуру и интенсивность термоядерных реакций в центре звезды.
Для учащихся сильных и физико-математических классов подробное рассмотрение основных особенностей космического процесса существования звезд приводится в материале урока "Эволюция звезд".
Далее можно познакомить учащихся с методами расчета внутренних параметров Солнца и звезд на основе газовых законов. Материал может сообщаться как в форме рассказа учителя, так и в виде проблемного задания, решаемого сообща всем классом под общим руководством педагога. Данный вопрос изложения подробно излагается не только во всех учебниках астрономии и соответствующих методических пособиях [166, 167 и т.д.], но и в некоторых учебниках физики для X-XI классов [А.А. Пинского и т.д.]. В нашем пособии эти сведения содержатся в материале урока "Эволюция звезд".
При изложении этого материала полезно использовать схемы, демонстрирующие изменение температуры и давления в недрах Солнца (рис. 25). Их применение помогает объяснить возникновение конвекции, ее роль в переносе энергии от ядра звезды к внешним слоям, а также, на следующем уроке, природу и механизм возникновения солнечных пятен и факельных полей.
Рис. 25. Температура и давление в недрах и атмосфере Солнца
|
|
|
Скачать 4.37 Mb.