УРОК № 38
02.2023г. ГРУППА №303. ФИЗИКА. Обобщение темы «МЕХАНИКА».
Сегодня мы повторим тему «Механика», проверим своги знания по этой теме.
Начнём с вопросов (отвечаете письменно)
Вопросы:
1. Механика
делится на два раздела …
2. Что такое
траектория движения ?
3. Тело,
относительно которого рассматривается движение других тел, называют …
4. Движение
при котором скорость постоянна называется…
5. Кинематика – это наука …
6. Динамика
– это наука …
7.
Ускорение-это …
8. Импульс
тела – это …
9. Основные
законы механики …
10. Виды
механической энергии …
11.
Предельно допустимая скорость по городу или другому населенному пункту
12. Основные
виды сил в природе …
13.
Изменение формы тела…
14. Движение
тела только под действием силы тяжести …
15. Единица
измерения работы...
16. Единица
измерения мощности …
17. Время за
которое совершается один оборот…
18. Число оборотов за одну секунду…
19. Единица
измерения ускорения…
20. Единица
измерения силы? …
А теперь, пожалуйста,
решите задачи:
1.При
скорости полета 900км/ч его 4двигателя развивают полезную мощность30МВт. Найти
силу тяги каждого двигателя в этом режиме полета.
2.Мяч массой
200г летит со скоростью5м/с. Найти импульс мяча.
3.Вагон
массой 20т движется со скоростью1.5м/с и сталкивается с платформой массой 10т.
Определить скорость их совместного движения.
4.Определите
работу, которую надо совершить при рытье колодца диаметром 1м, и глубиной 10м,
если плотность грунта равна 1.8 *10³кг/м, Считайте, что грунт рассыпается
тонким слоем по поверхности Земли.
5.Камень
массой 200г, выпущенный вертикально вверх из рогатки, резиновый жгут который
был, растянут на 20 см, поднялся на высоту 40см. Найти жесткость пружины.
6.Снаряд
массой 25кг летит горизонтально со скоростью 500м/с и попадает в платформу с
песком, который движется ему на встречу со скоростью 1м/с Масса платформы 20т,
С какой скоростью стала двигаться платформа, если снаряд застрял в песке.
7.Подьемный
кран поднимает равномерно груз массой 500кг на высоту 10м за 50 сек. Определить
КПД крана, если мощность двигателя 1,5 кВт
8 Пружина,
сжатая на 30см, полностью выпрямляется. Какую работу совершила сила упругости,
если жесткость пружины 100Н/м .
9.
Определите работу силы трения, если тело массой 2кг изменит свою скорость от 4
до 3м/с.
10. Мяч
массой 250 г брошен вертикально вверх со скоростью 20м/с. Чему равна его
кинетическая энергия на высоте 10м.
11. Вагон
массой 20т движется со скоростью 1,5м/с и встречает стоящую на пути платформу
массой 10т. С какой скоростью они станут двигаться после срабатывания
автосцепки .
12. На
высоте 15м над поверхностью Земли строительный блок имеет потенциальную энергию
1500кДж. Чему равна его масса.
13. Пружина
имеет жесткость 2500 Н/м. Какую энергию имеет пружина, будучи сжата на 10см?
14. Стрела
массой 20г выпущена из лука вертикально вверх со скоростью 20м/с определите ее
кинетическую энергию на высоте 15м.
Повторение
знаний: тест.
1. В каких единицах измеряют импульс в
системе СИ?
А) 1 кг Б) 1
Н
В) 1 кг*м/с
Г) 1 Дж
1. В каких единицах измеряют
энергию в системе СИ?
А) 1 Вт Б) 1 Н
В) 1 кг∙м/с Г)
1 Дж
2. Какая из названных
ниже физических величин является векторной?
А) работа Б) энергия
В) сила Г) масса
2. Какая из названных ниже физических
величин является скалярной?
А) сила Б) работа
В) импульс Г) перемещение
3. Какое выражение соответствует
определению кинетической энергии тела?
А) mv Б) mv2
В) mv2/2
Г) Ft
3. Какое выражение соответствует
определению импульса тела?
А) ma Б) mv
В) Ft Г) mv2/2
4. Какое
выражение соответствует определению потенциальной энергии поднятого над Землей?
А) mv2/2
Б) mgh
В) kx2/2 Г) mgh/2
4. Какое
выражение соответствует определению потенциальной энергии сжатой пружины?
А) mv2/2 Б) mgh
В) kx2/2 Г) kx2
5. Какое из
приведенных ниже выражений соответствует закону сохранения механической
энергии?
А) А= mgh 2–mgh1
Б) А= mv 22
/2–mv2 1/2
В) Е к1+Еp
1= Еk2+ Еp2
Г) m 1v
1+ m 2v2 = m 1u1 +m 2u2
6.Как
изменится потенциальная энергия деформированного тела при увеличении его
деформации в 2 раза?
А)
Увеличится в 4 раза Б) Уменьшится в 2
раза
В)
Увеличится в 2 раза Г) Уменьшится в 4 раза
6. Как
изменится кинетическая энергия тела, если скорость тела уменьшится 2 раза?
А)
Уменьшится в 4 раза Б) Уменьшится в 1,5 раза
В )
Уменьшится в 2 раза Г) Уменьшится в 3
раза
7. Каким
видом энергии обладает парашютист во время прыжка?
А) Е к Б) Е р В) Ек + Ер Г)
Е=0
7. Каким
видом энергии обладает мяч, удерживаемый под водой?
А) Ек Б) Ер В) Ек + Ер Г) Е=0
8. Каким
видом энергии обладает мяч, лежащий на футбольном поле?
А) ЕК Б) ЕР
В) ЕК + ЕР Г) Е=0
8. Каким
видом энергии обладает пружина часов после завода?
А) Ек
Б) Ер В) Ек + Ер Г) Е=0
9. Какой
знак имеет работа, совершаемая силой упругости при сжатии пружины?
А) 0 Б) -
Г) +
Г) зависит
от направления
9. Какой
знак имеет работа, совершаемая силой тяжести при подъёме тела?
А) 0 Б) -
В) +
Г) зависит
от массы тела
10. Какой
знак имеет работа, совершаемая силой Архимеда при погружении водолаза?
А) 0 Б) -
В +
Г) зависит
от массы тела
10. Какой
знак имеет работа, совершаемая силой трения покоя?
А) 0 Б)
- В) +
Г) зависит
от направления силы
Тест игра
«Верю – не верю».
|
1 вариант |
2 вариант |
|
|
И в заключение, угадайте, о каком учёном идёт речь “Колесо истории”.
Загадка 1: После окончания университета, он занялся
исследованиями в области механики и астрономии.
Подсказки:
1. Им открыт
принцип относительности движения и закон инерции.
2. Еще в
студенческие годы, он открыл, что период колебаний маятника не зависит от
амплитуды.
3. Он открыл
4 спутника у Юпитера и фазы Венеры.
4. Для
изучения закономерностей свободного падения тел он использовал наклонную башню.
Загадка2.: Творец классической механики.
Подсказки:
1. На
надгробной плите могилы этого ученого высечены слова:
“...пусть
смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого”.
2. Он был
политик, член учредительного парламента, человек, который совершенно непонятным
образом научную работу сочетал с административной.
3. В 27 лет
он стал профессором Кембриджского университета.
4. Он открыл
3 основных закона механики.
УРОК №37
17.02..2023г. ГРУППА 303. АСТРОНОМИЯ. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
2 вариант
1. Вселенная – это…
а) наука о строении, движении, происхождении и развитии небесных тел, их систем и всей Вселенной в целом;
б) наука, изучающая законы строения материи, тел и их систем;
в) максимально большая область пространства, включающая в себя все доступные для изучения небесные тела и их системы;
г) наука о материи, ее свойствах и движении, является одной из наиболее древних научных дисциплин.
2. 1 пк (парсек) равен…
а) 150 млн.км; б) 3,26 св. лет; в) 1 св. год; г) 100 млн. км.
3. Оптический телескоп, в котором для собирания света используется система линз, называемая объективом, называется…
а) рефлектором; б) рефрактором; в) радиотелескопом; г) Хабблом.
4. Вся небесная сфера содержит около…
а) 3000 звёзд; б) 2500 звёзд; в) 6000 звёзд; г) 25000 звёзд.
5. Видимый годовой путь центра солнечного диска по небесной сфере, называется…
а) небесным экватором; б) эклиптикой;
в) небесным меридианом; г) поясом зодиака.
6. Отвесная линия пересекает небесную сферу в двух точках, которые называются…
а) зенитом и надиром; б) полюсами мира;
в) точками весеннего и осеннего равноденствия; г) кульминациями.
7. Ось видимого вращения небесной сферы называется…
а) отвесной линией; б) экватором;
в) осью мира; г) небесным меридианом.
8. Промежуток времени между двумя последовательными фазами Луны, называется…
а) синодическим месяцем; б) лунным месяцем;
в) сидерическим месяцем; г) солнечным месяцем.
9. Луна возвращается к одноименному узлу лунной орбиты через…
а) 29,53 суток; б) 27,21 суток; в) 346, 53 суток; г) 24,56 суток.
10. По каким орбитам движутся планеты?
а) круговым; б) гиперболическим; в) эллиптическим; г) параболическим.
11. Как изменяются периоды обращения планет с удалением их от Солнца?
а) не меняются; б) уменьшаются; в) увеличиваются.
12. Первой космической скоростью является:
а) скорость движения по окружности для данного расстояния относительно центра;
б) скорость движения по параболе относительно центра;
в) круговая скорость для поверхности Земли;
г) параболическая скорость для поверхности Земли.
13. Когда Земля вследствие своего годичного движения по орбите ближе всего к Солнцу?
а) летом; б) в перигелии; в) зимой; г) в афелии.
14. К нижним планетам относятся:
а) Меркурий, Венера, Марс; б) Юпитер, Уран, Нептун;
в) Венера и Марс; г) Меркурий и Венера.
15. Характерные расположения планет относительно Солнца, называются…
а) соединениями; б) конфигурациями; в) элонгациями; г) квадратурами.
16. Когда угловое расстояние планеты от Солнца составляет 900, то планета находится в…
а) соединении; б) конфигурации; в) элонгации; г) квадратуре.
17. Промежуток времени между двумя одинаковыми конфигурациями планеты, называется…
а) сидерическим периодом; б) синодическим периодом.
18. Второй закон Кеплера, говорит о том, что:
а) каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;
б) Радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади;
в) Квадраты сидерических периодов обращений двух планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.
19. Третий уточнённый Ньютоном закон Кеплера используется в основном для определения…
а) расстояния; б) периода; в) массы; г) радиуса.
20. Годичный параллакс служит для:
а) определения расстояния до ближайших звёзд;
б) определение расстояния до планет;
в) расстояния, проходимого Землей за год;
г) доказательство конечности скорости света.
21. Отличие вида спектров звёзд определяется в первую очередь…
а) возрастом; б) температурой;
в) светимостью; г) размером.
22.Масса Солнца от всей массы Солнечной системы составляет…
а) 99,866%; б) 31, 31%; в) 1, 9891 %; г) 27,4 %.
23. Солнце состоит из водорода на …
а) 71%; б) 27%; в) 2%; г) 85%.
25. В центре Солнца находится…
а) зона термоядерных реакции (ядро);
б) зона переноса лучистой энергии;
в) конвективная зона;
г) атмосфера.
26. Период активности Солнца составляет…
а) 12 лет; б) 36 лет; в) 11 лет; г) 100 лет.
27. Светимостью звезды называется…
а) полная энергия, излучаемая звездой в единицу времени;
б) видимая звёздная величина, которую имела бы звезда, если бы находилась от нас на расстоянии 10 пк;
в) полная энергия излучённая звездой за время существования;
г) видимая звёздная величина.
28. Если плоскость обращения звёзд вокруг их общего центра масс проходит через глаз наблюдателя, то такие звёзды являются…
а) визуально-двойными; б) затменно-двойными;
в) затменно-двойными; г) спектрально-двойными.
29. В стационарном состоянии звезда на диаграмме Герцшпрунга-Рассела находится на…
а) главной последовательности; б) в последовательность сверхгигантов;
в) в последовательность субкарликов;
г) в последовательность белых карликов.
УРОК № 36
15.02.2023г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. ТЕМА «Жизнь во Вселенной"
По данным радиоуглеродного анализа ископаемых, жизнь на Земле существует по крайней мере 3,8 млрд лет (большую часть времени существования нашей планеты). Естественно, что в 600 млн лет существовали только примитивные формы жизни, сложные организмы возникли позже в результате биологической эволюции. Длительность существования и единство всех форм жизни на Земле указывают на то, что жизнь возникла из единого источника вскоре после образования Земли.
Экспериментально доказано, что химические предшественники организмов (органические соединения, нуклеиновые и аминокислоты и т. п.) вполне могли возникнуть в условиях, существовавших на молодой Земле. Поэтому не представляется чем-то невозможным, что такие же условия могут или когда-то могли существовать еще где-то во Вселенной, и многие астрономы верят в то, что жизнь зарождалась во многих других местах Вселенной.
Однако до сих пор все поиски ее в космосе были безрезультатными. Это не означает, что внеземной жизни нет, просто нам неизвестен достоверный факт, что она есть. Доказательств существования внеземной жизни действительно нет, но «отсутствие доказательств не то же самое, что доказательство отсутствия».
Даже если бы жизнь существовала на многих объектах Солнечной системы, вряд ли мы ее смогли бы обнаружить в тех немногих местах, где люди или автоматические станции уже побывали. На Луне нет воды и атмосферы, и поиск жизни на ней бесперспективен. Марс кажется более подходящим для поиска жизни. Хотя условия там суровые, но все-таки Марс – самая похожая на Землю планета.
Моделируя в лаборатории марсианские условия, ученые доказали, что некоторые земные организмы (бактерии и лишайники) на Марсе могли бы выжить, хотя не смогли бы нормально развиваться и размножаться. Известно, что в прошлом условия на Марсе были не так суровы. Например, на его поверхности обнаружены следы водных потоков, это указывает на то, что климат тогда был теплее, а атмосфера плотнее. И хотя жизнь на Марсе так и не была обнаружена, существуют проекты более тщательного поиска там ее следов (может быть, она была там прежде).
Другие объекты Солнечной системы, где имеет смысл искать жизнь, – это подледные океаны таких спутников планет-гигантов, как Европа, Ганимед или Энцелад. Благодаря приливному сжатию и внутреннему радиоактивному нагреву вода подо льдом остается жидкой.
Условия там похожи на те, что были в океане с подводными вулканами на молодой Земле. Сейчас разрабатываются проекты доставки подводных исследовательских аппаратов в океаны таких спутников. Основная проблема таких проектов – необходимость преодолевать многокилометровый слой льда (см. рис. 21).
Рис. 21. Проект исследования подледных водоемов спутников
Сейчас считается, что жизнь на Земле возникла спонтанно, а не занесена из космоса. Однако считать это твердо доказанным нельзя. Например, на Землю падали метеориты с Марса. Эти метеориты образовывались при столкновениях с астероидами, астероид выбивает большой кусок поверхности Марса, который в качестве метеорита может достигнуть Земли и перенести на нее марсианский биологический материал (конечно, если он был в этом куске поверхности). Во всяком случае некоторые органические вещества в таких метеоритах обнаруживались.
Падения таких метеоритов случались в ранней Солнечной системе достаточно часто, и, возможно, мы все являемся потомками древних микроскопических марсиан. Это не обязательно были марсиане, простые организмы могли попасть на Землю не только из Солнечной системы, потому что, будучи «запечатанными» в каменный метеорит, они могут перенести суровые условия длительного космического путешествия.
Гипотеза заселения Земли организмами, возникшими где-то далеко во Вселенной, называется панспермией. Эта теория была популярна сто лет назад, но теперь понятно, что она не объясняет происхождение жизни, а просто переносит это событие куда-то далеко от Земли.
С вероятными «обитаемыми» местами в Солнечной системе разобрались, но одиноки ли мы во Вселенной? Может быть, где-то в сотнях световых лет от нас существует планета, где ученики тоже изучают астрономию и обсуждают проблему существования жизни на других планетах и, в частности, на Земле. Одна группа ученых считает, что в огромной Галактике могут быть миллионы планет, где возникла жизнь, и среди них есть такие, где развилась цивилизация. Другая группа считает, что вероятность развития интеллекта настолько мала, что вряд ли где-то вне Земли есть еще одна цивилизация, по крайней мере в нашем ее представлении.
Рассмотрим аргументы в пользу множественности обитаемых миров. Сторонники идеи множественности обитаемых миров рассуждают следующим образом. На Земле жизнь возникла и развилась цивилизация. Таких планет, как Земля, в одном только Млечном Пути множество. Чтобы оценить их число, сначала прикинем, сколько в Галактике звезд с массой, приблизительно равной массе Солнца. Оказывается, их около 10 % от общего числа звезд в Галактике, т. е. 1/10 от 1011 = 1010.
Следующий вопрос: у скольких из них есть планеты, похожие на Землю? То есть имеющие жидкую воду. А это в основном зависит от наличия атмосферы и ее температуры, т. е. от типа звезды (ее светимости) и расстояния до планеты. Если считать, что таких планет будет тоже 1/10 от числа солнц, то у 109 планет физические условия подходят для возникновения жизни. Так как мы знаем, что жизнь на Земле развилась, по астрономическим меркам, очень быстро, можно считать, что вероятность возникновения жизни в подходящих условиях достаточно велика, т. е. она скорее порядка 1/100, а не 1/1 000 000. Другими словами, жизнь могла возникнуть в Галактике на 10 млн планетах.
Вероятность развития и сохранения цивилизации, которая может погибнуть от внешних (например, столкновения с астероидом) и внутренних (войн, эпидемий и т. п.) причин, эти ученые оценивают величиной 1/1000. Следовательно, из 10 млн планет, где возникла жизнь, на 10 000 возникнет и сохранится развитая цивилизация.
Конечно, приведенные оценки очень грубые и, возможно, слишком оптимистичные. Но давайте с ними согласимся и попробуем оценить расстояния между этими цивилизациями. Обратимся к чертежу. Пусть радиус диска Млечного Пути равен R, и пусть в нем есть N цивилизаций, которые равномерно распределены со средним расстоянием между ними d (см. рис. 22).
Рис. 22. Расстояние между предполагаемыми цивилизациями Галактики
Площадь диска Галактики 
R2. Он плотно покрыт N цивилизациями радиуса d/ 2. Площадь покрытия (d/ 2)2, следовательно, R2 = N∙(d/ 2)2, откуда d = 2R/
. Если R = 50 000 св. лет и N = 10 000, то d = 1000 св. лет. Таким образом, даже при завышенных оценках расстояния между цивилизациями так велики, что какая-либо коммуникация между ними невозможна.
Аргументы в пользу единственности земной цивилизации. Сторонники этой идеи считают, что их оппоненты завышают вероятности в своих расчетах. Кроме того, они полагают, что цивилизации не вечны и их расцветы могут быть сдвинуты по времени. Так, если бы на Марсе была цивилизация, но всего лишь 200 лет назад по некоторой причине она прекратила свое существование, то мы не могли об этом узнать и связаться с ней, потому что на Земле еще не изобрели радио.
Еще один аргумент сторонников единственности – это парадокс, сформулированный итальянским физиком Ферми. Предположим, что бурное технологическое развитие приведет к тому, что через 1000 лет мы сможем совершать путешествия между звездами. Перелетая от звезды к звезде, мы постепенно колонизуем всю Галактику. Даже если перелет от звезды до звезды будет длиться тысячи лет, на колонизацию Галактики нам понадобится только несколько миллионов лет. В масштабах истории Галактики — это ничтожное время и, если бы существовали другие цивилизации, то какие-то из них давно уже побывали бы на Земле. Конечно, Ферми делает некоторые вольные предположения. Например, он считает, (1) что все цивилизации стремятся к экспансии, (2) что цивилизации скорее ищут контакты, чем избегают их, и (3) что все цивилизации стремятся в космос.
Изучение планет вне Солнечной системы интересно не только с точки зрения поиска жизни, но и с точки зрения закономерностей строения и эволюции Солнечной системы. Поэтому сотни лет астрономы мечтали обнаружить планеты, вращающиеся не вокруг Солнца, а вокруг других звезд Галактики. Но увидеть даже в мощный телескоп такие маленькие по сравнению с межзвездными расстояниями несветящиеся объекты было практически невозможно. Наконец в 1995 году первая экзопланета (планета вне Солнечной системы) была обнаружена.
К настоящему времени обнаружено уже около 4000 экзопланет. Для поиска планет за пределами Солнечной системы применяют космические телескопы и используют методы, основанные на ослаблении света звезды, когда планета проходит по ее диску и частично заслоняет свет, или по измерению доплеровского смещения спектральных линий в звездном спектре из-за движения звезды вокруг общего центра масс звезды и экзопланеты. Большую часть обнаруженных экзопланет составляют планеты-гиганты. Это естественно, так как планеты типа Земли обнаружить значительно труднее. Таких экзопланет было найдено несколько сотен. Сейчас найдено около 40 экзопланет, движущихся на таких расстояниях от звезды, на которых они получают достаточно тепла для формирования условий, подходящих для возникновения жизни.
Для оценки пригодности экзопланеты для жизни был введен индекс подобия Земле. Этот индекс учитывает все известные параметры планеты и ее звезды, которые считаются важными для возникновения жизни (см. рис. 23).
Рис. 23. Экзопланеты
Теперь основная цель наблюдения экзопланет – обнаружение у них атмосферы и определение ее химического состава. Если в химическом составе атмосферы будут обнаружены кислород, углекислый газ, метан и т. п., то на такой планете возможно наличие жизни.
Тест «ВСЕЛЕННАЯ»
1. Синергетика — это новая наука, изучающая:
А. Космическое право. Б. Эволюцию сложных систем. В. Мировую экономику. Г. Мировую экологию. Д. Экологию космоса.
2. Контакты с инопланетными цивилизациями определяют:
A. Звездные войны с чужими цивилизациями. Б. Обмен информацией. B. Спортивные соревнования с инопланетянами. Г. Торговлю с инопланетянами. Д. Передачу информации инопланетянами.
3. Как расшифровывается аббревиатура НЛО?
А. Нелетающие легкие объекты. Б. Неопознанные легкие объекты. В. Неопознанные летающие объекты. Г. Новые летающие объекты. Д. Сверхновые летающие объекты.
4. Над какой проблемой работает Международная организация SETI?
A. Поиски жизни во Вселенной. Б. Поиски жизни за пределами Вселенной. B. Поиски радиосигналов от других цивилизаций. Г. Поиски инопланетных космических кораблей. Д. Поиски марсиан.
5. Какую роль играют космические катастрофы в эволюции жизни на Земле?
6. Какие существуют основания для поисков жизни за пределами Солнечной системы?
7. Сколько времени современные космические корабли должны лететь до ближайшей звезды?
8. Можно ли с помощью современных радиотелескопов установить контакт с внеземными цивилизациями?
9. Что означает выражение «обычная жизнь»? Какие другие формы жизни могли бы существовать во Вселенной?
УРОК № 35
15.02.2023г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. ТЕМА «СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ»
Вселенная — это необъятные просторы, в которых находиться черная материя, триллионы галактик и звездных скоплений. У нее нет границ ни в пространстве, ни во времени.
Огромные космические просторы таят в себе много тайн, для разгадки которых важно определить принципы эволюции и строение Вселенной.
С чего началось мироздание?
Сегодня трудно в это поверить, но огромное космическое пространство 14 млрд лет было всего лишь точкой. Небольшой шар состоял из плотного и горячего протовещества. В один момент, эта “точка” взорвалась и мельчайшие элементы разлетелись. Эта гипотеза происхождения Вселенной называется Теорией Большого Взрыва. Это наиболее логичное предположение, из-за чего является
основным.
Все частицы, которые были образованы в результате взрыва, удалились от эпицентра происшедшего и со временем начали взаимодействовать между собой. С рассеянной материи сформировались сгустки, которые впоследствии преобразовались в звезды. Под воздействием центробежных и гравитационных сил были образованы галактики.
Процесс расширения Вселенной и формирование новых “уплотнений” происходит ежесекундно. Именно поэтому, ученым трудно указать границы мироздания.
Эволюция
Полагаясь на достоверность Теории Большого взрыва, ученые предполагают, что эволюция Вселенной происходила в такой последовательности:
Эпоха сингулярности
Это наиболее ранний период развития мироздания. Небольшая точка, которая состоит из протонов и нейтронов, “взрывается”. Время такого “Бума” составляет всего 0,0001 секунды. После этого, стартовал процесс синтеза частиц, за счет чего образуется водород и гелий. Из-за высочайшей температуры в миллиарды градусов, этот процесс происходит быстро, что приводит к расширению космического пространства.
Эпоха инфляции
В этот период, просторы Вселенной заполнила энергия одинаково высокой плотности, невероятно высокой температуры и давления. Это приводит к быстрому расширению и постепенному охлаждению. Эпоха знаменательна столкновением и разрушением частиц и античастиц. Это приводит к превосходству материи над антиматерией.
Уменьшение плотности и температуры на космических просторах стало причиной минимизации энергии в каждой частице. Эти процессы происходили до того момента, как все элементарные частицы преобразовались в современные формы. В этот период, плотная материя была равномерно распространена по просторам космоса.
Иерархическая эпоха
На протяжении нескольких миллиардов лет, наиболее плотные участки начали соединяться между собой, образуя газовые облака, звезды и галактики. В нашей Вселенной начали образовываться
структурные формирования, которые мы можем наблюдать сейчас.
Основные элементы строения
Крупномасштабная структура Вселенной поможет определить состав и строение мироздания. В огромных вселенских просторах можно увидеть волокна и пустоты, которые образуют сверхскопления, галактики и звезды. Начальный этап структурирования мироздания начинается с образования водородного газа. Под воздействием гравитационных сил, он преобразовывается в плотные, тяжелые сгустки. Их масса в тысячи раз превышает массу любой из галактик. В тех участках, где было наибольшее скопление водородного газа сформировались мегагалактики. На участках с меньшим количеством газа образовались меньшие звездные дома, наподобие нашего Млечного пути
.Протогалактики, которые вращались слишком быстро, со временем преобразовались в спиральные звездные дома. А на тех участках, где наблюдалось медленное вращение, происходило сжатие водородного газа и сформировались неправильные, эллиптические галактики.
В этот же период, звездные дома образовывали сверхскопления, края которых соприкасались. В каждом из таких формирований находились звезды, туманности, космическая пыль. Но основным объектом является черная материя.
“Звездные дома”: классификация и особенности
Точная информация о видах и границах галактик стала известна после проведенных исследований Эдвином Хабллом. Астрофизик предложил следующую классификацию:
1. Спиральные. Это наиболее распространенные “звездные дома”. Они представлены в виде своеобразных спиралей, которые собраны вокруг ядра либо исходят от галактической “перемычки”. Наш Млечный путь относится к этому виду. Еще одним популярным представителем спиральных галактик является наша “соседка” — Андромеда. Она стремительно мчится по направлению к нам, из-за чего оба звездных дома могут столкнуться.
2. Эллиптические. Они обладают нестандартной формой. На вселенских просторах их много, но они не выразительны из-за отсутствия космической пыли и звездного газа. В “эллипсах” находятся исключительно звездные скопления.
3. Неправильные. Объекты, которые относятся к этому типу, не имеют четких границ и определенной формы. В их составе находятся облака газа и космическая пыль. Такие “звездные дома” могут поглощаться более крупными объектами.
Каждый из вселенских объектов — это уникальное формирование с таинственной структурой.
Будущее Вселенной
Наше мироздание началось с маленькой точки. Быстрое развитие и расширение границ привело к образованию необъятных космических просторов. Но, будет ли остановлено расширение? Возможен ли обратный вариант развития, то есть сжатия в ту же исходную плотную точку?
В 1990-х годах, специалисты пришли к выводу, что реальны два варианта будущего Вселенной.
“Сжатие” космических просторов возможно! При достижении максимальных размеров, она может разрушиться. Плотность черной материи может достичь критических показателей, из-за чего будет сжиматься.
Также, существует предположение, что причиной разрушения мироздания могут стать черные дыры. Все звездные скопления могут прекратить передачу энергии и преобразоваться в черные дыры. Если температура космического пространства приблизиться к нулю, возможно, их испарение. В результате чего, все разрушится и наступит логичный конец.
ЗАДАНИЕ:
СОСТАВЬТЕ КОНСПЕКТ И ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ:
1. ЧТО УКАЗЫВАЕТ НА РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ?
а) красное смещение в спектрах далёких галактик
б)вращение галактик вокруг оси
в) чёрные дыры в ядрах галактик
г) наличие газа и пыли в спиральных галактиках
2. ГДЕ (КОГДА) ОБРАЗОВАЛОСЬ ОСНОВНОЕ КОЛИЧЕСТВО ГЕЛИЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ?
а) в звёздах
б) в ядрах галактик
в) он всегда существовал во Вселенной
г) в первые секунды жизни Вселенной
3. ЧТО УКАЗЫВАЕТ НА ВЫСОКУЮ ТЕМПЕРАТУРУ ВЕЩЕСТВА НА НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПАХ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ?
а) реликтовое излучение
б) распределение галактик в пространстве
в) высокая температура в звёздах
г) ничего не указывают
4. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА ОБРАЗОВАЛАСЬ ОКОЛО 4,5 млрд. лет НАЗАД. ЧЕМУ ТОГДА БЫЛ РАВЕН ВОЗРАСТ ВСЕЛЕННОЙ?
а) 4,5 МЛРД.ЛЕТ б) 0 в) 8,5 МЛРД.ЛЕТ г) 1 МЛРД.ЛЕТ
УРОК №34
14.02.2023г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. ТЕМА. «Галактики Вселенной»
Галактики Вселенной
Что такое галактика
Галактика часто воображается нами такой, какой традиционно показывается в энциклопедиях и документальных фильмах — громадной спиралью из голубоватого дыма, в котором прячутся гроздья звезд, посередине которой ярко светит ядро. Однако такой «звездный остров» — всего лишь одна разновидность правильных структур. Ведь бывают и неправильные галактики, лишенные выраженных ядер и рукавов — они бултыхаются в космическом пространстве подобно яйцу, разбитому в невесомости. Издали они мало чем отличаются от хаотичных туманностей: разница состоит в размерах и концентрации звёзд.
Галактика Андромеды — ближайшая к нам крупная галактика
Итак, что нужно, чтобы назвать объект галактикой?
- Во-первых, это наличие в ней звезд и звездных скоплений — они составляют львиную долю видимой нам материи галактики. Но только видимой: большую часть массы любой галактики составляют прослойки газа и пыли, молекулярные облака и темная материя.
- Во-вторых, все это богатство должно быть связано в гравитационной системе и вращаться вокруг общего центра масс. Обычно им выступает галактический центр, о котором речь пойдет дальше — но его отсутствие не препятствие.
Кроме внутреннего гравитационного взаимодействия, галактики взаимодействуют между собой. Меньшие «звездные острова» вращаются вокруг больших — а те выстраивают связи с другими гигантами, включаясь в крупномасштабную структуру Вселенной. Но в отличие от планет и их спутников, галактики славятся «хищными» нравами. Наш Млечный путь близок к тому, чтобы через пару миллиардов лет поглотить своих спутников, Большое и Малое Магеллановы Облака — а после этого его «слопает» галактика Андромеды.
Большое Магелланово облако — галактика-спутник Млечного пути
- Видной характеристикой галактики является размер — как и содержание звезд, так и размах. Однако тут как раз точности и нет. Существуют галактики, которые в радиусе сотни–второй световых лет вмещают сотни миллионов звезд. Но бывают и другие, в которых на ту же сотню световых лет рассыпаны считаные тысячи звезд. Поэтому единственный четкий критерий тут — это гравитационная отдаленность от близлежащих «островов» и наличие собственного центра массы. Так, во Вселенной одновременно существуют галактики с несколькими тысячами светил, и с сотнями триллионов звезд.
Как видите, нет четких рамок или определения для понятия, что такое галактика. Поэтому они такие разнообразные, часто совсем невообразимые. Это и сверхяркие мощные квазары, и Великий Аттрактор, и громадные звездные поля протяженностью в миллионы световых лет.
Разнообразие галактик
Первое, что бросается в глаза при изучении галактик — их форма и узор. Одни выглядят как спирали циклонов в земной атмосфере, другие напоминают садовые оросители, с которых вырываются струи воды, а третьи представляют собой равномерные, плоские звездные диски. На этих характерных деталях строится современная классификация галактик, которая еще называется морфологической (морфология — наука о строении и форме чего-либо).
С самого начала изучения галактик Эдвином Хабблом, появилась теория о зависимости ее внешнего вида от возраста. Начав с небольшого и плотного скопления газа и звезд, галактики постепенно раскручивают спирали или же просто разрастаются вширь, после чего сжимаются обратно. Поэтому внешний вид «звездного острова» может рассказать нам многое о ее истории.
Структурные компоненты галактики
Эдвин Хаббл, пионер и новатор исследования «звездных островов» за пределами Млечного пути, выделил сначала 3, а потом 4 основных вида галактик, изучение и детализация которых продолжается до сих пор. Но даже сегодняшняя типология «звездных островов» базируется на морфологических составляющих галактики. Как в конструкторе, из этих деталей можно «построить» любую галактику. Астрономы выделяют следующие компоненты:
- Ядро — это центральная часть галактики, сосредоточение ее массы. Именно ядро служит гравитационным якорем для всех остальных компонентов галактики. Это может быть как и один космический объект, вроде черной дыры, так и целая группа звезд, туч пыли, черных дыр и прочих «жителей» галактического центра. Обычно имеется в виду последний вариант, именуемый также активным ядром галактики
Черная дыра в ядре галактики
- Диск — тонкий и плоский слой галактики, в котором вращается большинство ее содержимого. Принцип его расположения аналогичен плоскости эклиптики Солнечной системы, где лежат орбиты самых массивных планет. Также это самая заметная часть галактики, поскольку занимает больше всего площади. Единый галактический диск делится на две составляющие — газопылевой и звездный.
- В диске могут проступать спиральные ветви, известные также как галактические рукава. Рукава не столь плотны, как другие элементы галактики, и в них много молодых звезд.
Интересный факт — некоторые галактики обладают сразу двумя дисками; второй называется полярным кольцом. Причем «лишний» диск со звездами и туманностями не всегда имеет общий центр массы с основным. Полярные галактические кольца чаще всего возникают во время слияния галактик или спонтанного образования второго галактического центра, хотя точный механизм пока неизвестен.
- Сфероидальный компонент — та часть звезд и галактического газа, которые находятся вне галактического диска и размещаются по сфере притяжения вокруг ядра. Его доля в общей массе галактики может колебаться
-
- Центр, балдж и гало
- Балдж (от англ. «вздутие, выпуклость») — сферическая объемная оболочка центра галактики. Его составляют крупные звезды-гиганты, старые светила и шаровые звездные скопления. Балдж — самая концентрированная и наиболее яркая часть любой галактики. Его наличие является индикатором сверхмассивной черной дыры. Рядом с балджем может находиться бар (от англ. «перемычка») — вытянутый «мостик» между балджем и галактическими рукавами.
- Когда балдж принадлежит к центру сфероидальной составляющей галактики, то гало заполняет всю внешнюю часть «звездного острова». Это самая большая часть галактики, поскольку распространяется далеко за пределы диска, и самая массивная, поскольку состоит большей частью из темной материи.
Классы галактик
Теперь, когда вы знаете основные составляющие любой галактики, определить ее класс очень легко. Надо только оценить выраженность главных элементов — звездного и газопылевого дисков, ядра и сфероидальной составляющей.
Эллиптические галактики (E)
Эллиптические галактики — первый класс «звездных островов», который служит опорной точкой для других типов. Их особенность заключается в том, что у них нет ни диска, ни рукавов — грубо говоря, они являются одним большим балджем и состоят из галактической сферы. Что правда, сфера не совсем правильная: эллиптические галактики всегда в большей или меньшей
Степени вытянуты, благодаря чему и получили своё название
.Гигантская эллиптическая галактика ESO 325-G004
Звездный состав эллиптических галактик примечателен своей умеренностью. Большинство их звезд — либо старые красные гиганты, либо умеренные красные и желтые карлики. Есть и яркие, но они редко поднимаются высоко по диаграмме Герцшпрунга–Рассела — светимость белых звезд в эллиптических галактиках не очень сильная. А голубые гиганты, звезды Вольфа–Райе и прочие массивные и активные светила попросту отсутствуют или же крайне редки.
Хотя образование и развитие галактик пока что покрыто пеленой тайны для астрономов, есть некоторые предположения относительно эллиптических галактик. У них мало газа и пыли, новые звезды формируются редко, а существующие светила немолоды — следовательно, до их нынешнего состояния прошло немало лет. А эллиптическую форму не так просто получить. Самый вероятный вариант — это столкновение и взаимопоглощение двух спиральных или линзовидных галактик воедино.
Линзовидные галактики(S0)
Линзовидные галактики — это промежуточное звено по форме между эллиптическими и спиральными галактиками. У них сохраняется массивный центр, но при этом существуют вполне сформированные диски: звездный и газовый. Из-за контраста выпуклого балджа и распластанного диска эти галактики похожи на двояковыпуклые линзы, из-за чего и получили свое название.
«Население» линзовидных галактик сродни наполнению эллиптических — все те же старые звезды, небольшие зрелые светила и звездные останки вроде сверхновых, черных дыр и подобных им объектов. Как и у предыдущего класса галактик, у них не так много свободного газа, но зато достаточно галактической пыли. Это наталкивает астрономов на мысль о том, что линзовидные «звездные острова» являются «истаявшими» наследниками спиральных галактик, в которых звездообразовательный потенциал исчерпался, а рукава слились.
Линзовидные и эллиптические галактике составляют 40% от всей галактической популяции Вселенной — каждая по половине общего числа. И хотя даже вместе они не такие распространенные, как спиральные, линзовидные и эллиптические часто встречаются на снимках телескопов.
Линзовидная галактика Веретено или NGC 5866
Спиральные галактики (S)
Классическая спиральная галактика в общих чертах представляет собой эллиптическую галактику, от центра-балджа которой отходят спиральные рукава. Также она активно вращается (на что указывает спиральная форма) и обладает выраженными газовыми и пылевыми составляющими. Рукава спиральных галактик разительно отличаются по составу от центра: они богаты на свободную видимую материю, из-за чего активно образуются звезды. Ещё преобладающее число спиральных галактик имеет бар-перемычку. Галактики этого класса являются наиболее распространенными во Вселенной: на них приходится 55% от всего числа «звездных островов».
Как правило, рукавов у таких галактик немного, и спираль закручена лишь на несколько витков. Точной причины того, почему галактики не закручиваются «туже», неизвестно. Да, звезды движутся вокруг центра галактики очень быстро, ускоряясь ближе к центру, и свободно мигрируют с одной части спирали в другую. Но этого недостаточно для «заморозки» галактических рукавов в пространстве.
NGC 1097 — спиральная галактика с перемычкой в созвездии Печь
Одной из наиболее вероятных теорий является то, что спираль формируется под влиянием волн плотности. Они сжимают облака газа и пыли, попадающие в рукава, «фиксируя» их и активируя звездорождение. Там образуются в основном массивные и яркие голубые звезды, которые существуют всего несколько миллионов лет, и потому практически не изменяют свое положение. Все это способствует стабильности рукавов.
Это, однако, лишь теория. Какое-либо длительное наблюдения развития галактик невозможно, да и их структура слишком сложна, дабы утверждать что-то точно. Однако факт остается фактом: массивных и ярких звезд в рукавах очень много, из-за чего они отсвечивают голубым.
Неправильная галактика NGC 5477
Неправильные галактики — самые редкостные из «звездных островов». Они похожи на рваные тучи, да и повторяют их строением. В них много газов, пыли и скоплений звезд, но нет главных структурных элементов — спиралей, балджа и т.д. Некоторые из них напоминают эллиптические или спиральные галактики. Многие неправильные галактики стали такими из-за гравитационного влияния со стороны, исказившего их форму. Но есть «звездные острова», которые приобрели такой вид сами по себе.
Особым видом неправильных галактик являются карликовые — они полны газа, необходимого для звездообразования, в них мало металлов (в астрономии — элементов, отличных от водорода и гелия), и они очень компактны в размерах. Эти три фактора создают идеальные условия для образования очень крупных, ярких и короткоживущих звезд. Ученые считают, что именно так выглядели первые галактики нашей Вселенной. С помощью телескопа «Джеймс Уэбб», способного проникнуть на расстояние в 100 миллионов лет после Большого взрыва, ученые ожидают увидеть больше неправильных галактик, наполненных звездами-сверхгигантами.
Взаимодействие галактик
Не менее интересным для взора ученых представляется вопрос о взаимодействии галактик как компонентов космических систем. Не секрет, что космические объекты находятся в постоянном движении. Галактики не исключение из этого правила. Некоторые из видов галактик могли бы стать причиной столкновения или слияния двух космических систем. Если вникнуть, какими представляются данные космические объекты, более понятными становятся масштабные изменения как результат их взаимодействия. Во время столкновения двух космических систем выплескивается гигантское количество энергии. Встреча двух галактик на просторах Вселенной – даже более вероятное событие, чем столкновение двух звезд. Не всегда столкновение галактик заканчивается взрывом.
Таким образом, происходит образование формирований, схожих внешним видом на вытянутые коридоры. В их составе выделяются звезды и газовые зоны, часто формируются новые светила. Бывают случаи, что галактики не ударяются, а только слегка соприкасаются друг с другом. Однако даже такое взаимодействие запускает цепочку необратимых процессов, которые приводят к огромным изменениям в структуре обеих галактик.
Какое будущее ожидает нашу галактику?
Как предполагают ученые, не исключено, что в далеком будущем Млечный путь сумеет поглотить крохотную по космическим размерам систему-спутник, которая расположена от нас на расстоянии 50 световых лет. Исследования показывают, что этот спутник имеет продолжительный жизненный потенциал, но при столкновении с гигантским соседом, вероятнее всего, закончит отдельное существование. Также астрономы предрекают столкновение Млечного пути и Туманности Андромеды. Галактики движутся друг другу навстречу со скоростью света. До вероятного столкновения ждать примерно три миллиарда земных лет. Однако будет ли оно на самом деле сейчас – тяжело рассуждать из-за нехватки данных о движении обеих космических систем.
ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ:
1. Перечислите основные типы галактик.
2. Строение галактик?
3. Какова структура нашей Галактики:
А) эллиптическая
Б) неправильная
В) спиральная
4. Туманность Андромеды:
А) эллиптическая
Б) неправильная
В) спиральная
УРОК №33
10.02.2023г. ГРУППА 303. АСТРОНОМИЯ, ТЕМА. "МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ – НАША ГАЛАКТИКА»
Если посмотреть на небо в ясную безлунную ночь, подальше от городских огней, то можно увидеть звёздное небо во всей его красе. Его примечательным объектом является широкая светлая полоса, тянущаяся с запада на восток и являющаяся скоплением огромного числа звёзд и ярких туманностей. Эта полоса древними греками была названа Галактикой, что переводится как «млечный» или «молочный». Мы же с вами эту полосу называем Млечным Путём. Он проходит через оба полушария по большому кругу небесной сферы. Линия, идущая вдоль середины Млечного Пути, была названа галактическим экватором, а образующая его плоскость — галактической плоскостью, которая наклонена к плоскости небесного экватора под углом 63°.
Ещё Галилео Галилей в 1609 году обнаружил, что Млечный Путь является скоплением огромного числа слабых звёзд (порядка 200—400 миллиардов) и ярких туманностей. Все они вместе образуют гигантскую гравитационно-связанную систему тел — Галактику. Из числа этих объектов в состав Галактики не входит лишь слабо заметное туманное пятно, видимое в созвездии Андромеды и напоминающее по форме пламя свечи.
Это туманность Андромеды.
Первая попытка построить модель нашей Галактики принадлежит Уильяму Гершелю. В 70-ых годах XVIII века он решил выборочно посчитать количество звёзд в разных направлениях от галактического экватора. Его подсчёты показали, что число звёзд резко убывает по обе стороны от галактической плоскости. Тогда он предположил, что слабые звёзды Млечного Пути вместе с более яркими образуют единую звёздную систему, по форме напоминающую диск конечных размеров.
В 1923 году в туманности Андромеды были обнаружены несколько ярких цефеид. Как мы помним, цефеиды — это обширный класс ярких пульсирующих переменных звёзд-сверхгигантов и гигантов классов F и G. Они являются своеобразными «маяками» Вселенной», так как по известному из наблюдений периоду пульсации можно определить их абсолютную звёздную величину. Сравнив абсолютную звёздную величину цефеида с его видимой звёздной величиной, можно определить и расстояние до него.
Так вот, оказалось, что туманность Андромеды располагается от нас на расстоянии немногим более двух миллионов световых лет. Это дало учёным основание предполагать, что это не просто туманность, а другая звёздная система, подобная нашей.
Дальнейшее изучение известных туманностей показало, что все они также являются гигантскими удалёнными системами, в которых находятся миллионы и миллиарды звёзд. Такие гигантские гравитационно-связанные системы звёзд и межзвёздного вещества, расположенные вне нашей Галактики, стали называть галактиками. Их сравнение с нашей звёздной системой позволило выявить многие черты её строения.
Согласно современным представлениям, наша Галактика имеет форму плоского линзообразного диска. Его диаметр составляет около 30 кпк, а толщина — около 4 кпк. Звёздный диск Галактики имеет структуру в виде спиральных ветвей — рукавов. В середине диска есть заметное утолщение — балдж (от английского слова «вздутие»). В центральной части Галактики располагается её ядро, скрытое от нас плотными газопылевыми облаками и звёзд
Ядро представляет собой высокоплотный объект (вероятнее всего, сверхмассивную чёрную дыру), окружённый горячим радиоизлучающим газовым облаком диаметром не более 1,8 пк. По некоторым оценкам, масса галактического ядра в 4,31 ∙ 106 раз больше массы Солнца.
Часть звёзд нашей Галактики не входит в состав диска, а образует его сферическую составляющую — звёздное гало. Оно имеет сферическую форму и состоит в основном из очень старых звёзд, разреженного горячего газа и тёмной материи. Гало выходит за пределы Галактики на 5—10 тысяч световых лет.
Масса всей Галактики оценивается примерно в полтриллиона масс Солнца.
Исследование звёзд в нашей звёздной системе показало, что в ней есть как и очень молодые звёзды (возрастом около 100 тысяч лет), так и очень старые звёзды, возраст которых сравним с возрастом самой Галактики (13,2 млрд лет).
Основными структурными составляющими нашей звёздной системы являются звёздные скопления. Так принято называть гравитационно-связанные группы звёзд, которые имеют общее происхождение и движутся в поле тяготения Галактики как одно целое.
По внешнему виду они делятся на две группы: рассеянные и шаровые скопления.
Рассеянное звёздное скопление — это не имеющая правильной формы сравнительно неплотная группа, содержащая от нескольких десятков до нескольких тысяч звёзд, образованных из одного молекулярного облака и имеющих примерно одинаковый возраст.
В нашей Галактике обнаружено более 1100 рассеянных скоплений вблизи галактического центра. Однако считается, что их может быть гораздо больше. Типичный возраст рассеянных скоплений оценивается в несколько сотен миллионов лет, и состоят они в основном из бело-голубых звёзд главной последовательности.
Самыми известными рассеянными скоплениями, видными невооружённым глазом, являются Плеяды, Гиады и Скопление Альфа Персея.
Шаровым скоплением называется звёздное скопление, в котором содержится до миллиона звёзд, тесно связанных гравитацией. Они обладают симметричной сферической формой и характеризуются увеличением концентрации звёзд к центру скопления.
Шаровые скопления образуют протяжённое гало вокруг центра Галактики, сильно концентрируясь к нему. На 2017 год открыто 158 шаровых скоплений. Их звёздное население состоит из давно проэволюционировавших звёзд — красных гигантов и сверхгигантов. Возраст шаровых скоплений может достигать 11—13 миллиардов лет.
В июне 2011 года стало известно об открытии нового класса скоплений в созвездии Лиры (NGC 6791), который сочетает в себе признаки и шаровых, и рассеянных скоплений.
Группы звёзд, которые не связаны силами гравитации, или слабосвязанных молодых звёзд, объединённых общим происхождением, называют звёздными ассоциациями.
Таким образом, существование в Галактике звёздных скоплений и ассоциаций различных возрастов указывает на то, что звёзды формируются не в одиночку, а группами, а сам процесс звёздообразования продолжается и по сей день.
Мы уже с вами знаем, что долгое время видимые на небе звёзды считались неподвижными объектами. Лишь в 1718 году английский астроном Эдмунд Галлей решил сравнить положения звёзд его времени с теми, которые были описаны ещё в каталоге Гиппарха во II в. до н. э. Каково же было удивление учёного, когда он обнаружил, что яркие звёзды Сириус и Порцион сместились примерно на 0,7о. А у Арктура это смещение составило более 1о.
На основании этих данных Галлей выдвинул предположение о том, что звёзды движутся в пространстве относительно Солнца. Скорость, с которой движется звезда в пространстве относительно Солнца, называется пространственной скоростью.
Тест по теме "Наша Галактика". Содержит 10 вопросов.
Вопрос 1
Что тянется серебристой полосой по обеим полушариям звездного неба, замыкаясь в звездное кольцо?
Варианты ответов
- планеты
- туманность
- Млечный Путь
- Солнечная система
Вопрос 2
В каком году и кем было установлено, что Млечный Путь состоит из колоссального множества очень слабых звёзд?
Варианты ответов
- 1512 году Николаем Коперником
- 1545 году Николаем Коперником
- 1713 году Галилео Галилеем
- 1610 году Галилео Галилеем
Вопрос 3
Сколько звезд в Галактике?
Варианты ответов
- 900 млрд
- 200 млрд
- 600 млрд
- 100 млрд
Вопрос 4
Где расположен центр нашей Галактики?
Варианты ответов
- в созвездии Стрельца
- в созвездии Лебедя
- оба ответа правильны
- нет правильного ответа
Вопрос 5
К какому виду галактик относится наша Галактика?
Варианты ответов
- эллиптическая
- спиральная
- неправильная
- линзовидная
Вопрос 6
От какого древнегреческого слова происходит слово "галактика"?
Варианты ответов
- Дорога
- Звезда
- Сосуд
- Молоко
Вопрос 7
Что из этого встречается у некоторых галактик?
Варианты ответов
- Штанины
- Рукава
- Воротники
- Плечи
Вопрос 8
Что находится в центре Млечного Пути?
Варианты ответов
- красный гигант
- Солнечная система
- сверхмассивная черная дыра
- туманность
Вопрос 9
Какая галактика в будущем может поглотить Млечный Путь?
Варианты ответов
- Большое Магелланово Облако
- галактика Вертушка
- галактика Водоворот
- галактика Андромеды
Вопрос 10
Диаметр нашей Галактики составляет
Варианты ответов
- 100 тыс. св. лет
- 50 тыс. св. лет
УРОК № 32
08.02.2023г ГРУППА 303. Астрономия. Тема «Эволюция звёзд»
Эволюция звезд
Звёздная эволюция в астрономии – последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло. втечение таких колоссальных промежутков времени изменения оказываются весьма значительными.
Цикл жизни звезды
Эволюция звезды начинается в гигантском молекулярном облаке, также называемом звёздной колыбелью. Большая часть «пустого» пространства в галактике в действительности содержит от 0,1 до 1 молекулы на см3. Молекулярное облако же имеет плотность около миллиона молекул на см3. Масса такого облака превышает массу Солнца в 100 000–10 000 000 раз благодаря своему размеру: от 50 до 300 световых лет в поперечнике.
Эволюция звезды начинается в гигантском молекулярном облаке, также называемом звёздной колыбелью.
Пока облако свободно обращается вокруг центра родной галактики, ничего не происходит. Однако из-за неоднородности гравитационного поля в нём могут возникнуть возмущения, приводящие к локальным концентрациям массы. Такие возмущения вызывают гравитационный коллапс облака. Один из сценариев, приводящих к этому – столкновение двух облаков. Другим событием, вызывающим коллапс, может быть прохождение облака через плотный рукав спиральной галактики. Также критическим фактором может стать взрыв близлежащей сверхновой звезды, ударная волна которого столкнётся с молекулярным облаком на огромной скорости. Кроме того, возможно столкновение галактик, способное вызвать всплеск звёздообразования, по мере того, как газовые облака в каждой из галактик сжимаются в результате столкновения. В общем, любые неоднородности в силах, действующих на массу облака, могут запустить процесс звездообразования.
любые неоднородности в силах, действующих на массу облака, могут запустить процесс звездообразования.
В ходе протекания этого процесса неоднородности молекулярного облака будут сжиматься под действием собственного тяготения и постепенно принимать форму шара. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура объекта возрастает.
Когда температура в центре достигает 15–20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой.
Последующие стадии эволюции звезды почти полностью зависят от её массы, и лишь в самом конце эволюции звезды свою роль может сыграть ее химический состав.
Первая стадия жизни звезды подобна солнечной – в ней доминируют реакции водородного цикла.
В таком состоянии она пребывает бо́льшую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Расселла, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается на периферии ядра.
Маленькие и холодные красные карлики медленно сжигают запасы водорода и остаются на главной последовательности десятки миллиардов лет, в то время как массивные сверхгиганты сходят с главной последовательности уже через несколько десятков миллионов (а некоторые спустя всего несколько миллионов) лет после формирования.
В настоящее время достоверно неизвестно, что происходит с лёгкими звёздами после истощения запаса водорода в их недрах. Поскольку возраст вселенной составляет 13,8 миллиардов лет, что недостаточно для истощения запаса водородного топлива в таких звёздах, современные теории основываются на компьютерном моделировании процессов, происходящих в таких звёздах.
Согласно теоретическим представлениям, некоторые из легких звезд, теряя свое вещество (звездный ветер), будут постепенно испаряться, становясь все меньше и меньше. Другие – красные карлики, будут медленно остывать миллиарды лет, продолжая слабо излучать в инфракрасном и микроволновом диапазонах электромагнитного спектра.
Звёзды среднего размера, такие как Солнце, остаются на главной последовательности в среднем 10 миллиардов лет.
Считается, что Солнце все ещё на ней, так как оно находится в середине своего жизненного цикла.
Как только звезда истощает запас водорода в ядре, она покидает главную последовательность.
Без давления, возникавшего в ходе термоядерных реакций и уравновешивавшего внутреннюю гравитацию, звезда снова начинает сжиматься, как уже было ранее в процессе её формирования.
Температура и давление снова растут, но, в отличие от стадии протозвезды, до гораздо более высокого уровня.
Коллапс продолжается до тех пор, пока при температуре приблизительно в 100 миллионов К не начнутся термоядерные реакции с участием гелия, в ходе которых происходит превращение гелия в более тяжёлые элементы (гелий – в углерод, углерод – в кислород, кислород – в кремний, и наконец – кремний в железо).
Возобновившееся на новом уровне термоядерное «горение» вещества становится причиной чудовищного расширения звезды. Звезда «распухает», становясь очень «рыхлой», и её размер увеличивается приблизительно в 100 раз.
Звезда становится красным гигантом, а фаза горения гелия продолжается около нескольких миллионов лет.
То, что происходит далее также зависит от массы звезды.
У звезд средней величины реакция термоядерного сжигания гелия может приводить к взрывному сбросу внешних слоев звезды с образованием из них планетарной туманности. Ядро звезды, в котором прекращаются термоядерные реакции, остывая, превращается в гелиевый белый карлик, как правило, имеющий массу до 0,5—0,6 Солнечных масс и диаметр порядка диаметра Земли.
Для массивных и сверхмассивных звезд (с массой от пяти Солнечных масс и более) происходящие в их ядре процессы по мере нарастания гравитационного сжатия приводят к взрыву сверхновой звезды с выделением огромной энергии. Взрыв сопровождается выбросом значительной массы вещества звезды в межзвёздное пространство. Это вещество в дальнейшем участвует в образовании новых звёзд, планет или спутников. Именно благодаря сверхновым Вселенная в целом и каждая галактика в частности, химически эволюционирует. Оставшееся после взрыва ядро звезды может закончить свою эволюцию как нейтронная звезда (пульсар), если масса звезды на поздних стадиях превышает предел 1,44 Солнечной массы, либо как чёрная дыра, если масса звезды превышает предел Оппенгеймера – Волкова (оценочные значения 2,5-3 Солнечных масс).
Процесс звездной эволюции во Вселенной непрерывен и цикличен – угасают старые звезды, на смену им зажигаются новые.
По современным научным представлениям, из звездного вещества образовались элементы, необходимые для возникновения планет и жизни на Земле. Хотя единой общепринятой точки зрения на то, как возникла жизнь,
ТЕСТ 1. Какие из этих звезд светят дольше всех? A. Гиганты спектрального класса О. 2. Звезды какого спектрального класса имеют самую краткую жизнь? А. А. 3. Какой космический объект называют пульсаром? А. Красный гигант. 4. Термин «новая звезда» означает: A. В космосе образовалась молодая звезда. 5. В будущем Солнце может превратиться: А. В черную дыру. 6. Когда параметры звезды остаются постоянными? 7. Какие звезды светят дольше всего? 8. Сколько времени может светить Солнце в состоянии равновесия? 9. Как гибнут звезды большой массы? 10. Может ли звезда красный карлик превратиться в белый карлик? |
УРОК №31
08.02.2023г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. ТЕМА «Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности»
Звезды — наиболее часто встречающиеся тела во Вселенной. Многие астрофизики посвящают свою жизнь их изучению. При этом все светила настолько удалены от нашей планеты, что о непосредственном их исследовании пока приходится лишь мечтать. Только Солнце доступно для постоянного наблюдения на сравнительно небольшом расстоянии. Однако и в случае центрального светила нашей планетной системы большинство параметров получаются из вычислений, основанных на теориях и лишь косвенно подтверждающихся наблюдениями.
Внутреннее строение солнца.
Термоядерный котел.
Модель внутреннего строения Солнца сформирована благодаря данным наблюдения, теоретического анализа, спектроскопии и другим методам астрономии. На основе собранной таким образом информации определяются характеристики звезды. Выведенные закономерности и созданные теории существуют до тех пор, пока они хорошо объясняют видимые изменения, происходящие со светилом и другими аналогичными звездами главной последовательности. Согласно современным представлениям основным источником солнечного излучения являются термоядерные реакции, постоянно протекающие в его ядре. При крайне высоких температурах (14 млн кельвинов) происходит преобразование водорода в гелий. При этом выделяется внушительное количество энергии.
Слои внутреннее строение солнца и звезд главной последовательности
Близкие по структуре
Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности схоже.
Оно несколько отличается в случае голубых звезд и красных карликов. Для первых характерны конвективное ядро и достаточно протяженная зона лучистого переноса (изотермическая). Красные карлики по последовательности расположения слоев схожи со звездами типа Солнца. Однако у них доминирует зона конвекции, а лучистый перенос занимает лишь сравнительно небольшой участок
Привычной для нас поверхности у Солнца нет. Оно, как и все звезды, представляет собой светящийся газовый шар. Поверхность выделяется условно и разграничивает конвективную зону светила и его атмосферу.
АТМОСФЕРА
В ней также выделяют три слоя. Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности, схожих с ним, заканчивается зоной конвекции. Она непосредственно граничит с фотосферой, 300-метровым слоем, откуда излучение устремляется в космос, в том числе к Земле. Средняя температура этой части — 5800 К. По мере удаления от конвективного слоя она падает до значения в 4800 К. Фотосфера сильно разрежена. Ее плотность в тысячу раз меньше аналогичного параметра воздуха на Земле. Постепенно она перетекает в хромосферу, за которой располагается корона Солнца.
Состав атмосферы
Содержание тех или иных элементов во внешних оболочках светила определяется при помощи спектрального анализа. Его данные показывают, что по химическому составу атмосферы Солнце аналогично звездам второго поколения (они образовались в течение последних нескольких миллиардов лет). В отличие от своих предшественников они характеризуются гораздо большей концентрацией атомов элементов, тяжелее водорода и гелия. Солнце и аналогичные ему светила сформировались после разрушения части звезд первого поколения, в недрах которых в процессе термоядерного синтеза и образовались тяжелые элементы.
Хромосфера
Внутреннее строение Солнца и звезд недоступно для непосредственного наблюдения. То же можно сказать и о следующей за фотосферой воздушной оболочкой светила. Значительная яркость позволяет увидеть ее только во время полного солнечного затмения. Эта оболочка носит название «хромосфера», что в переводе означает «окрашенная сфера». В тот момент, когда Луна загораживает собой Солнце, она приобретает розоватый оттенок, появлению которого способствует водород. Именно этот элемент составляет внушительную часть сильно разреженной хромосферы. Температура здесь выше, чем на предыдущем слое. Такое явление объясняется понижением плотности вещества. В верхних слоях хромосферы температура достигает 50 тысяч кельвинов.
Корона
Линия спектра водорода перестает быть различимой на высоте 12 тысяч километров над фотосферой. Чуть дальше заметен след кальция. Его линия спектра исчезает еще через 2 000 км. Высоту в 14 000 км над фотосферой принято считать началом короны, третьей внешней оболочки нашего светила. Чем выше от условной поверхности Солнца, тем менее плотным становится воздух и значительнее температуры.
Корона, представляющая собой разреженную плазму, разогревается до 2 млн кельвинов. В результате этого вещество области становится постоянным мощным источником рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Исследования показывают, что протяженность короны составляет 30 солнечных радиусов. Чем дальше от хромосферы, тем менее плотной она становится. Последний ее слой перетекает в космическое пространство, образуя солнечный ветер.
Будущее
Внутреннее строение Солнца, как его видят сегодня ученые, будет таким не вечно. Рано или поздно, по прогнозам примерно через 5 млрд лет, светило исчерпает запас топлива. В результате внутреннее строение Солнца сильно поменяется: ядро сожмется до размеров, в 100 раз меньших современных габаритов светила, а его остальные оболочки превратятся в медленно остывающую атмосферу. Наша звезда войдет в стадию красного гиганта. Еще через несколько десятков тысяч лет расширившаяся оболочка Солнца рассеется в космическом пространстве и светило превратится в белого карлика.
Выбрать один правильный ответ
1. Зоны Солнца от центра:
А. ядро, фотосфера, зона лучистого переноса
Б. ядро, фотосфера, конвективная зона
В. ядро, конвективная зона, зона лучистого переноса
Г. ядро, зона лучистого переноса, конвективная зона
2. Слои солнечной атмосферы, начиная с самого глубокого:
А. фотосфера, хромосфера, корона
Б. хромосфера, фотосфера, корона
В. фотосфера, корона, хромосфера
Г. корона, фотосфера, хромосфера
3. Внешняя оболочка Солнца называется…
А. фотосфера
Б. хромосфера
В. корона
4. Видимая поверхность Солнца называется…
А. фотосфера
Б. хромосфера
В. корона
5. Наиболее распространены на Солнце химические элементы…
А. кислород и гелий Б. водород и гелий
В. водород и кислород Г. азот и кислород
6. Температура в центре Солнца достигает…
А. 6 000 К Б. 1 500 К
В. 15 000 К Г. 15 000 000 К
7. Температура поверхности Солнца достигает…
А. 6 000 К Б. 1 500 К
В. 15 000 К Г. 15 000 000 К
8. Возраст Солнца составляет примерно…
А. 3 миллиарда лет Б. 7,2 миллиарда лет
В. 4,5 миллиарда лет Г. 10 миллиардов лет
8. Солнце относится к классу…
А. Белый карлик Б. Красный карлик
В. Желтый карлик Г. Желтый гигант Д. Голубой гигант
9. Последний этап жизненного цикла Солнца…
А. Черная дыра Б. Нейтронная звезда
В. Белый карлик Г. Красный гигант
УРОК №30
07 .02.2023г. ГРУППА 303. АСТРОНОМИЯ. ТЕМА "ЗВЁЗДЫ.Основные характеристики звезд»
Диаграмма «спектр — светимость».
Как и Солнце, звезды освещают Землю, но из-за огромного расстояния до них освещенность, которую они создают на Земле, на много порядков меньше солнечной. По этой причине и возникают технические проблемы при измерениях освещенности от звезд. Астрономы строят гигантские телескопы, чтобы уловить слабые излучения звезд. Чем больше диаметр объектива телескопа, тем более слабые звезды можно с его помощью исследовать.
Измерения показали, что, например, Полярная звезда создает освещенность на поверхности Земли Е = 3,8 • 10-9 Вт/м2, что в 370 млр раз меньше освещенности, создаваемой Солнцем. Расстояние до Полярной звезды составляет 200 пк, или около 650 св. лет (r = б • 1018 м). Поэтому светимость Полярной звезды Lп = 4πr2Е = 4 • 3,14 х (6 • 1018 м)2 • 3,8 • 10-9 Вт/м2 = 9,1 • 1029 Вт = 4600 L. Как видим, несмотря на малую видимую яркость этой звезды, ее светимость в 4600 раз превышает солнечную.
Измерения показали, что среди звезд встречаются звезды в сотни тысяч раз более мощные, чем Солнце, и звезды со светимостями в десятки тысяч раз меньшими, чем у Солнца. Измерения температур поверхности звезд показали, что температура поверхности звезды определяет ее видимый цвет и наличие спектральных линий поглощения тех или иных химических элементов в ее спектре.
Так, Сириус сияет белым цветом и его температура равна почти 10 000 К. Звезда Бетельгейзе (α Ориона) имеет красный цвет и температуру поверхности около 3500 К.
Солнце желтого цвета имеет температуру 6000 К.
По температуре, по цвету и виду спектра все звезды разбили на спектральные классы, которые обозначаются буквами О, В, A, F, G, К, М. Спектральная классификация звезд приведена ниже в таблице.
Главная последовательность
На нее ложатся параметры большинства звезд. К звездам главной последовательности относится и наше Солнце. Плотности звезд главной последовательности сравнимы с солнечной плотностью.
Красные гиганты
К этой группе в основном относятся звезды красного цвета с радиусами, в десятки раз превышающими солнечный, например звезда Арктур (α Волопаса), радиус которой превышает солнечный в 25 раз, а светимость — в 140 раз.
Сверхгиганты
Это звезды со светимостями, в десятки и сотни тысяч раз превышающими солнечную. Радиусы этих звезд в сотни раз превышают радиус Солнца. К сверхгигантам красного цвета относится Бетельгейзе (а Ориона). При массе примерно в 15 раз больше солнечной ее радиус превышает солнечный почти в 1000 раз. Средняя плотность этой звезды составляет всего 2 • 10-11 кг/м3, что более чем в 1 000 000 раз меньше плотности воздуха.
Белые карлики
Это группа звезд в основном белого цвета со светимостями в сотни и тысячи раз меньше солнечной. Они расположены слева внизу диаграммы. Эти звезды имеют радиусы почти в сто раз меньше солнечного и по размерам сравнимы с планетами. Примером белого карлика служит звезда Сириус В — спутник Сириуса. При массе, почти равной солнечной, и размере, в 2,5 раза большем, чем размер Земли, эта звезда имеет гигантскую среднюю плотность — ρ = 3 • 108 кг/м3.
Чтобы понять, чем объясняются наблюдаемые отличия звезд разных групп, вспомним связь между светимостью, температурой и радиусом звезды, которую мы использовали для определения температуры Солнца.
Сравним две звезды спектрального класса К, одна — главной последовательности (ГП), другая — красный гигант (КГ). У них одинаковая температура — Т = 4500 К, а светимости отличаются в тысячу раз: т. е. красные гиганты в десятки раз больше по размерам, чем звезды главной последовательности.
Массы звезд удалось измерить только у звезд, входящих в состав двойных систем. И они определялись по параметрам орбит звезд и периоду их обращения вокруг друг друга с использованием третьего обобщенного закона Кеплера. Оказалось, что массы всех звезд лежат в пределах 0,05М ≤ М ≤ 100М Для звезд главной последовательности имеется связь между массой звезды и ее светимостью: чем больше масса звезды, тем больше ее светимость. Так, звезда спектрального класса В имеет массу около М ≈ 20М и ее светимость почти в 100 000 раз больше солнечной.
Источник энергии Солнца и звезд.
По современным представлениям, источником энергии, поддерживающим излучения Солнца и звезд, служит ядерная энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях образования (синтеза) ядер атомов гелия из ядер атомов водорода. При реакции синтеза из четырех ядер атомов водорода (четырех протонов) образуется ядро атома гелия, при этом выделяется энергия ΔЕ = 4,8 • 10-12 Дж, называемая энергией связи, две элементарные частицы нейтрино и два позитрона
Для протекания ядерных реакций необходима температура выше нескольких миллионов кельвинов, при которой участвующие в реакции протоны с одинаковыми зарядами смогли бы получить достаточную энергию для взаимного сближения, преодоления электрических сил отталкивания и слияния в одно новое ядро. В результате термоядерных реакций синтеза из водорода массой 1 кг образуется гелий массой 0,99 кг, дефект масс Δm = 0,01 кг и выделяется энергия q = Δmc2 = 9 • 1014 Дж. Теперь можно оценить, на сколько времени хватит у Солнца запасов водорода, чтобы поддерживать наблюдаемое свечение Солнца, т. е. время жизни Солнца.
Если учесть, что Солнце состоит по крайней мере на 70% из водорода и ядерные реакции протекают только в центре, в солнечном ядре, масса которого составляет около 0,1М и где температура достаточно высокая для протекания термоядерных реакций, то время жизни Солнца и звезд, похожих на Солнце, составит t ≈ 1010 лет. Солнце, по современным данным, существует уже около 5 млрд лет, так что ему еще жить и жить! Термоядерные реакции синтеза гелия из водорода являются источником энергии звезд главной последовательности. Определение спектров, цвета, температуры, светимости и масс звезд позволили классифицировать их по спектральным классам и обнаружить связь между спектральным классом и светимостью звезд, а также связь между их массой и светимостью.
ЗАДАНИЕ: Ответьте на вопросы теста
1 От чего зависит видимый свет звезды?
- от расстояния до Земли
- от температуры поверхности звезды
- от наличия спектральных линий
2. Как светом сияет Сириус?
Жёлтый
Белый
Красный
3. Во сколько раз освещение, создаваемое Полярной звездой, меньше освещения, создаваемого Солнцем?
В 1000 млрд. раз
В 2000 млрд. раз
В 3000 млрд. раз
4. Какие звёзды не относятся к группе красных гигантов?
Солнце
Арктур
Бетельгейзе
5. Какая из звёзд относится к группе красных гигантов?
Солнце
Арктур
Бетельгейзе
6. Какой закон используется при вычислении масс звёзд?
Закон Кеплера
Закон Браге
Закон Бертрана
7. Какая средняя температура поверхности Солнца?
10000 К
6000 К
3000 К
8. Какая группа звёзд включает в себя звёзды со светимостью в сотни и тысячи раз меньше светимости Солнца?
Белые карлики
Красные карлики
Главная последовательность
9. Какая из звёзд относится к группе сверхгигантов:
Солнце
Арктур
Бетельгейзе
УРОК №29
03.02.2023г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. ТЕМА «СОЛНЦЕ»
Основные характеристики Солнца
Солнце — лишь одна из бесчисленного множества звезд, существующих в природе. Благодаря близости Земли к Солнцу мы имеем возможность изучать происходящие на нем процессы и по ним судить об аналогичных процессах в звездах, непосредственно не видимых из-за колоссального их удаления.
Шарообразное Солнце представляется нам светящимся диском. Видимая поверхность Солнца называется фотосферой, ее радиус считается радиусом Солнца. На среднем расстоянии от Солнца до Земли угол, под которым виден радиус фотосферы θ = 16', поэтому линейный радиус Солнца R = 700 000 км, что в 109 раз превышает радиус Земли. Масса Солнца определяется по движению Земли вокруг Солнца и третьему обобщенному закону Кеплера. Период обращения Земли вокруг Солнца. - 3,2 • 107 с.
Ускорение свободного падения на поверхности Солнца в 28 раз больше, чем на поверхности Земли, и равно 274 м/с2.
На фотографических снимках Солнца часто видны темные пятна, возникающие в его фотосфере. Если в течение нескольких дней следить за пятнами, то можно заметить их перемещение, что указывает на вращение Солнца вокруг оси. Такие наблюдения показали, что Солнце вращается не как твердое тело. Период его обращения вокруг оси вблизи экватора составляет 25 сут., а вблизи полюса — 30 сут. Линейная скорость вращения Солнца на экваторе составляет 2 км/с.
Измерение освещенности, которую создает Солнце на Земле, показало, что на земную поверхность площадью в 1 м2, расположенную перпендикулярно к солнечным лучам, ежесекундно поступает от Солнца энергия, равная 1370 Дж. Эта величина получила название солнечной постоянной E = 1,37 кВт/м2. На долю Земли приходится всего лишь одна двухсотмиллиардная доля энергии, излучаемой Солнцем, но и ее достаточно для расцвета и многообразия жизни на нашей планете.
Судить о температуре Солнца (и звезд) мы можем только по его (их) излучению. Солнце является источником излучения различных длин волн — от длинноволнового радио- до коротковолнового рентгеновского и гамма-излучения. В спектре Солнца в видимом диапазоне длин волн, полученном с помощью спектрографа, видно, что на фоне непрерывного спектра видны линии поглощения различных химических элементов.
По наличию спектральных линий астрономы определяют химический состав Солнца. Оказалось, что Солнце почти на 71% состоит из водорода, 27% составляет гелий, на остальные химические элементы приходится около 2% массы.
Астрономы предполагают, что излучение Солнца близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела, законы излучения которого хорошо известны.. Отсюда следует, что температуру солнечной фотосферы считают близкой к 6000 К.
Строение солнечной атмосферы
Все виды излучений, которые мы воспринимаем от Солнца, образуются в его самых верхних слоях, в атмосфере. Самый глубокий и плотный слой атмосферы — фотосфера — имеет толщину около 200 км, плотность вещества в ней составляет 10-5 кг/м3, что значительно меньше плотности земной атмосферы. Несмотря на малое значение толщины и плотности, фотосфера непрозрачна для всех видов излучений, образующихся в более глубоких слоях Солнца, поэтому мы не можем заглянуть в его подфотосферные слои. В фотосфере видна зернистая структура, получившая название грануляции.
. На ярком фоне фотосферы наблюдаются темные пятна. Размеры солнечных пятен могут превышать 10 000 км! Такие крупные пятна хорошо видны даже невооруженным глазом (конечно, только сквозь темный светофильтр). На фоне ослепительно яркой фотосферы пятно кажется нам черным. Однако измерения показали, что яркость пятен в 5—10 раз меньше яркости окружающей фотосферы, а их реальный цвет — красноватый. По этим измерениям оказалось, что температура пятен около 4000 К. Наблюдения показали наличие сильного магнитного поля в пятнах.
Внешняя часть солнечной атмосферы — корона имеет вид лучистого жемчужного сияния, яркость которого в миллион раз меньше яркости фотосферы. Солнечная корона прослеживается до расстояний в десять и более радиусов Солнца. Солнечная корона нагрета до температуры около 2 • 106 К. При такой температуре вещество короны представляет собой полностью ионизованную плазму, излучающую в рентгеновском диапазоне. И действительно, при наблюдениях в рентгеновские телескопы, которые установлены на космических астрономических обсерваториях за пределами земной атмосферы, солнечная корона представляется в полной красе, в то время как поверхность Солнца (фотосфера) практически не видна.
Во время полных солнечных затмений на краю Солнца, во внутренних слоях солнечной короны, наблюдаются протуберанцы — струи горячего вещества, имеющие вид выступов и фонтанов. Некоторые из них — спокойные протуберанцы — в течение многих часов висят над солнечной поверхностью, другие — эруптивные (взрывные) — внезапно с огромной скоростью взлетают над поверхностью, быстро поднимаются до высоты в десятки и даже сотни тысяч километров и так же быстро падают вниз.
Из короны в межпланетное пространство истекает непрерывный поток частиц (протонов, ядер гелия, ионов, электронов), называемый солнечным ветром. Частицы солнечного ветра покидают солнечную корону со скоростью около 800 км/с, поэтому солнечное притяжение не может их удержать. Вблизи Земли скорость солнечного ветра достигает 500 км/с.
Солнечная активность
Количество солнечных пятен меняется с периодом около 11 лет. На рисунке показано наблюдаемое изменение числа пятен на Солнце с начала XVII в. Когда наблюдается максимальное число пятен, то говорят о максимуме солнечной активности. В годы максимума солнечной активности значительно возрастает число мощных протуберанцев, в такт с солнечной активностью меняется и форма солнечной короны. Одним из самых значительных проявлений солнечной активности являются солнечные вспышки, во время которых выделяется колоссальная энергия — в течение десятка минут выделяется энергия до 1025 Дж. Наблюдения со спутников установили, что во время солнечных вспышек происходит резкое увеличение ультрафиолетового излучения, появляется мощное рентгеновское и гамма-излучение.
Датчики быстрых заряженных частиц, установленные на искусственных спутниках, показали, что при мощных солнечных вспышках в межпланетное пространство выбрасываются с огромными скоростями, иногда доходящими до 100 000 км/с, мириады частиц, обладающих большой кинетической энергией и получивших название солнечных космических лучей. Их основной состав — ядра атомов водорода, гелия, а также электроны. Вспышки и другие проявления солнечной активности оказывают значительное влияние на физические условия в земной атмосфере и околоземном космическом пространстве и, как следствие, на биологические явления.
Астрономы не только взвесили Солнце, но и измерили температуру его поверхности и светимость. Наземные и космические исследования позволили изучить солнечную атмосферу и обнаружить проявления солнечной активности.
Тест по теме «СОЛНЦЕ»
Вариант 1.
1. Укажите солнечные явления, определения которых даны:
А. В фотосфере яркая область, окружающая солнечное пятно, которая появляется на спектрогелиограмме.
Б. Светлые фотосферные пятна, которые выглядят как рисовые зёрна.
В. Тёмные, относительно холодные области на яркой фотосфере.
Г. Массы яркого газа, как пламя, поднимающиеся на сотни тысяч километров над нимбом Солнца.
Д. Огромные, короткоживущие, взрывчатые выбросы света и вещества.
1. Вспышка; 2. Гранулы; 3. Флоккул; 4. Протуберанцы; 5. Пятна;
2. Масса Солнца от всей массы Солнечной системы составляет…
А. 99,866%; Б. 31, 31%; В. 1, 9891 %; Г. 27,4 %.
3. Солнце состоит из водорода на …
А. 71%; Б. 27%; В. 2%; Г. 85%.
4. В центре Солнца находится…
А. зона термоядерных реакции (ядро);
Б. зона переноса лучистой энергии;
В. конвективная зона;
Г. атмосфера..
5. Температуру на Солнце можно определить при помощи:
А. термометра; Б. законов Кеплера; В. спектра Солнца;
Г. закона всемирного тяготения; Д. закона Гука.
6.. Температура в пятнах снижается потому что:
А. Солнце гаснет;
Б. на Солнце заканчивается ядерное топливо;
В. Магнитное поле в пятнах тормозит конвекцию;
Г. в пятнах возникает черная дыра;
Д. в пятнах плавают куски урана;
7.Источником энергии в ядре Солнца являются термоядерные реакции, в которых “топливом” служит:
А. уран; Б. радий; В. плутоний; Г.водород; Д. гелий;
10. Количество солнечных пятен меняется с периодом:
А. 5 лет; Б. 3 года; В. 11 лет; Г. 19 лет; Д. 22 года;
8.Температура солнечной короны достигает:
А. 2 000 000 К; Б. 20 000 К; В. 10 000 К; Г. 6 000 К; Д. 2 000 К;
9.Какой слой Солнца является основным источником видимого излучения?
А. Хромосфера
Б. Фотосфера
В. Солнечная корона
.10. Какой слой Солнца является основным источником видимого излучения?
А. Хромосфера.
Б. Фотосфера.
В. Корона.
11. Хромосфера – это …
А. … это внешняя область Солнца, которую мы видим; это горячий, разреженный газовый слой, разогретый примерно 6000 К, из которого в космос излучается энергия.
Б. … это самая внутренняя часть солнечной атмосферы, простирается на несколько тысяч километров и становится видимым с Земли только во время полного солнечного затмения, когда светит красным светом благодаря наличию там водорода.
В. … это внешняя атмосфера Солнца, расположенная над хромосферой, она содержит разреженный горячий газ, который простирается на миллионы километров от Солнца и становится прекрасно видимой во время полного солнечного затмения.
УРОК №28
26.12.2022г. ГРУППА 303. АСТРОНОМИЯ. ТЕМА «Малые тела Солнечной системы»
На этом уроке мы с вами выясним, какие небесные тела называются астероидами. Узнаем, что называют кометами и чем обусловлено образование их хвостов. Выясним, чем отличаются друг от друга метеоры, болиды и метеориты. А также познакомимся с природой происхождения «звёздных дождей».
К малым телам Солнечной системы относят астероиды, метеорные тела, кометы, тела пояса Койпера. Астероиды имеют размеры менее тысячи км. Более мелкие тела, чем астероиды, называются «метеороидами» или метеороидными телами, они могут иметь размеры порядка нескольких метров и даже меньше
Астероиды
Астероид – это небольшое планетоподобное тело Солнечной системы, размером от нескольких метров до тысячи километров, астероиды часто называют малыми планетами (но не карликовыми планетами!).
Метеорные тела
Чёткого разграничения между метеороидами (метеорными телами) и астероидами нет. Обычно метеороидами называют тела размерами менее сотни метров, а астероидами - более крупные. Совокупность метеороидов, ображающихся вокруг Солнца, образует метеорное вещество в межпланетном пространстве. Некоторая доля метеорных тал является остатком того вещества, из которого когда-то образовалась Солнечная система, некоторая – остатки постоянного разрушения комет, обломки астероидов.
Метеорное тело или метеороид – твёрдое межпланетное тело, которое при влете в атмосферу планеты вызывает явление метеора и иногда завершается падением на поверхность планеты метеорита.
Что обычно бывает, когда метеорное тело достигает поверхности Земли? Обычно ничего, так как из-за незначительных размеров метеорные тела сгорают в атмосфере Земли. Крупные скопления метеорных тел называется метеорным роем. Во время сближения метеорного роя с Землей наблюдаются метеорные потоки
Метеоры и болиды
Явление сгорания метеорного тела в атмосфере планеты называется метеором. Метеор – это кратковременная вспышка, след от сгорания проходит через несколько секунд.
За сутки в атмосфере Земли сгорает около 100000000 метеорных тел.
Если следы метеоров продолжить назад, то они пересекутся в одной точке, называемой радиантом метеорного потока.
Многие метеорные потоки являются периодическими, повторяются из года в год и названы по созвездиям, в которых лежат их радианты. Так, метеорный поток, наблюдаемый ежегодно примерно с 20 июля по 20 августа, назван Перcеидами, поскольку его радиант лежит в созвездии Персея. От созвездий Лиры и Льва получили соответственно свое название метеорные потоки Лириды (середина апреля) и Леониды (середина ноября).
Исключительно редко метеорные тела бывают сравнительно больших размеров, в этом случае говорят, что наблюдают болид. Очень яркие болиды видны и днём.
Метеориты
Если метеорное тело достаточно большое и не смогло полностью сгореть в атмосфере при падении, то оно выпадает на поверхность планеты. Такие упавшие на Землю или другое небесное тело метеорные тела называют метеоритами.
Самые массивные метеорные тела, имеющие большую скорость, выпадают на поверхность Земли с образованием кратера.
Кометы
Кометы – самые многочисленные, самые протяжённые и самые удивительные небесные тела Солнечной системы. Слово «комета» в переводе с греческого означает «волосатая», «длинноволосая». При сближении с Солнцем комета принимает эффектный вид, нагреваясь под действием солнечного тепла так, что газ и пыль улетают с поверхности, образуя яркий хвост. .
По мере приближения кометы к Солнцу, лёд ядра кометы начинает испаряться, потоки газа и пыли начинают выбрасываться в космос. Кома кометы и хвосты начинают образовываться на расстоянии от Солнца примерно 5 а. е. (орбита Юпитера).
Самостоятельная деятельность. Выберите любой вариант, укажите.
Малые тела Солнечной системы № 1 - 1
- Назовите три самых крупных астероида главного пояса астероидов и приведите их примерные размеры.
- Какие периодические кометы вы знаете? Каковы примерные их расстояния от Солнца?
- Можно ли наблюдать метеоры на Луне?
- Каков химический состав метеоритов?
Малые тела Солнечной системы № 2 - 1
- Где находятся орбиты большинства астероидов?
- От каких причин зависит видимая угловая длина кометных хвостов? Как отличить при наблюдении комету без хвоста от обычной туманности?
- Почему на астероидах отсутствует атмосфера?
- Найти большую полуось кометы Галлея, период обращения которой 76 лет
Малые тела Солнечной системы № 1 - 2
- Каково строение большинства комет? Каковы размеры хвостов комет и от чего эти размеры зависят
- Какой из известных астероидов удаляется от Солнца на наибольшее расстояние?
- Может ли комета, периодически возвращающаяся к Солнцу, вечно сохранять свой вид неизменным?
- Вычислите период обращения одной из самых короткопериодических комет - кометы Энке, если большая полуось ее орбиты 2,2 а.е.
Малые тела Солнечной системы №2- 2
- Сколько в настоящее время зарегистрировано карликовых планет?
- Как объяснить колебания блеска астероидов?
- Назовите яркие метеорные потоки, которые можно наблюдать в средних широтах. Как они связаны с орбитами разрушившихся комет?
4.Комета имеет период обращения 1000 лет. Найти её большую полуось. Что можно сказать о скорости кометы в афелии и в перигелии
и каменные метеориты
2) Тест
- Метеором называется явление, когда:
А. Звезды падают на Землю.
Б. Камень падает на Землю.
В. Пылинки сгорают в воздухе.
Г. Молнии наблюдаются в воздухе.
Д. Пыль выбрасывается в атмосферу.
- Из чего состоит ядро кометы?
А. Изо льда и пыли.
Б. Из железа.
В. Из камней.
Г. Из раскаленных газов.
Д. Из водяного пара.
- С какой наименьшей скоростью метеориты влетают в атмосферу Земли?
А. 1 м/с.
Б. 1 км/с.
В. 11,2 км/с.
Г. 22,2 км/с.
Д. 70 км/с.
Е. 100 км/с.
- С какой наибольшей скоростью метеорит может влететь в атмосферу Земли?
А. 1 м/с.
Б. 1 км/с.
В. 11,2 км/с.
Г. 22,2 км/с.
Д. 70 км/с.
Е. 100 км/с.
- Тунгусский метеорит называют загадочным потому, что:
А. Метеорит был космическим кораблем марсиан.
Б. На месте падения не выявлено метеоритного кратера.
В. В атмосфере произошла вспышка, напоминавшая взрыв ядерной бомбы.
Г. Метеорит был глыбой льда.
Д. После падения метеорита над Европой наблюдалось загадочное сияние в атмосфере и ночью не было видно звезд.
- Почему большинство астероидов имеют неправильную форму?
- Почему метеориты могут достигать поверхности Земли?
- Какое семейство астероидов может вызвать угрозу для Земли?
- Чем отличается метеор от метеорита?
- Хвост кометы обычно притягивается к Солнцу или отталкивается от него?
- Почему комета может изменить свою орбиту?
- Какой самый большой метеоритный кратер обнаружили на территории Украины?
- Вычислите свой вес на астероиде 1709 Украина, который имеет диаметр 20 км. Плотность астероида 3 г/см3.
УРОК №27
26.12.2022г. ГРУППА 303. АСТРОНОМИЯ ТЕМА «Планеты – гиганты»
Астрономы делят все планеты Солнечной системы на две большие группы – землеподобные планеты и планеты-гиганты. Под понятием планеты-гиганты подразумевают 4 планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Все они являются внешними планетами, что означает, что их орбита лежит дальше от Солнца, чем у планет Земной группы гиганты – это совсем другие небесные тела.
Общая характеристика газовых гигантов
Главное отличие планет-гигантов заключается в том, что у них нет привычной нам твердой поверхности. Они представляют собой огромные шары, состоящие по большей части из газов. По этой причине их часто называют газовыми гигантами. Получается, что человеку никогда не удастся пройтись по поверхности Юпитера или Сатурна так же, как по лунному грунту.
Однако всё же гиганты не состоят полностью из газов. Дело в том, что атмосфера по мере приближения к центру планеты становится всё более плотной, и в результате она переходит из газообразного состояния в жидкое. Однако четкой границы между океаном и атмосферой (как на Земле) у газовых гигантов нет. Кстати, состоит этот океан не из воды, а по большей части из жидкого водорода.
На ещё больших глубинах давление возрастает настолько высоко, что жидкий водород становится металлическим. Под слоем металлического водорода располагается ядро планеты, состоящее из предельно сжатых каменных пород.
Вторая важная особенность газовых гигантов – их огромные размеры. Самый маленький газовый гигант в Солнечной системе – это Нептун, чей средний радиус равен 24622 км.
Для сравнения – наибольшей землеподобной планетой является сама Земля, чей радиус составляет всего 6371 км. Различие в массах ещё больше – Нептун в 17 раз тяжелее Земли. Самым же большим газовым гигантом является Юпитер. Его радиус оценивается в 69911 км, а масса превосходит земную почти в 318 раз.Для Солнечной Системы характерно то, что все планеты-гиганты располагаются значительно дальше от центральной звезды, чем орбиты землеподобных планет. Если Марс, наиболее далекая от светила планета земной группы, никогда не удаляется от Солнца на расстояние, большее 250 млн км, то ближайший к звезде гигант, Юпитер, никогда не приближается к ней ближе, чем на 740 млн км. Вообще принято делить Солнечную систему на две области – внутреннюю, в которой расположены орбиты землеподобных планет, и внешнюю, где лежат орбиты гигантов.
Газовые гиганты отличаются тем, что день на них существенно короче, чем на Земле. Например, Юпитер совершает оборот вокруг своей оси примерно за 10 часов, а Нептун – за 16 часов. В то же время из-за большой удаленности от Солнца год на этих планетах длится очень долго. На Нептуне его продолжительность составляет 164 земных года. В результате один год на планетах-гигантах состоит из тысяч и даже десятков тысяч дней.
Планеты-гиганты обладают огромным количеством спутников. На 2020 г. известно о 79 спутниках Юпитера, 82 сателлитах у Сатурна, 27 лунах Урана и ещё о 14 нептунианских спутниках. В тоже время у 4 землеподобных планет в сумме есть только три сателлита: Луна (вращается вокруг Земли), Фобос и Деймос (принадлежат Марсу). Стоит отметить, что спутники газовых гигантов сильно отличаются по размеру, но крупнейшие из них (Ганимед и Титан) по своему радиусу превосход
Таблица «Сравнительная характеристика планет-гигантов»
Характеристики | Юпитер | Сатурн | Уран | Нептун |
Радиус | 69911 км | 58232 км | 25362 км | 24622 км |
Масса, в массах Земли (5,97•1024 кг) | 317,8 | 95,2 | 14,54 | 17,15 |
Период обращения вокруг собственной оси | 9,9 часа | 10,5 часа | 17,2 часа | 15,9 часа |
Период обращения вокруг Солнца | 11,86 года | 29,46 года | 84 года | 164,79 года |
Минимальное расстояние до Солнца (Перигелий) | 741 млн км | 1354 млн км | 2749 млн км | 4453 млн км |
Максимальное расстояние до Солнца (Афелий) | 817 млн км | 1513 млн км | 3004 млн км | 4554 млн км |
ЗАДАНИЕ : Выполните тест.
Тест по теме: "Планеты-гиганты"
1. К группе планет-гигантов относят:
- Юпитер, Марс, Плутон, Венера
- Меркурий, Венера, Земля, Марс
-Сатурн, Нептун, Юпитер, Уран
2. Отличительные особенности планет-гигантов:
- Резкие колебания положительных и отрицательных температур, большое количество спутников, проявления вулканизма, обилие гелия
-Большое количество спутников, очень низкие температуры, наличие колец, обилие водорода
- Низкие температуры, отсутствие колец и спутников, обилие водорода
3. Самая тяжелая планета Солнечной системы
- Нептун
-Юпитер
- Сатурн
4. Какая планета изображена на фото:
- Юпитер
- Марс
-Уран
5. Во сколько раз масса Юпитера больше массы Земли:
- В 3 раза
- В 31 раз
-В 318 раз
6. Планеты-гиганты характеризуются:
-Низкой средней плотностью, высокой скоростью вращения, большими размерами
- Низкой скоростью вращения, удаленностью от Солнца, большими размерами
- Высокой скоростью вращения, высокой плотностью, большими массами
7. Из чего состоят кольца Сатурна?
- Из газа и космической пыли
-Из миллиардов мелких ледяных и каменных обломков
- Из миллиардов крупных железо-каменных обломков
8. Какая планета изображена на фото?
-Сатурн
- Уран
- Юпитер
9. Во сколько раз масса Сатурна больше массы Земли?
-В 95 раз
- В 65 раз
- В 45 раз
10. Самый большой спутник Сатурна:
- Ганимед
-Титан
- Тритон
11. Сколько спутников у Нептуна?
- Четыре
-Восемь
- Двенадцать
12. В чем заключается особенность вращения Юпитера?
- Юпитер вращается как твердое сильно охлажденное тело
-Юпитер вращается как жидкое или газообразное тело
- Юпитер вращается как твердое раскаленное тело
13. Какая планета изображена на фото?
- Сатурн
- Венера
-Юпитер
14. Какова плотность планеты Нептун?
- 79 кг/м3
- 179 кг/м3
-1638 кг/м3
15. Особенности спутников Юпитера:
-Четыре крупных шарообразных спутника и множество мелких неправильной формы
- Все спутники имеют неправильную форму и размер 10-280 км
- Все спутники шарообразные, из них четыре самые крупны
16. Кто открыл кольцо Сатурна?
- Й. Кеплер
-Х.Гюйгенс
- Г.Галилей
17. Из чего состоит атмосфера Урана?
-Из водорода, гелия, метана, аммиака
- Из водорода, гелия, тяжелых металлов
- Из гелия, инертных газов
18. Как называется самый крупный спутник Нептуна?
- Титан
- Ганимед
-Тритон
19. Какие две планеты-гиганта имеют идентичные физические свойства?
- Юпитер и Нептун
- Сатурн и Юпитер
-Нептун и Уран
20. Какая планета изображена на фото?
- Уран
-Нептун
21. У какой планеты обнаружили кольцо только с помощью космического аппарата?
- Сатурна
-Юпитера
- Венеры
22. Как еще называют планеты-гиганты?
- Планеты группы Юпитера
-Внешние планеты
- Галилеевы планеты
23. Сколько всего колец открыли у Сатурна?
- 4
-7
- 12
24. Какая из планет-гигантов наиболее удалена от Солнца:
- Юпитер
-Нептун
- Уран
УРОК №26
19 .12.2022г. ГРУППА 303. АСТРОНОМИЯ. ТЕМА «Планеты земной группы « По своим физическим характеристикам планеты делятся на две группы – планеты земной группы и планеты – гиганты. Мы дадим обзор главных особенностей обеих групп планет, на основе чего вы сумеете дать описание каждой планеты.
Общая характеристика планет земной группы
Планеты, относящиеся к земной группе, - Меркурий, Венера, Земля, Марс – имеют небольшие размеры и массы, средняя плотность этих планет в несколько раз превосходит плотность воды; они медленно вращаются вокруг своих осей; у них мало спутников (у Меркурия и Венеры их вообще нет, у Марса – два крохотных, у Земля - один).
Сходство планет земной группы не исключает и значительного различия. Например, Венера, в отличие от других планет, вращается в направлении, обратном ее движению вокруг Солнца, причем в 243 раза медленее Земли (сравните продолжительность года и суток на Венере). Период обращения Меркурия (т.е. год этой планеты) только на 1/3 больше периода его вращения вокруг оси (по отношению к звездам). Углы наклона осей к плоскостям их орбит у Земли и у Марса примерно одинаковы, но совсем иные у Меркурия и Венеры. А вы знаете, что это одна из причин, определяющая характер смены времен года. Такие же, как у Земли, времена года есть, следовательно, на Марсе (правда, каждое время года почти в два раза продолжительнее, чем на Земле).
Не исключено, что по ряду физических характеристик к планетам земной группы относится и далекий Плутон – самая маленькая из 9 планет. Средний диаметр Плутона около 2260 км. Лишь вдвое меньше диаметр Харона – спутника Плутона. Поэтому не исключено, что система Плутон – Харон, как и система Земля – Луна, представляет собой “двойную планету”.
Атмосферы
Черты сходства и различия обнаруживаются также при изучении атмосфер планет земной группы. В отличие от Меркурия, который, как и Луна, практический лишен атмосферы, Венера и Марс обладают ею. Современные данные об атмосферах Венеры и Марса получены в результате полетов наших (“Венера”,”Марс”) и американских (“Пионер-Венера”,”Маринер”,”Викинг”) АМС. Сравнивая атмосферы Венеры и Марса с земной, мы видим, что, в отличие от азотно-кислородной земной атмосферы, Венера и Марс имеют атмосферы, в основном состоящие из углекислого газа. Давление у поверхности Венеры более чем в 90 раз больше, а у Марса почти в 150 раз меньше, чем у поверхности Земли.
Температура у поверхности Венеры очень высокая (около 500°С) и остается почти одинаковой. С чем это связано? На первый взгляд, кажется, с тем, что Венера ближе к Солнцу, чем Земля. Но, как показывают наблюдения, отражательная способность Венеры больше, чем у Земли, а потому Солнце примерно одинаково нагревает обе планеты. Высокая температура поверхности Венеры обусловлена парниковым эффектом. Он заключается в следующем: атмосфера Венеры пропускает лучи Солнца, которые нагревают поверхность. Нагретая поверхность становится источником инфракрасного излучения, которое не может покинуть планету, так как его задерживают содержащиеся в атмосфере Венеры углекислый газ и водяной пар, а также облачный покров планеты. В результате этого равновесие между притоком энергии и ее расходом в мирное пространство устанавливается при более высокой температуре, чем та, которая была бы у планеты, свободно пропускающей инфракрасное излучение.
Мы привыкли к земным облакам, состоящим из мелких капель воды или ледяных кристалликов. Состав облаков Венеры иной: они содержат капельки серной и, возможно, соляной кислоты. Облачный слой сильно ослабляет солнечный свет, но, как показали измерения, выполненные на АМС “Венера-11” и “Венера-12”, освещенность у поверхности Венеры примерно такая же, как у поверхности Земли в облачный день. Исследования, выполненные в 1982 г. АМС “Венера - 13” и “Венера-14”, показали, что небо Венеры и ее ландшафт имеют оранжевый цвет. Объясняется это особенностью рассеивания света в атмосфере этой планеты.
Газ в атмосферах планет земной группы находится в непрерывном движении. Нередко во время пылевых бурь, которые длятся на несколько месяцев, огромное количество пыли поднимается в атмосферу Марса. Ураганные ветры зафиксированы в атмосфере Венеры на высотах, где расположен облачный слой (от 50 до 70 км над поверхностью планеты), но вблизи поверхности этой планеты скорость ветра достигает всего лишь несколько метров в секунду.
Таким образом, несмотря на некоторое сходство, в целом атмосферы ближайших к Земле планет резко отличаются от атмосферы Земли. Это пример открытия, которое невозможно было предсказать. Здравый смысл подсказывал, что планеты со сходными физическими характеристиками (например, Землю и Венеру иногда называют “планетами-близнецами”) и примерно одинаково удаленные от Солнца должны иметь очень похожие атмосферы. На самом деле причина наблюдаемого различия связана с особенностями эволюции атмосфер каждой из планет земной группы.
Исследование атмосфер планет земной группы не только позволяет лучше понять свойства и историю происхождения земной атмосферы, но и имеет значение для решения экологической проблемы. Например, туманы – смоги, образующиеся в земной атмосфере в результате загрязнения воздуха, по своему составу очень напоминают венерианские облака. Эти облака, как и пылевые бури на Марсе, напоминают нам о том, что необходимо ограничивать выброс пыли и разного рода промышленных отходов в атмосферу нашей планеты, если мы хотим на длительное время сохранить на Земле условия, пригодные для существования и развития жизни. Пылевые бури, во время которых на протяжении нескольких месяцев в атмосфере Марса удерживаются и распространяются над громадными территориями тучи пыли, заставляют задуматься над некоторыми возможными экологическими последствиями ядерной войны.
Поверхности
Планеты земной группы, подобно Земле и Луне, имеют твердые поверхности. Наземные оптические наблюдения позволяют получить о них немного сведений, так как Меркурий трудно рассмотреть в телескоп даже во время элонгаций, поверхность Венеры скрыта от нас облаками. На Марсе даже во время великих противостояний (когда расстояние между Землей и Марсом минимальное – около 55 млн. км), происходящих один раз в 15 – 17 лет, в крупные телескопы удается рассмотреть детали размерами около 300 км. И все-таки в последние десятилетия удалось много узнать о поверхности Меркурия и Марса, а также получить представление о еще недавно совершенно загадочной поверхности Венеры. Это стало возможным благодаря успешным полетам автоматических межпланетных станций типа “Венера”, “Марс”, “Викинг”, “Маринер”, “Магеллан”, пролетавших вблизи планет или совершивших посадки на поверхность Венеры и Марса, и благодаря наземным радиолокационным наблюдениям.
Поверхность Меркурия, изобилующая кратерами, очень напоминает лунную. “Морей” там меньше, чем на Луне, причем они небольшие. Диаметр меркурианского Моря Зноя 1300 км, как и Моря Дождей на Луне. На десятки и сотни километров тянутся крутые уступы, вероятно, порожденные былой тектонической активностью Меркурия, когда смещались и надвигались поверхностные слои планеты. Как и на Луне, большинство кратеров образовались в результате падений метеоритов. Там, где кратеров немного, мы видим сравнительно молодые участки поверхности. Старые, разрушенные кратеры заметно отличаются от более молодых кратеров, хорошо сохранившихся.
Каменистая пустыня и множество отдельных камней видны на первых фототелевизионных панорамах, переданных с поверхности Венеры автоматическими станциями серии “Венера”. Радиолокационные наземные наблюдения обнаружили на этой планете множество неглубоких кратеров, диаметры которых от 30 до 700 км. В целом эта планета оказалась наиболее гладкой из всех планет земной группы, хотя и на ней есть большие горные массивы и протяжные возвышенности, вдвое превышающие по размерам земной Тибет. Грандиозен потухший вулкан Максвелл, его высота 12 км (в полтора раза больше Джомолунгмы), поперечник подошвы 1000 км, диаметр кратера на вершине 100 км. Очень велики, но меньше, чем Максвелл, вулканические конусы Гаусс и Герц. Подобно рифтовым ущельям, тянущимся по дну земных океанов, на Венере также обнаружены рифтовые зоны, свидетельствующие о том, что и на этой планете когда-то происходили (а может быть, происходят и сейчас!) активные процессы (например, вулканическая деятельность).
В 1983 – 1984 гг. со станций “Венера - 15” и “Венера - 16” проводились радиолокационные исследования, позволившие создать карту и атлас поверхности планеты (размеры деталей поверхности 1 – 2 км). Новый шаг в исследовании поверхности Венеры связан с применением более совершенной радиолокационной системы, установленной на борту американской АМС “Магеллан”. Этот космический аппарат достиг окрестности Венеры в августе 1990 г. и вышел на вытянутую эллиптическую орбиту. Регулярная съемка проводится с сентября 1990 г. На Землю передаются отчетливые изображения, на некоторых из них хорошо различимы детали размером до 120 м. К маю 1993 г. съемкой было охвачено почти 98% поверхности планеты. Планируется завершить эксперимент, включающий не только фотографирование Венеры, но и проведение других исследований (гравитационного поля, атмосферы и др.) в 1995 г.
Изобилует кратерами и поверхность Марса. Особенно много их в южном полушарии планеты. Темные области, занимающие значительную часть поверхности планеты, получили название морей (Эллада, Аргир и др.). Диаметры некоторых морей превышает 2000 км. Возвышенности, напоминающие земные континенты, представляющие собой светлые поля оранжево-красного цвета, названы материками (Фарсида, Элисиум). Как и на Венере, здесь есть огромные вулканические конусы. Высота наибольшего из них (Олимпа) превышает 25 км, диаметр кратера 90 км. Диаметр основания этой гигантской конусообразной горы более 500 км.
О том, что миллионы лет назад на Марсе происходили мощные вулканические извержения и смещались поверхностные пласты, свидетельствуют остатки лавовых потоков, огромные разломы поверхности (один из них – Маринер – тянется на 4000 км), многочисленные ущелья и каньоны. Возможно, что именно некоторые из этих образований (например, цепочки кратеров или протяженные ущелья) исследователи Марса еще 100 лет назад приняли за “каналы”, существование которых впоследствии долгое время пытались объяснить деятельностью разумных обитателей Марса.
Перестал быть загадкой и красный цвет Марса. Он объясняется тем, что грунт этой планеты содержит много глин, богатых железом.
С близкого расстояния неоднократно фотографировались спутники Марса и передавались панорамы поверхности “Красной планеты”.
Вы знаете, что почти 2/3 поверхности Земли занимают океаны. На поверхности Венеры и Меркурия воды нет. Открытые водоемы отсутствуют и на поверхности Марса. Но, как предполагают ученые, вода на Марсе должна быть, по крайней мере, в виде слоя льда, образующего полярные шапки, или как обширный слой вечной мерзлоты. Возможно, вы станете свидетелями открытия на Марсе запасов льда или даже находящейся подо льдом воды. О том, что вода когда-то была и на поверхности Марса, свидетельствуют обнаруженные там высохшие руслоподобные извилистые ложбины.
ЗАДАНИЕ. ВЫПОЛНИТЕ ТЕСТ
Тест "Планеты земной группы"
1. Наша Земля всегда находится в движении. Мы не замечаем этих процессов, потому что перемещаемся с одинаковой скоростью вместе с планетой. Но если бы эти движения отсутствовали, то тогда на Земле не возникли бы оптимальные условия для существования живых организмов. Чтобы справиться с заданием, надо назвать основные движения Земли и выбрать из предложенных вариантов одно их них:
- Вращение вокруг собственной оси.
- Движение относительно группы галактик.
- Легкое покачивание земной оси.
2. В земной группе состоят несколько планет, расположенных во внутренней области Солнечной системы. В этом они отличаются от планет-гигантов, находящихся во внешней части от Солнца. Все планеты земной группы имеют одинаковое строение: ядро, мантия, кора. Спутники присутствуют только у двух из них. Сколько небесных тел к планетам земной группы относятся?
- 6
- 5
4
3. Планеты земной группы имеют вторичные атмосферы, которые возникают в процессе вулканической и солнечной активности. В этом одно из их отличий от газовых гигантов, атмосфера которых первична и состоит в основном из водорода. Укажите планеты, относящиеся к земной группе:
- Венера, Земля, Меркурий, Марс
- Сатурн, Земля, Марс, Венера
- Юпитер, Уран, Нептун, Земля
4. Как называется промежуток времени, через который повторяются лунные затмения?
- Сарос
- Лунный год
- Год затмения
5. Что не является основной оболочкой Земли:
- Атмосфера
- Гидросфера
- Радиационная сфера
6. Эта планета земной группы имеет самую плотную атмосферу. В середине 19-го века астрономы попытались выяснить состав этой атмосферы, надеясь найти там кислород и водяной пар. Их ожидания не оправдались – планета с красивым именем окутана углекислым газом. Вращение вокруг своей оси она совершает с наименьшей скоростью, по сравнению с другими небесными телами группы. О какой планете идет речь?
- Венера
- Меркурий
- Марс
- Оксидом железа
7. Какая планета земной группы вращается в направлении, противоположном вращению Земли?
- Марс
- Венера
- Меркурий
8. Лунное затмение могут наблюдать все жители того полушария Земли, которое обращено в данный момент к Луне. В процессе затмения спутник Земли приобретает темно-красный цвет, потому как частично остается освещенным лучами Солнца. В давние времена вид «кровавой» Луны вселял великий страх в души людей. Как расположены небесные тела во время лунного затмения?
- Земля находится между Солнцем и Луной
- Луна располагается между Солнцем и Землей
- Луна развернута темной стороной к Земле
9. Содержание углекислого газа в атмосфере этой планеты земной группы чрезмерно высокое. Она поглощает огромное количество солнечной радиации, но из-за плотной атмосферы отдать выделяемое тепло не может. По этой причине планета считается самой горячей в Солнечной системе. Как ее название?
- Марс
- Венера
- Меркурий
10. Выберите из списка подходящую для Меркурия характеристику.
- Самая тяжелая планета
- Самая маленькая планета
- Газовый гигант
11. Солнце светит практически белым светом, но когда он достигает поверхности Земли, то приобретает желтоватый оттенок. Это происходит из-за того, что атмосфера Земли поглощает коротковолновую часть спектра солнечного света. Излучение Солнца формирует жизнь на Земле, и определяет климатические особенности. За какое время солнечный свет доходит до Земли?
- 8 минут
- 1 час
- 30 секунд
12. Земля совершает движение вокруг Солнца по эллиптической орбите, по этой причине расстояние между ними меняется на протяжении года. Когда Земля располагается ближе всего к Солнцу?
- Весной
Зимой
- Летом
13. Существует ли магнитное поле у Меркурия?
- Да
- Нет
- Невозможно определить
14. Венера считается «сестрой» Земли по сходству некоторых характеристик – массе и размерам. Как достаточно яркий объект в небе, эта планета приобрела важное влияние на культуру человечества. По имени какой древнеримской богини она получила свое название:
- Семейного счастья и домашнего очага
- Любви и красоты
- Утренней зари
15. Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите с неравномерной скоростью. Раз в месяц она приближается к нашей планете, проходя точку перигелия. И с такой же периодичностью отходит в самую дальнюю позицию на своей орбите – афелий. Какой физический закон описывает данную траекторию движения небесного тела?
Закон Кеплера
- Закон всемирного тяготения
- Закон Хаббла
16. Выберите из предложенных вариантов третью по удаленности от Солнца планету:
- Марс
- Земля
- Меркурий
17. Одну из планет земной группы проще увидеть в южных широтах, а не в северных. Причина в том, что планета не удаляется от Солнца более чем на 28 градусов. Наблюдать ее можно в первые два часа после захода Солнца или за пару часов до рассвета. По размерам эта планета чуть больше Луны, но плотность ее такая же, как у Земли. Как называется эта планета?
- Уран
- Меркурий
- Нептун
18. Название этим спутникам Марса дали по именам сыновей мифического бога войны, и в переводе на русский язык они означают «страх» и «ужас». Как называются спутники Марса?
- Фобос и Деймос
- Энцелад и Мимас
- Титан и Япет
19. Когда эта планета проходит по диску Солнца, то возникает оптический эффект – светящийся ореол по контуру данного небесного тела. Михаил Васильевич Ломоносов впервые заметил и правильно охарактеризовал это явление в 1761 году. С тех пор оно так и называется – «явление Ломоносова». Ореол образуется по причине преломления солнечных лучей в верхних слоях этой планеты земной группы. О какой планете идет речь?
- Марс
- Венера
- Меркурий
20. В какой очередности расположены планеты земной группы по направлению от Солнца?
- Меркурий, Венера, Земля, Марс
- Меркурий, Земля, Венера, Марс
- Марс, Венера, Меркурий, Земля
УРОК №25
19 .12.2022г. ГРУППА 303. АСТРОНОМИЯ. ТЕМА «Солнечная система. Земля, Луна»
Луна, Земля, Солнце — три важнейших небесных тела, определяющих существование человечества. Первое поддерживает стабильность вращения нашей планеты, влияет на приливы и отливы, второе — наш родной дом, а третье обеспечивает поступление к нам тепла и света.
Мы видим Луну в небе потому, что она отражает солнечный свет. Когда Земля проходит между Солнцем и Луной, солнечный свет перестаёт освещать лунную поверхность. Credit: store. temocenter.ru
Размеры Солнца и Луны Для понимания природы солнечных затмений нужно знать, во сколько раз Луна меньше Солнца. Диаметр центральной звезды нашей системы составляет 1,4 млн км, аналогичный параметр земного спутника — почти 3,5 тыс. км, разница составляет примерно 400 раз.
В то же время Луна находится ближе к Земле, почти в те же 400 раз (при нахождении этих объектов в некоторых точках относительно планеты): на расстоянии около 385 тыс. км, в то время как дистанция от нас до центра Солнечной системы равна 150 млн км.
И хотя светило расположено от нас намного дальше, чем спутник, земному наблюдателю они часто кажутся на небе равными по величине.
Это и есть объяснение солнечных затмений: спутник полностью или частично перекрывает собой Солнце.
Сравнение расстояния между Солнцем и Луной. Credit: V — kosmose. com
Смена лунных фаз
В разных положениях Солнца, Земли и Луны относительно друг друга светлую часть нашего спутника мы видим по-разному.
Части, освещенные светом центральной звезды, называются лунными фазами, это:
- новолуние;
- первая четверть;
- полнолуние;
- последняя четверть.
Иногда выделяют 2 промежуточные фазы: растущую (молодую) и убывающую (стареющую) луну.
Во время новолуния спутник земному наблюдателю не виден, потому что находится между планетой и Солнцем, и к планете обращена его темная сторона, не освещенная звездой. Некоторое свечение лунного диска в этот период все же можно заметить, оно имеет характерный пепельный оттенок, который небесному телу придает солнечный свет, отраженный от Земли.
Через два дня наступает фаза растущей луны, или неомения — это первое после новолуния появление объекта на небе, когда он имеет вид узкого серпа. С каждым днем он увеличивается в размерах и через 7 суток принимает вид полукруга, появляющегося вскоре после заката на западе или юго-западе.
Относительно светила Луна в этой фазе расположена на 90° в восточном направлении, ее видно только вечером и в первой половине ночи.
Через 2 недели после начала лунного цикла наступает полнолуние: Луна расположена в противостоянии с нашей звездой, в сторону Земли обращено все ее освещенное полушарие. Она восходит в момент захода солнца, видна всю ночь и заходит на рассвете.
Фазы лунного цикла. Credit: lunium. ru
Еще через неделю начинается фаза последней четверти: спутник имеет вид полукруга, видимого в восточной части неба во второй половине ночи и перед восходом.
Он будет постепенно уменьшаться в размерах и в последние дни примет вид тонкой буквы «С».
Все указанное справедливо для наблюдения из северного полушария Земли. В южном полушарии положения серпа и полукруга противоположные: букву «С» напоминает не убывающий, а растущий месяц.
Совсем иной вид спутник в разных фазах имеет на экваторе, там положение его освещенной части не вертикальное, а горизонтальное. Например, стареющая луна имеет вид узкой лодки, расположенной в нижней половине диска.
Для расчетов принята продолжительность каждой из 4 основных лунных фаз в 7,38 земных дней, но их фактическая длительность постоянно немного меняется из-за вытянутости орбиты спутника и непостоянства его орбитальной скорости.
Так как лунный месяц короче большинства земных (29,5 дней вместо 30 или 31), 1 раз в год в календарном месяце может случиться второе полнолуние. Это явление получило название «Голубая Луна».
Такое наименование обусловлено не изменением оттенка земного спутника, а происхождением из английского фразеологизма «Однажды при голубой луне», смысл которого можно трактовать как «После дождичка в четверг», т. е. никогда. Голубой цвет сателлит может принимать, но это явление крайне редкое и объясняется оптическим эффектом.
Орбитальные характеристики Луны, Земли и Солнца, схема взаимного вращения
Луна совершает 3 вида движений:
- вращается вокруг своей оси, совершая полный оборот примерно за 27,3 земных дней;
- обращается вокруг нашей планеты по эллиптической орбите с точно таким же (27,3 суток) периодом;
Схема связи между Землей и Луной. Credit: Spacegit. com
Равенство периодов собственного вращения и обращения Луны вокруг Земли объясняет, почему она всегда повернута к нам одной стороной.
Земля совершает 2 вида движения: вокруг своей оси и вокруг Солнца. В первом случае движение происходит в направлении с запада на восток, и это явление объясняет смену времени суток. На освещенной половине земного шара наблюдается день, а на обратном — ночь.
Каждый такой оборот называется сутками, он длится 23 часа 56 минут и несколько секунд, но для расчетов длительность этого периода принята равной 24 часа.
Вращение планеты вокруг Солнца происходит по эллиптической орбите, среднее расстояние от центральной звезды — около 149,6 млн км, орбитальная скорость — в среднем 29,8 км/с. При этом в перигелии (ближайшей к светилу точке) Земля движется быстрее, со скоростью более 30 км/с, а в самой удаленной позиции (афелии) — медленнее 29,3 км/с.
За время 1 полного витка вокруг Солнца планета делает 365,25 собственных оборотов — это количество дней в 1 астрономическом году. Календарный аналогичный период, в котором сутки приняты равными 24 часам, длится 365 дней, но через каждые 3 годовых срока в календарь добавляется четвертый особый — високосный, с дополнительным 366-м днем.
Солнце неподвижно относительно Земли, но оно также не стоит на месте, а вращается вокруг центра галактики, и 1 такой оборот занимает 220-230 млн лет.
ЗАДАНИЕ
1. Составить конспект по теме, ответив а вопросы
А) как движутся Земля и Луна?
Б) почему мы видим только оду сторону Луны?
В) какие фазы Луны различают?
Г) Что называется солнечным затмением? Когда оно наступает?
Д) сколько раз в году происходит солнечных затмений, лунных затмений?
Е) что называется циклом Сароса?
Ж) как объяснить приливные явления, вызванные Луной?
УРОК № 24
12.12.2022г. ГРУППА 303. АСТРОНОМИЯ. ТЕМА «ВИДИМОЕ ДВИЖЕНИЕ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ. ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА»
Темной ночью мы можем увидеть на небе около 2500 звезд (с учетом невидимого полушария 5000), которые отличаются по блеску и цвету. Кажется, что они прикреплены к небесной сфере и вместе с ней обращаются вокруг Земли. Чтобы ориентироваться среди них, небо разбили на 88 созвездий. Во II в. до н. э. Гиппарх разделил звезды по блеску на звездные величины, самые яркие он отнес к звездам первой величины (1m), а самые слабые, едва видимые невооруженным глазом, - к 6m. В созвездии звезды обозначаются греческими буквами, некоторые самые яркие звезды имеют собственные названия. Так, Полярная звезда – α Малой Медведицы имеет блеск 2m. Самая яркая звезда северного неба Вега – α Лиры имеет блеск около 0m.
особое место среди созвездий занимали 12 зодиакальных
В настоящее время для ориентации среди звезд астрономы используют различные системы небесных координат. Одна из них – экваториальная система координат (рис. 1). В ее основе лежит небесный экватор – проекция земного экватора на небесную сферу.
Эклиптика и экватор пересекаются в двух точках: весеннего (γ) и осеннего (d) равноденствия.
Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыбы, и она служит начальной точкой, от которой в направлении против часовой стрелки отсчитывается координата прямое восхождение, которую обычно обозначают буквой α. Эта координата является аналогом долготы в географических координатах. В астрономии принято прямое восхождение измерять в часовой мере, а не в градусной. При этом исходят из того, что полная окружность составляет 24 ч. Вторая координата светила δ – склонение – является аналогом широты, ее измеряют в градусной мере. Так, звезда Альтаир (α Орла) имеет координаты α = 19ч48м18с, склонение δ = +8°44'. Измеренные координаты звезд хранят в каталогах, по ним строят звездные карты, которые используют астрономы при поиске нужных светил.
Взаимное расположение звезд на небе не меняется, они совершают суточное вращение вместе с небесной сферой. Планеты наряду с суточным вращением совершают медленное движение среди звезд, оправдывая свое название (planetas в переводе с греческого – блуждающая звезда).
В
Наиболее просто видимое движение планет и Солнца описывается в системе отсчета, связанной с Солнцем. Такой подход получил название гелиоцентрической системы мира и был предложен польским астрономом Николаем Коперником (1473—1543).В этой системе суточное движение небесного свода объясняется вращением Земли вокруг оси, годичное движение Солнца по эклиптике – движением Земли вокруг Солнца, а описываемые планетами петли – сложением движений Земли и планет (см. рис. 2). Вокруг Земли движется только Луна. Коперник рассчитал расстояния планет до Солнца.
В астрономии среднее расстояние от Земли до Солнца принято за единицу расстояния и называется астрономической единицей (а. е.), 1 а. е. = 1,5 • 108 км. Так, Меркурий находится от Земли на расстоянии 0,39 а. е., а Сатурн – на расстоянии 9,54 а. е.
В античные времена и вплоть до Коперника полагали, что в центре Вселенной расположена Земля и все небесные тела обращаются по сложным траекториям вокруг нее. Эта система мира называется геоцентрической системой мира.
Если Земля обращается вокруг Солнца, то близкие звезды должны периодически смещаться на фоне более далеких звезд. Это смещение называется параллактическим, а угол π, под которым со звезды виден радиус земной орбиты, называется параллаксом. Как видно из рисунка 3, расстояние до звезды
Так как параллакс
звезд мал, мы заменили синус малого угла самим углом, выраженным в радианной мере, а затем перешли от радианной меры к градусной, учтя, что 1 рад = 206 265". В астрономии принято измерять расстояние до звезд в парсеках (пк).1 пк = 206 265 • а0 = 206 265 • 1,5 • 108 км = 3 • 1013 км.
.Только во второй половине XIX в. удалось измерить параллаксы и расстояния до звезд и тем самым подтвердить теорию Коперника наблюдениями. Так, ближайшая к нам звезда α Центавра имеет параллакс π = 0,751", поэтому расстояние до нее r = 1,33 пк = 4 • 1013 км.
Для определения положения звезд используются небесные экваториальные координаты. Сложное петлеобразное движение планет объясняется движением Земли и планет вокруг Солнца, а наблюдение годичного параллакса у звезд не только подтверждает обращение Земли вокруг Солнца, но и позволяет определять расстояния до них.
Законы Кеплера
Исходя из гелиоцентрической системы Н. Коперника, планеты движутся по круговым орбитам (считалось с древнейших времен – по окружности) и равномерно.
Но между предвычисленным и наблюдаемым положением планет существовало различие – это выявил австрийский астроном – основоположник теоретической астрономии Иоган Кеплер . Датский астроном И. Кеплер, изучая движение планет, открыл три закона их движения. На основании этих законов И. Ньютон вывел формулу для закона всемирного тяготения. В дальнейшем, используя законы механики, И. Ньютон решил задачу двух тел — вывел законы, по которым одно тело движется в поле тяготения другого тела. Он получил три обобщенных закона Кеплера.
Первый закон Кеплера
Под действием силы притяжения одно небесное тело движется в поле тяготения другого небесного тела по одному из конических сечений — кругу, эллипсу, параболе или гиперболе. Планеты движутся вокруг Солнца по эллиптической орбите (рис. 15.6).
Ближайшая точка орбиты называется перигелием, самая далекая — афелием. Линия, соединяющая какую-либо точку эллипса с фокусом, называется радиус-вектором. Отношение расстояния между фокусами к большой оси (к наибольшему диаметру) называется эксцентриситет. Эллипс тем сильнее вытянут, чем больше его эксцентриситет. Большая полуось эллипса а — среднее расстояние планеты до Солнца.
ПО эллиптическим орбитам движутся и кометы и астероиды. У окружности е = 0, у эллипса 0 < е < 1, у параболы е = 1, у гиперболы е > 1. Движение естественных и искусственных спутников вокруг планет, движение одной звезды вокруг другой в двойной системе также подчиняются этому первому обобщенному закону Кеплера.Второй закон Кеплера
Каждая планета движется так, что радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади.
Планета проходит путь от точки А до А' и от В до В' за одно и то же время. Другими словами, планета движется быстрее всего в перигелии, а медленнее всего — когда находится на наибольшем удалении (в афелии). Таким образом, второй закон Кеплера определяет скорость движения планеты. Она тем больше, чем планета ближе к Солнцу. Так, скорость кометы Галлея в перигелии равна 55 км/с, а в афелии 0,9 км/с.Третий закон Кеплера
Куб большой полуоси орбиты тела, деленный на квадрат периода его обращения и на сумму масс тел, есть величина постоянная.
Если Т — период обращения одного тела вокруг другого тела на среднем расстоянии а, то третий обобщенный закон Кеплера записывается как
а3/[Т2 (М1 + М2)] = G/4π2
где М1 и М2 — массы притягивающихся двух тел,
a G — гравитационная постоянная.
Для Солнечной системы масса Солнца массы любой планеты, и тогда Правая часть уравнения — постоянная для всех тел Солнечной системы, что и утверждает третий закон Кеплера, полученный ученым из наблюдений. Третий обобщенный закон Кеплера позволяет определять массы планет по движению их спутников, а массы двойных звезд — по элементам их орбит. Движение планет и других небесных тел вокруг Солнца под действием силы тяготения происходит по трем законам Кеплера.
Эти законы позволяют рассчитывать положения планет и определять их массы по движению спутников вокруг них.
ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ
1. Какие законы движения мы изучили?
2. На чем основывался Кеплер, открывая свои законы?
3. Что такое перигелий, афелий?
4. Когда Земля обладает наибольшей кинетической энергией, наименьшей?
5. Как найти эксцентриситет?
6. О каких периодах вращения синодических или сидерических идет речь в третьем законе Кеплера?
УРОК № 23
12.12.2022г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. Контрольная работа по теме «Ядерная физика»
Вариант 1
Инструкция по выполнению работы
Для выполнения работы отводится 45 минут. Работа состоит из 3 частей, включающих 12 заданий.
Часть А содержит 9 заданий (А1 – А9). К каждому заданию дается несколько вариантов ответа, из которых правильный только один.
Часть В содержит 2 задания (В1 – В2), на которые следует дать краткий ответ в виде числа. Значение искомой величины следует выразить в тех единицах физических величин, которые указаны в условии задания. Если такого указания нет, то значение величины следует записать в Международной системе единиц (СИ).
Часть С состоит из одного задания (С1), на которое требуется дать развернутый ответ.
А 1. - излучение представляет собой поток
1) ядер гелия 2) электронов 3) протонов 4) нейтронов
А 2. Чему равно число протонов в ядре
1) 92 2) 238 3) 146 4) 0
А3. Какой заряд имеет ядро согласно планетарной модели атома Резерфорда?
1) положительный 2) отрицательный 3)ядро заряда не имеет
А4. Под дефектом масс понимают разницу
между массой атома и массой его ядра
между массой атома и массой его электронной оболочки
между суммой масс всех нуклонов и массой ядра
между суммой масс всех нейтронов и массой протонов
А5. Периодом полураспада называется время, в течение которого
распадутся все радиоактивные ядра
распадется часть радиоактивных ядер
распадется половина радиоактивных ядер
распадется доля радиоактивных ядер
А6. Что используется в качестве горючего в ядерных реакторах?
уран 2)графит 3) бериллий 4) вода
А7. Торий
227 90Th может превратиться в радий Ra в результате-распада b одного
-распада a одного
-распадаa- и одного b одного
-кванта g -испускания
А8. Какая ядерная реакция может быть использована для получения цепной реакции деления?
243 0Cm + 1 0n -→ 4 1n 
+ 108 42Mo+ 132 54Xe12 6C →-63Li + 6 3Li227 90Th + 1 0n → 129 49
In + 99 41Nb243 96Cm → 108 43Tc + 53135 IА9. При бомбардировке бериллия α-частицами была получена новая частица.
Что это за частица?
1) нейтрон 2) протон 3) электрон
В1. Рассчитайте энергию связи ядра алюминия 13 Al . Масса атома 26,98146 а.е.м. Ответ выразите в МэВ и округлите до целого.
коэффициент взаимосвязи массы и энергии 931,5 МэВ/а.е.м.
масса протона 1,00728 а.е.м.
масса нейтрона 1,00867 а.е.м.
масса электрона 0,00055 а.е.м.
В2. Определите энергию, выделившуюся при протекании следующей реакции:
Ответ выразите в МэВ и округлите до целого
Масса атомов:
водорода
Н 1,00783 а.е.м.лития
Li 7,01601 а.е.м.гелия
He 4,0026 а.е.м.коэффициент взаимосвязи массы и энергии 931,5 МэВ/а.е.м.
С1. Найдите, какая доля атомов радиоактивного изотопа кобальта распадается за 144 дня, если период его полураспада 72 сут
УРОК №22
05.12.2022г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. ТЕМА «БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ»
Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,001 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.
Живая клетка — это сложный механизм, не способный продолжать нормальную деятельность даже при малых повреждениях отдельных его участков. Между тем и слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь). При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах. Механизм биологического действия излучения, поражающего объекты, еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов. Сильное влияние оказывает облучение на наследственность, поражая гены в хромосомах. В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным.
Облучение живых организмов может оказывать и определенную пользу. Быстроразмножающиеся клетки в злокачественных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли γ-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.
Доза излучения
Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной дозой излучения называется отношение поглощенной энергии Е ионизирующего излучения к массе m облучаемого вещества
В СИ поглощенную дозу излучения выражают в греях (сокращенно: Гр).1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:
Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около 2 • 10-3 Гр на человека. Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения 3—10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.Рентген
На практике широко используется внесистемная единица экспозиционной дозы излучения — рентген (сокращенно: Р).
Эта единица является мерой ионизирующей способности рентгеновского и гамма-излучений. Доза излучения равна одному рентгену (1 Р), если в 1 см3 сухого воздуха при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. образуется столько ионов, что их суммарный заряд каждого знака в отдельности равен 3 • 10-10 Кл. При этом получается примерно 2 • 109 пар ионов. Число образующихся ионов связано с поглощаемой веществом энергией. В практической дозиметрии можно считать 1 Р примерно эквивалентным поглощенной дозе излучения 0,01 Гр.
Характер воздействия излучения зависит не только от дозы поглощенного излучения, но и от его вида. Различие биологического воздействия видов излучения характеризуется коэффициентом качества k. За единицу принимается коэффициент качества рентгеновского и гамма-излучения. Самое большое значение коэффициента качества у α-частиц (k = 20), α-лучи являются самыми опасными, так как вызывают самые большие разрушения живых клеток. Для оценки действия излучения на живые организмы вводится специальная величина — эквивалентная доза поглощенного излучения. Это произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества:
Н = D • k.
Единица эквивалентной дозы - зиверт (Зв). 1 Зв — эквивалентная доза, при которой доза поглощенного гамма-излучения равна 1 Гр. Максимальное значение эквивалентной дозы, после которого происходит поражение организма, выражающееся в нарушении деления клетки или образовании новых клеток, 0,5 Зв. Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения за счет естественного радиационного фона (космические лучи, радиоактивные изотопы земной коры и т. д.) составляет 2 мЗв в год.
Защита организмов от излучения. При работе с любым источником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.
Самый простой метод защиты — это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.
В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, для защиты от излучения используют преграды из поглощающих материалов. Наиболее сложна защита от γ-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности.
Лучшим поглотителем γ-лучей является свинец.
Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием.
Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.
После аварии на Чернобыльской АЭС Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) по предложению нашей страны приняты рекомендации по дополнительным мерам безопасности энергетических реакторов. Установлены более строгие регламенты работ персонала АЭС. Авария на Чернобыльской АЭС показала огромную опасность радиоактивных излучений. Все люди должны иметь представление об этой опасности и мерах защиты от нее.
ЗАДАНИЕ
1. Ответить на вопросы:
А) что такое доза излучения?
Б) чему (в рентгенах ) равен естественный фон радиации?
В) чему равна предельно допустимая за год доза, полученная для лиц, работающих с радиоактивными препаратами?
2. Подготовьте на выбор реферат:
- Ядерная энергетика – достоинства и недостатки.
- Альтернативные источники энергии в сравнении АЭС.
УРОК №20-21
29.11.2022г. ГРУППА 303. Термоядерные реакции. Применение ядерной энерги
Ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (107- 108 К), называются термоядерными реакциями. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой. В этих реакциях ядрам, испытывающим взаимное кулоновское отталкивание, удается, преодолев соответствующий электростатический барьер, сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и совершить ту или иную экзоэнергетическую (т. е. сопровождающуюся выделением энергии) ядерную перестройку.
Под «выделением энергии» подразумевается выделение в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. Таким образом, относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в средней части периодической системы Менделеева, то наиболее типичным механизмом экзоэнергетической реакции является слияние (синтез) легчайших ядер в более тяжелые.
Ниже приведены несколько основных реакций слияния ядер и указаны для них значения энерговыделения Q. d означает дейтрон − ядро 2Н, t означает тритон − ядро 3Н.
d + d → t + p + 3.25 МэВ,
t + d → 4He + n + 17.6 МэВ,
3He + d → 4He + p + 18.3 МэВ.Термоядерные реакции во Вселенной
Термоядерные реакции в звездах являются основным источником энергии звезд и механизмом образования ядер химических элементов. Для нормальных звезд главным процессом является сгорание водорода и превращение его в гелий. Четыре протона через цепочку ядерных реакций превращаются в ядро гелия
Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности ≈100 г/см3 и температуре 107 К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (4Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ.
Углеродно-азотный цикл – последовательность термоядерных реакций в звездах с участием катализаторов, приводящая к образованию гелия из водорода.
Для звезд-гигантов с плотными, выгоревшими (по содержанию H) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы термоядерных реакций. Они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем PP–CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с T ≈ 200 млн. К, является т. н. процесс Солпитера (3α-реакция):
(процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро 8Be).Далее могут следовать реакции:
Если продукты реакции гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществляется неоновый (Ne – Na) цикл, в котором ядро 20Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу, только ядра 12C, 13N, 13C, 14N, 15O, 15N заменяются соответствующими ядрами 20Ne, 21Na, 21Ne, 22Na, 23Mg, 23Na. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Но он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеосинтеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (21Ne) может служить источником нейтронов:
На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени (10-7–10-6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:2Н + 3Н
При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.
В настоящее время ведутся работы по созданию термоядерного реактора, где ядерную энергию в промышленных масштабах предполагается получать за счёт управляемого термоядерного синтеза.Устройство для проведения термоядерных реакций – термоядерный реактор – находится в стадии разработки. Основное требование, которому должен удовлетворять реактор, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание реакции.
Типы термоядерных реакторов
К первому относятся реакторы, которым энергия от внешних источников необходима только для зажигания термоядерной реакции. Далее реакция поддерживается за счет выделяющейся в плазме энергии. Например, в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры (Т ≈ 8 кэВ или 108 К) расходуется энергия α-частиц (3,52 МэВ), образующихся в ходе реакций при их кулоновском торможении в плазме.
К другому типу реакторов относятся те, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в плазме в виде заряженных продуктов реакции, а необходима энергия от внешних источников. Такие реакторы принято называть реакторами с поддержанием горения термоядерных реакций. Это происходит в тех реакторах, где велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка.
ЗАДАНИЕ:
1. Что можно сказать о массе покоя при делении лёгких ядер?
2. При каких температурах происходит слияние лёгких ядер? (
3. Что такое термоядерная реакция?
4. Что необходимо для слияния ядер и как можно преодолеть кулоновское отталкивание ядер? (
5. Во сколько раз при слиянии дейтерия с тритием выделяется больше энергии, чем при делении урана )
6. Какое происхождение имеет энергия излучения Солнца и звёзд?
7. Чем сопровождаются термоядерные реакции?
8. Какая реакция является перспективной реакцией неисчерпаемого источника энергии? (
9. Какая энергия в этой реакции выделяется?
11. Как можно удержать плазму?
12. Какое ещё кроме энергетического преимущества есть при термоядерных реакциях?
13. Какую реакцию удалось осуществить?
28.11.2022г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ»
1. Что такое ядерная реакция?
2 В чем отличие ядерной реакции от химической?
3 Почему образовавшиеся ядра гелия разлетаются в противоположные стороны?
73Li + 11H → 42He + 42He
4. Является ли ядерной реакция испускания α –частицы ядром?
5. Допишите ядерные реакции:
o 94Be + 11H → 105B + ?
o 147N + ? → 146C + 11p
o 147N + 42He → ? + 11H
o 2713Al + 42He → 3015P + ? (1934 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри получили радиоактивный изотоп фосфора)
o ? + 42He → 3014Si +11
6. Определите энергетический выход ядерной реакции.
147N + 42He → 178O + 11H
Масса атома азота 14,003074 а.е.м., атома кислорода 16,999133а.е.м., атома гелия 4,002603 а.е.м., атома водорода 1,007825 а.е.м.
Самостоятельная работа
Вариант 1
1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:
1. алюминий (2713Al) захватывает нейтрон и испускает α-частицу;
2. азот (147N) бомбардируется α-частицами и испускает протон.
2. Закончите уравнение ядерных реакций:
1. 3517Cl + 10n → 11p +
2. 136C + 11p →
3. 73Li + 11p → 2
4. 105B + 42He → 10n +
5. 2412Mg + 42He → 2714Si +
6. 5626Fe + 10n → 5625Mn +
Ответы: а) 137N; б) 11p; в) 10n; г) 147N; д) 42He; е) 3516S
3. Определите энергетический выход реакций:
1. 73Li + 10n → 42He + 13H;
2. 94Be + 42He → 10n + 136C.
Вариант 2
1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:
1. фосфор(3115Р) захватывает нейтрон и испускает протон;
2. алюминий (2713Al) бомбардируется протонами и испускает α-частицу.
2. Закончите уравнение ядерных реакций:
1. 188О + 11p → 10n +
2. 115B + 42He → 10n +
3. 147N + 42He → 178О +
4. 126C + 10n → 94Be +
5. 2713Al + 42He → 3015Р +
6. 2411Na → 2412Mg + 0-1е +
Ответы: а) 42He; б) 189F; в) 147N; г) 10n; д) γ; е) 11p
3. Определите энергетический выход реакций:
1. 63Li + 11p → 42He + 32He;
2. 199F + 11p → 42He + 168O.
УРОК №18
Ядерная реакция– это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры A (a, b) B или А + а → В + b.
Что общего и в чем различие ядерной реакции и радиоактивного распада?
Общим признаком ядерной реакции и радиоактивного распада является превращение одного атомного ядра в другое.
Но радиоактивный распад происходит самопроизвольно, без внешнего воздействия, а ядерная реакция вызывается воздействием бомбардирующей частицы.
Виды ядерных реакций:
- через стадию образования составного ядра;
- прямая ядерная реакция (энергия больше 10 МэВ);
- под действием различных частиц: протонов, нейтронов, …;
- синтез ядер;
- деление ядер;
- с поглощением энергии и с выделением энергии.
Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
147N + 42He → 178O + 11H
Условия протекания ядерных реакций
Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией. Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы).
Первая реакция бомбардировки атомов быстрыми заряженными частицами была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
73Li + 11H → 42He + 42He
Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.
Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией.
Ускорители заряженных частиц (сообщение ученика)
Чтобы проникнуть в тайны микромира, человек изобрел микроскоп. Со временем выяснилось, что возможности оптических микроскопов весьма ограничены – они не позволяют «заглянуть» с глубь атомов. Для этих целей более подходящими оказались не световые лучи, а пучки заряженных частиц. Так, в знаменитых опытах Э.Резерфорда использовался поток α-частиц, испускаемых радиоактивным препаратами. Однако природные источники частиц (радиоактивные вещества) дают пучки очень малой интенсивности, энергия частиц оказывается относительно невысокой, к тому же эти источники неуправляемы. Поэтому возникла проблема создания искусственных источников ускоренных заряженных частиц. К ним относятся, в частности, электронные микроскопы, в которых используются пучки электронов с энергиями порядка 105 эВ.
В начале 30-х годов 20-го столетия появились первые ускорители заряженных частиц. В этих установках заряженные частицы (электроны или протоны), двигаясь в вакууме под действием электрических и магнитных полей, приобретают большой запас энергии (ускоряются). Чем больше энергия частицы, тем меньше ее длина волны, поэтому такие частицы в большей степени подходят для «прощупывания» микрообъектов. В то же время с возрастанием энергии частицы расширяется число вызываемых ею взаимопревращений частиц, приводящих к рождению новых элементарных частиц. Следует иметь в виду, что проникновение в мир атомов и элементарных частиц обходится недешево. Чем выше конечная энергия ускоряемых частиц, тем более сложными и крупными оказываются ускорители; их размеры могут достигать нескольких километров. Существующие ускорители позволяют получать пучки заряженных частиц с энергиями от нескольких МэВ до сотен ГэВ. Интенсивность пучков частиц достигает 1015 – 1016 частиц в секунду; при этом пучок может быть сфокусирован на мишени площадью всего нескольких квадратных миллиметров. В качестве ускоряемых частиц чаще всего используются протоны и электроны.
Наиболее мощные и дорогостоящие ускорители строятся с чисто научными целями – чтобы получать и исследовать новые частицы, изучать взаимопревращения частиц. Ускорители относительно невысоких энергий широко применяются в медицине и технике – для лечения онкологических больных, для производства радиоактивных изотопов, для улучшения свойств полимерных материалов и для многих других целей.
Многообразие существующих типов ускорителей можно разбить на четыре группы: ускорители прямого действия, линейные ускорители, циклические ускорители, ускорители на встречных пучках.
Где находятся ускорители? В Дубне (Объединенный институт ядерных исследований) под руководством В.И.Векслера в 1957 году построен синхрофазотрон. В Серпухове – синхрофазотрон, длина его кольцевой вакуумной камеры, находящейся в магнитном поле, составляет 1,5 км; энергия протонов 76 ГэВ. В Новосибирске (институт ядерной физики) под руководством Г.И.Будкера введены в действие ускорители на встречных электрон-электронных и электрон-позитронных пучках (пучки по 700 МэВ и 7 ГэВ). В Европе (ЦЕРН, Швейцария – Франция) работают ускорители со встречными протонными пучками по 30 ГэВ и с протон-антипротонными пучками по 270 ГэВ. В настоящее время в ходе сооружения Большого адронного коллайдера (БАК) на границе Швейцарии и Франции завершен ключевой этап строительных работ – монтаж сверхпроводящих магнитов ускорителя элементарных частиц.
Коллайдер строится в туннеле с периметром 26650 метров на глубине около ста метров. Первые тестовые столкновения в коллайдере планировалось провести в ноябре 2007 года, однако происшедшая в ходе испытательных работ поломка одного из магнитов, приведет к некоторой задержке в графике ввода установки в строй. Большой адронный коллайдер предназначен для поиска и изучения элементарных частиц. После запуска БАК будет самым мощным ускорителем элементарных частиц в мире, почти на порядок превосходя своих ближайших конкурентов. Сооружение научного комплекса Большого адронного коллайдера ведется более 15 лет. В этой работе участвуют более 10 тысяч человек из 500 научных центров всего мира.
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина:
Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ΔMc2, где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.
Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.
Механизм ядерных реакций
Два этапа ядерной реакции:
- поглощение частицы ядром и образование возбужденного ядра. Энергия распределяется между всеми нуклонами ядра, на долю каждого из них при этом приходится энергия, меньшая удельной энергии связи, и они не могут проникнуть в ядро. Нуклоны обмениваются между собой энергией, и на одном из них или на группе нуклонов может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления сил ядерной связи и освобождения из ядра.
- испускание частицы ядром происходит подобно испарению молекулы с поверхности капли жидкости. Промежуток времени от момента поглощения ядром первичной частицы до момента испускания вторичной частицы составляет примерно 10-12с.
Законы сохранения при ядерных реакциях
При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т.е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.
- Что такое ядерная реакция?
- В чем отличие ядерной реакции от химической?
- Почему образовавшиеся ядра гелия разлетаются в противоположные стороны?
73Li + 11H → 42He + 42He - Является ли ядерной реакция испускания α –частицы ядром?
- Допишите ядерные реакции:
- 94Be + 11H → 105B + ?
- 147N + ? → 146C + 11p
- 147N + 42He → ? + 11H
- 2713Al + 42He → 3015P + ? (1934 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри получили радиоактивный изотоп фосфора)
- ? + 42He → 3014Si +11p
- Определите энергетический выход ядерной реакции.
147N + 42He → 178O + 11H
Масса атома азота 14,003074 а.е.м., атома кислорода 16,999133а.е.м., атома гелия 4,002603 а.е.м., атома водорода 1,007825 а.е.м.
Самостоятельная работа
Вариант 1
1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:
- алюминий (2713Al) захватывает нейтрон и испускает α-частицу;
- азот (147N) бомбардируется α-частицами и испускает протон.
2. Закончите уравнение ядерных реакций:
- 3517Cl + 10n → 11p +
- 136C + 11p →
- 73Li + 11p → 2
- 105B + 42He → 10n +
- 2412Mg + 42He → 2714Si +
- 5626Fe + 10n → 5625Mn +
Ответы: а) 137N; б) 11p; в) 10n; г) 147N; д) 42He; е) 3516S
3. Определите энергетический выход реакций:
- 73Li + 10n → 42He + 13H;
- 94Be + 42He → 10n + 136C.
Вариант 2
1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:
- фосфор(3115Р) захватывает нейтрон и испускает протон;
- алюминий (2713Al) бомбардируется протонами и испускает α-частицу.
2. Закончите уравнение ядерных реакций:
- 188О + 11p → 10n +
- 115B + 42He → 10n +
- 147N + 42He → 178О +
- 126C + 10n → 94Be +
- 2713Al + 42He → 3015Р +
- 2411Na → 2412Mg + 0-1е +
Ответы: а) 42He; б) 189F; в) 147N; г) 10n; д) γ; е) 11p
3. Определите энергетический выход реакций:
- 63Li + 11p → 42He + 32He;
- 199F + 11p → 42He + 168O.
- УРОК №17
- 21.11.2022г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. ТЕМА «Закон радиоактивного распада. Период полураспада».
"Одна из физических величин, характеризующих радиоактивный распад, называется периодом полураспада.
Экспериментальные факты свидетельствуют о том, что активность радиоактивных веществ, показывающая количество распадов в единицу времени, с течением времени убывает.
Мы знаем, что активность (интенсивность излучения) некоторых радиоактивных элементов почти не меняется в течение лет, десятков лет и более (например, уран). А некоторых - убывает в разы за несколько минут (например, радий). До сих пор мы описывали его лишь качественно. Но физика - точная наука, она требует количественного описания процессов. Как описать процесс радиоактивного распада количественно? Что необходимо сделать? Необходимо ввести новую физическую величину.В физике такая величина называется периодом полураспада.
Изучение нового материала
Давайте вспомним, при изучении каких физических процессов вы встречались с понятием "период"?
Период - время одного полного оборота. (при вращении по окружности или
при колебании)
То есть что такое период для любого периодического процесса?
Это время, характеризующее процесс, его повторяемость.
Вспомните, что такое радиоактивность?
Самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц. Иначе говоря, распад одних ядер и превращение их в другие.
Пусть в начальный момент времени имелось некоторое количество (N0) радиоактивных атомов некоторого химического элемента.
Попытайтесь сформулировать определение понятия "период полураспада".
Предполагаемый ответ: Это время, за которое распадается половина имевшихся радиоактивных ядер.
Определение: период полураспада - время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов.Обозначение: Т
Единица измерения: с (с
Период полураспада - постоянная величина, зависящая только от свойств радиоактивного изотопа.
ЗАДАНИЕ: Найдите рис. 13.8. в учебнике (стр. 299)
На рисунке изображен график зависимости активности некоторого радиоактивного изотопа от времени. (Вспомните: активность пропорциональна числу радиоактивных атомов.) Чему равен период полураспада этого изотопа?
Предполагаемый ответ: 5 суток.
Закон радиоактивного распада - закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году. Этот закон считается основным законом радиоактивности, из него было извлечено несколько важных следствий. Получим математическую формулу закона радиоактивного распада.
Итак, N0 - количество радиоактивных атомов в начальный момент времени (t = 0).
Пусть N - количество радиоактивных атомов, оставшихся нераспавшимися через время t. Тогда при t = 0 N = N0
Число радиоактивных атомов N останется нераспавшимися по прошествии одного периода полураспада, к моменту времени t = Т?
Предполагаемый ответ:
Сколько радиоактивных атомов N останется нераспавшимися по прошествии двух периодов полураспада, к моменту времени t = 2Т?
Предполагаемый ответ:
Число радиоактивных атомов N останется по прошествии трех периодов полураспада, к моменту времени t = 3Т?
Число радиоактивных атомов N останется по прошествии n периодов полураспада, к моменту времени t = nТ?
Предполагаемый ответ:
, где
. Подставим и преобразуем: (для решения задач);
(более компактная запись).Последнее выражение - закон радиоактивного распада. Он позволяет вычислить количество нераспавшихся ядер в любой момент времени (зная количество атомов в начальный момент времени Аналогичную форму закон будет иметь для активности:
(вследствие пропорциональности активности препарата количеству радиоактивных ядер). Такой же вид будет иметь закон для масс:Согласно закону радиоактивного распада за любые равные промежутки времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада - половина). В этом состоит физический смысл записанного нами выражения. Чем больше время, тем больше отношение
, тем меньше число нераспавшихся ядер. Со временем оно убывает.Для решения задач введем еще одно обозначение: пусть N - количество распавшихся ядер. Как тогда найти N1?
ответ:
Зная N0 и N через время t, можно определить период полураспада любого радиоактивного вещества.
5. Значение периода полураспада для разных веществ (и их изотопов) колеблется в очень широких пределах - от миллионных долей секунды до миллиардов лет.
Период полураспада - одна из основных величин, определяющих скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем меньше "живут" радиоактивные ядра. И тем больше активность вещества. Так, активность урана на протяжении лет заметно не меняется . А активность радия значительно больше и со временем заметно убывает.
6. Закон радиоактивного распада существенно отличается от законов, изученных нами ранее. Этот закон описывает процессы, происходящие в микромире и носит статистический характер. Период полураспада - статистическая величина.
Причина в том, что статистический, вероятностный характер носят процессы внутри радиоактивных атомных ядер. Все ядра одного радиоактивного изотопа совершенно одинаковы. Любое из них с одинаковой вероятностью может распасться в любой момент времени, и распад каждого ядра никаким образом не влияет на распады других ядер. Распад ядра - случайное событие. Предсказать, когда произойдет распад данного атома, невозможно. Математически оценить можно лишь вероятность распада атома (ядра) в конкретный момент времени.
Поскольку время существования отдельных ядер может колебаться от долей секунды до миллиардов лет, имеет смысл говорить о среднем времени жизни - среднем арифметическом времен жизни большого количества атомов данного вида (статистическая величина). По этой же причине не имеет смысла говорить о периоде полураспада для одного атома, о законе радиоактивного распада для малого числа атомов. Таким образом, на основе закона радиоактивного распада можно утверждать только то, что за время, равное периоду полураспада распадается в среднем (приблизительно) половина имеющихся радиоактивных ядер. Чем больше атомов, тем точнее выполняется закон. Он справедлив для большого количества частиц (границы применимости закона).
5. Закрепление
Коллективное решение задач
Учитель: Выполним несколько заданий вместе. Задания тестового типа, с вариантами ответов (ЕГЭ, базовый уровень). Будьте внимательны. :
1. Период полураспада атомов свинца
составляет 3,3 ч. Какое утверждение справедливо?1) за 3,3 часа массовое число каждого ядра свинца уменьшится вдвое
2) за 3,3 часа распадется половина имевшихся ядер
3) за 6,6 часа распадутся все имеющиеся ядра
4) каждые 3,3 часа распадается в среднем одно ядро
Ответ: (2) за 3,3 часа распадется половина имевшихся ядер
Учитель: Тот же вопрос. Но обратите внимание на предложенные варианты ответов.
2. Период полураспада атомов свинца
составляет 3,3 ч. Какое утверждение справедливо?1) за 3,3 часа распадется примерно половина из имеющихся ядер
2) за 3,3 часа распадется в точности половина из имеющихся ядер
3) за 6,6 часа распадутся все имеющиеся ядра
4) каждые 3,3 часа распадается в среднем одно ядро
Ответ: (1) за 3,3 часа распадется примерно половина из имеющихся ядер
Ответ: (слово "в точности" не соответствует действительности)
Решение задач
1. Радиоактивность – это самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождающееся испусканием различных частиц
2. На активность радиоактивного вещества оказывают влияние внешние воздействия (повышение температуры, давления, химические реакции)
3. Пьер Кюри обнаружил, что радиоактивность сопровождается выделением энергии, значительно превышающей энергетический выход химических реакций
4. При радиоактивном распаде изменение претерпевает только электронная оболочка атома
5. При распаде масса ядра уменьшается примерно на 4 а.е.м., заряд ядра уменьшается на 2е. В результате распада элемент смещается на две клетки к началу периодической системы
6. При распаде масса ядра почти не меняется, заряд ядра увеличивается на 1е. В результате распада элемент смещается на 1 клетку к концу периодической системы
7. При радиоактивном распаде нарушается закон сохранения электрического заряда, но в точности сохраняется масса ядер
- Дайте определения этим явлениям. Для какого явления мы ещё не можем дать определение? Правильно, для радиоактивности..
- Ребята, тема нашего занятия – радиоактивность.
- Сто лет назад, в феврале 1896г, французский физик Анри Беккерель обнаружил самопроизвольное излучение солей урана 238U, однако он не понимал природы этого излучения.
В 1898г супруги Пьер и Мария Кюри открыли новые, ранее неизвестные элементы – полоний 209Po и радий 226Ra, у которых излучение, аналогичное излучению урана, было значительно более сильным. Радий – редкий элемент; чтобы получить 1 грамм чистого радия, надо переработать не менее 5 тонн урановой руды; его радиоактивность в несколько миллионов раз выше радиоактивности урана.
- Самопроизвольное излучение некоторых химических элементов было названо по предложению П.Кюри радиоактивностью, от латинского radio «излучать». Неустойчивые ядра превращаются в устойчивые
- Химические элементы с номера 83 являются радиоактивными, то есть самопроизвольно излучают, причем, степень излучения не зависит от того, в состав какого соединения они входят.
- Изучением природы радиоактивного излучения занимался великий физик начала 20 века Эрнест Резерфорд.
- Что же представляет из себя радиоактивное излучение-
1.α-лучи – это поток частиц, представляющих собой ядра гелия.
2 β-лучи – это поток электронов, скорость которых близка к скорости света в вакууме.
3.γ-излучение – это электромагнитное излучение, частота которого превышает частоты рентгеновского излучения.)
- Итак в 1899 г Эрнест Резерфорд обнаружил неоднородность излучения. Исследуя излучение радия в магнитном поле, он обнаружил, что поток радиоактивного излучения имеет сложную структуру: состоит из трех самостоятельных потоков, названных α-, β- и γ-лучами. При дальнейших исследованиях оказалось, что α-лучи представляют из себя потоки ядер атомов гелия, β-лучи – потоки быстрых электронов, а γ-лучи есть электромагнитные волны с малой длиной волны.
- Но эти потоки различались еще и своими проникающими способностями
- Превращение атомных ядер часто сопровождается испусканием α-, β-лучей. Если одним из продуктов радиоактивного превращения является ядро атома гелия, то такую реакцию называют α-распадом, если же – электрон, то β-распадом.
Эти два распада подчиняются правилам смещения, которые впервые сформулировал английский ученый Ф.Содди. Давайте посмотрим, как выглядят эти реакции. :
1. При α-распаде ядро теряет положительный заряд 2e и его масса убывает на 4 а.е.м. В результате α-распада элемент смещается на две клетки к началу периодической системы Менделеева:
2. При β-распаде из ядра вылетает электрон, что увеличивает заряд ядра на 1е, масса же остается почти неизменной. В результате β-распада элемент смещается на одну клетку к концу периодической таблицы Менделеева.
-
Кром альфа и бета-распадов радиоактивность сопровождается гамма-излучением. При этом из ядра вылетает фотон.
3. γ-излучение – не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.
Задание :
1. Запишите опорный конспект.
2. Ответить а вопросы:
. 1. Кто из ученых открыл явление радиоактивности?
2. Мельчайшая неделимая частица.
3. Фамилия ученого, определившего состав радиоактивного излучения.
4. Ядра с одинаковым числом протонов, но с разным числом нейтронов – это…
5. Радиоактивный элемент, открытый супругами Кюри.
6. Изотоп полония
7. Имя женщины - ученой, ставшей Нобелевским лауреатом дважды
2. Подготовить рефераты:
А) о жизни и деятельности великих физиков: Беккереля, Резерфорда, М. Кюри
Б) о ядерных взрывах на АЭС
Задание1:
Изучить и переписать образец решения задачи на определения энергии связи атомных ядер
Образец решения задачи
Задача. Определите энергию связи и удельную энергию связи в ядре атома ртути . Масса покоя ядра 200,028а.е.м.
Задача 1. Вычислить энергию связи ядра лития .Масса ядра равна 7,01436 а.е.м.
Задание:
1. Определить энергию связи атомных ядер, предложенных в таблице.
2. Укажите, как изменилась энергия связи ядра с возрастанием номера элемента.
Химический элемент
Обозначение изотопа
Масса ядра изотопа,
а. е. м.
Дефект массы,
а. е. м.
Энергия связи ядра, МэВ
Водород
1,007825
Гелий
4,002603
Литий
7,016004
Бериллий
9,012186
Бор
11,009305
Углерод
14,003024
Кислород
15,994915
УРОК №15
14.11. 2022г. ФИЗИКА 303.Тема: Решение задач по теме « Энергия связи атомных ядер»
урок № 14
14.11.2022г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. ТЕМА « ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА»
В прошлой теме говорилось о протонно-нейтронной модели атомного ядра. Тогда возник вопрос: каким образом нуклоны удерживаются в ядре, несмотря на электростатическое отталкивание между протонами? Силы, действующие в пределах атомных ядер, называются ядерными силами. Эти силы являются самыми мощными силами в природе. Ну а раз в ядре действуют такие мощные силы, значит, там сосредоточена значительная энергия. Эту энергию стали называть энергией связи. То есть, энергия связи – это энергия, которая потребовалась бы, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны.
Известно, что в результате экспериментов были определены массы протона и нейтрона. Но когда начали определять массу атомных ядер, выяснилась очень интересная особенность: масса ядра атома всегда оказывалась меньше, чем сумма масс, входящих в него частиц.
Такую разницу назвали дефектом масс. То есть, дефект масс – это разность между суммарной массой нуклонов, входящих в состав атомного ядра и массой самого ядра.
Именно таким образом можно определить энергию связи ядер. Для этого нужно дефект масс умножить на скорость света в квадрате, и мы получим
Ещё одной очень важной величиной в атомной физике является удельная энергия связи. Удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра. Эта величина характеризует, насколько стабильны те или иные ядра атомов.
В таблице представлен график зависимости удельной энергии связи от массового числа.
Как видно из графика, легкие ядра обладают довольно малой энергией связи. К середине таблицы Менделеева энергия связи достигает максимального значения, а к концу – снова начинает убывать. То есть, для получения ядерной энергии разумно либо синтезировать легкие ядра, либо делить тяжелые ядра. Известно, что на данный момент человечество использует деление тяжелых ядер. Во многих ядерных реакторах происходит деление ядер урана. Синтез легких ядер происходит на Солнце, в результате чего освобождается колоссальное количество энергии, которое в частности передается Земле в виде света и тепла.
Основной задачей ядерной физики является получение управляемой термоядерной реакции.
1. Решите задачи (На определение энергии связи атомного ядра)
1. Лития (заряд ядра – ; массовое число -7 )
2. Углерода ( заряд ядра +6; массовое число – 12)
3. Кислорода (заряд ядра +8; массовое число – 16)
2. ОТВЕТИТЬ НА ВОПРОСЫ ТЕСТА (СМ. НИЖЕ)
Тест. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер
1.Ядро атома состоит из элементарных частиц двух видов:
Варианты ответов
- протонов и электронов
- протонов и нейтронов
- электронов и а-частиц
- нейтронов и электронов
2.Из какого числа протонов и нейтронов соответственно состоит ядро атома ртути
Варианты ответов
- 80,200
- 200,80
- 120,80
- 80,120
3. В каком варианте ответа ядра атомов обоих химических элементов являются изотопам
Варианты ответов
- а
- б
- в
- г
4. Масса покоя ядра всегда
- намного больше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов
- незначительно больше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов
- меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов
меньше суммы масс покоя слагаемых его протонов и нейтронов;
равна сумме масс покоя слагаемых его протонов и нейтронов.
5. Протоны и нейтроны в ядре удерживаются в ядре посредством
- ядерных сил
- гравитационных сил
- электромагнитных сил
- всех выше перечисленных сил
6. По какой формуле можно рассчитать дефект массы
- ∆m = ∆E / c2
- ∆m = Z mp + Nmn – mя
- ∆m = (Zmp + Nmn – mя ) c2
7. По данным таблицы химических элементов Д.И. Менделеева определите число протонов и нейтронов в ядре вольфрама W183,8574
- протонов -74, нейтронов -183
- протонов -183, нейтронов – 74
- протонов -74, нейтронов - 110
- протонов -110, нейтронов – 74
8. Какие утверждения верны
- ядерные силы притяжения значительно превосходят силы электростатического отталкивания протонов;
- ядерные силы короткодействующие
УРОК № 12-13
07.11.2022г. ГРУППА 303. ФИЗИКА
Тема «Строение атомного ядра. Ядерные силы»
Исследования Резерфорда показали, что в центре атома находится положительно заряженное ядро. Встала задача – определить состав атомного ядра. Резерфорд при бомбардировки ядра атома α-частицами обнаружил появление протонов – ядер атомов водорода. Был сделан вывод, что ядро состоит из протонов.
Протон – частица, имеющая положительный заряд, равный модулю заряда электрона:
q = 1,6 ∙10-19 Кл, и массу m = 1,6726231∙ 10-27 кг =1,673∙ 10-27 кг. Однако было выяснено, что масса ядер значительно больше, чем суммарная масса протонов в ядре. Поэтому предположили, что, вероятно, в ядре находятся ещё частицы
В 1932 году Чедвиком, учеником Резерфорда был открыт нейтрон. Нейтрон – частица, не имеющая заряда, но имеющая массу m = 1,6749286 ∙10-27 кг или 1,675∙10-27 кг. Масса нейтрона больше массы протона приблизительно на 2,5 массы электрона.
Сразу же после открытия нейтрона советский физик Д.Д. Иваненко и немецкий учёный В. Гейзенберг предложили протонно – нейтронную модель ядра. Согласно этой модели ядра состоят из двух видов частиц – протонов и нейтронов. Т.К. в целом атом нейтрален, а заряд протона равен модулю заряда электрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Поэтому, число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента Z в периодической системе элементов Д.И.Менделеева.
Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А: А = Z+N. Протоны и нейтроны в ядре называют нуклонами.
Так как массы частиц очень малы, за единицу массы принимают 1/12 массы атома углерода: 1 а.е.м. = 1,661∙ 10-27 кг, поэтому масса нейтрона равна 1,008888665 а.е.м., а масса протона равна 1,007276 а.е.м.
В настоящее время известно более 1500 ядер, различающихся зарядовым и массовым числами или одним из них.
ИЗОТОПЫ – это ядра с одним и тем же значением Z (числом протонов), но с различными массовыми числами А, т.е. с различным числом N нейтронов. Например, у водорода три изотопа: протий 11Н, дейтерий 1 2Н, тритий 13Н. Изотопы одного и того же элемента могут быть как устойчивыми, так и неустойчивыми (радиоактивными). Устойчивость ядер зависит от отношения числа нейтронов к числу протонов в ядре.
Так как большинство существующих в природе ядер устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причём очень большими. Это не кулоновские силы, не электромагнитные силы, а особые ядерные силы. Их свойства:
1) они в 100 раз превышают электрические силы. Это самые мощные силы из всех существующих в природе.
2) вторая особенность – их зарядовая независимость
3) Их короткодействие.
4 )Свойство насыщения. Каждый нуклон в ядре взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а с их конечным числом.
ПРОЧИТАЙТЕ ВНИМАТЕЛЬНО КОНСПЕКТ И ВЫПОЛНИТЕ ЗАДАНИЯ:
1. По современным представлениям ядро атома углерода состоит из :
А) электронов и протонов в) одних протонов
Б) нейтронов и позитронов г) протонов и нейтронов
2 Ядро атома аргона 1840Аr содержит:
А) 18 протонов 40 нейтронов в) 40 протонов и 18 нейтронов
Б) 18 протонов и 22 нейтрона г) 40 протонов и 22 нейтрона
3. Электронная оболочка в нейтральном атоме фосфора содержит:
А)46 электронов в) 16 электронов
Б) 31 электрон г) 15 электронов
4. Ядро атома содержит 10 нейтронов и 9 протонов, и вокруг него обращается 8 электронов. Эта система частиц:
А) ион фтора в) атом фтора
Б) ион неона г) атом неона.
Ответьте на вопрос: ПОЧЕМУ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИМЕЮТ ДРОБНОЕ ЗНАЧЕНИЕ АТОМНОЙ МАССЫ?
Желаю успеха! 1
УРОК №11
31.10.2022. ГРУППА 301. ФИЗИКА. ТЕМА "СПЕКТРЫ".
Ни один из источников не дает монохроматического света, т.е. света строго определенной длины волны. В этом можно убедиться на опытах по разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.
Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав светового пучка. .
Спектры излучения
Спектральный состав излучения атомов различных веществ весьма разнообразен. Тем не менее, все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.
Сплошной (непрерывный) спектр
Накаленные твердые и жидкие тела и газы (при большом давлении) испускают свет, разложение которого дает сплошной спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят один в другой. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и взаимодействием атомов друг с другом. Сплошные спектры одинаковы для разных веществ, и поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества.
Линейчатый (атомный) спектр
Возбужденные атомы разреженных газов или паров испускают свет, разложение которого дает линейчатый спектр,состоящий из отдельных цветных линий. Каждый химический элемент имеет характерный для него линейчатый спектр. Атомы таких веществ не взаимодействуют друг с другом и излучают свет только определенных длин волн. Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн. Это позволяет по спектральным линиям судить о химическом составе источника света.
Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Молекулярный (полосатый) спектр
Спектр молекулы состоит из большого числа отдельных линий, сливающихся в полосы, четкие с одного края и размытые с другого. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Серии очень близких линий группируются на отдельных участках спектра и заполняют целые полосы.
 |
| Спектр угольной дуги (полосы молекул CN и C2) |
 |
| Спектр испускания паров молекулы йода |
 |
| Спектр молекулы Н2 |
В 1860 г. немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, изучая спектры металлов, установили следующие факты:
1) каждый металл имеет свой спектр;
2) спектр каждого металла строго постоянен;
3) введение в пламя горелки любой соли одного и того же металла всегда приводит к появлению одинакового спектра;
4) при внесении в пламя смеси солей нескольких металлов в спектре одновременно появляются все их линии;
5) яркость спектральных линий зависит от концентрации элемента в данном веществе.
Спектры поглощения
Если белый свет от источника, дающей сплошной спектр, пропускается через пары исследуемого вещества и затем разлагается в спектр, то на фоне сплошного спектра наблюдаются темные линии поглощения в тех же самых местах, где находились бы линии спектра испускания паров исследуемого элемента. Такие спектры получили название атомных спектров поглощения.
Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Атомы поглощают излучение лишь тех длин волн, которые они могут испускать при данной температуре.
Спектральный анализ
Спектральным анализом называется метод изучения химического состава вещества, основанный на исследовании его спектров. Отдельные линии в спектрах различных элементов могут совпадать, но в целом спектр каждого элемента является его индивидуальной характеристикой.
Спектральный анализ сыграл большую роль в науке. Например, в спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии, происхождение которых объясняется следующим образом. Солнце, являясь раскаленным газовым шаром (Т ~ 6000 °С), испускает сплошной спектр. Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца (солнечную корону, температура которой ~2000— 3000 °С. Корона поглощает из сплошного спектра излучение определенной частоты, а на Земле регистрируется солнечный спектр поглощения, по которому можно определить, какие химические элементы присутствуют в короне Солнца. По спектрам поглощения на Солнце были обнаружены все земные элементы, а также неизвестный ранее элемент, который назвали гелий. Через 26 лет (1894) открыли гелий на Земле. Благодаря спектральному анализу на Земле было открыто еще 25 химических элементов.
Фраунгоферовы линии дают информацию не только о химическом составе звезды, но и о ее температуре и давлении на поверхности. Более того, спектральный анализ Солнца и звезд показал, что входящие в их состав химические элементы имеются и на Земле, т.е. вещество Вселенной состоит из одного и того же набора элементов.
Спектральные аппараты
Спектроскопом называется прибор, с помощью которого визуально исследуется спектральный состав света, испускаемого некоторым источником. Если регистрация спектра происходит на фотопластинке, то прибор называется спектрографом.
Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т.е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.
Применение спектрального анализа
Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Состав сложных, главным образом органических смесей анализируется по их молекулярным спектрам.
С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10-10г. Линии, присущие данному элементу, позволяют качественно судить о его наличии. Яркость линий дает возможность (при соблюдении стандартных условий возбуждения) количественно судить о наличии того или иного элемента.
Спектральный анализ можно проводить и по спектрам поглощения. В астрофизике по спектрам можно определить многие физические характеристики объектов: температуру, давление, скорость движения, магнитную индукцию и др. с помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.
Основные направления применения спектрального анализа таковы: физико-химические исследования; машиностроение, металлургия; атомная индустрия; астрономия, астрофизика; криминалистика.
Современные технологии создания новейших строительных материалов (металлопластиковые, пластиковые) непосредственно взаимосвязаны с такими фундаментальными науками как химия, физика. Данные науки используют современные методы исследования веществ. Поэтому спектральный анализ можно применять для определения химического состав состава строительных материалов по их спектрам.
- ЗАДАНИЕ: ВЫПОЛНИТЕ ТЕСТ.
- Тест “Виды излучений. Спектры”
1. Спектральный анализ позволяет определить химический состав вещества только в лабораторных условиях:
а) нет
б) да
в) в редких случаях2. Линейчатый спектр дают вещества в твердом состоянии:
а) да
б) нет
в) иногда3. Полосатый спектр образуют сильно нагретые твердые тела или жидкости:
а) иногда
б) да
в) нет4. Действие спектральных аппаратов основано на явлении интерференции:
а) нет
б) да
в) в редких случаях5. Спектральный анализ – способ определения исключительно состава вещества по его спектру, так ли это:
а) оба варианта верны
б) да
в) нет6. Непрерывный спектр дают, например, молекулярные соединения, так ли это:
а) да
б) нет
в) иногда7. Вид спектра вещества зависит от его:
а) массы
б) размера
в) состава8. Вид спектра вещества зависит от его:
а) состояния
б) массы
в) размера9. Каждый атом отличается определенными, отличающимися от других, длинами излучаемых:
а) линий
б) спектров
в) волн10. Нагретое вещество в любом состоянии создает спектр:
а) энергетический
б) испускания
в) поглощения11. Холодное вещество в любом состоянии создает спектр:
а) поглощения
б) испускания
в) энергетический12. Спектр поглощения можно считать … спектра испускания, потому что характерные линии соответствуют тем же длинам волн:
а) «позитивом»
б) «негативом»
в) «среднем»13. Частоты линейчатого спектра зависят от способа возбуждения атома, так ли это:
а) нет
б) да
в) иногда14. Спектральный анализ проводится по спектрам испускания, спектры поглощения не дают надежных результатов, так ли это:
а) иногда
б) да
в) нет15. Чтобы определить химический состав крупинки вещества, достаточно проанализировать спектр крупинки в:
а) пламени
б) искре
в) воде16. Глаз наиболее чувствителен к красной части спектра, так ли это:
а) зависит от яркости красного цвета
б) да
в) нет17. Свечение, возникающее в процессе протекания химической реакции:
а) электролюминесценция
б) хемилюминесценция
в) фотолюминесценция18. Источники естественного света дают набор излучаемых:
а) спектров
б) линий
в) волн19. Свечение вещества под действием падающего на него света:
а) хемилюминесценция
б) фотолюминесценция
в) электролюминесценция20. Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем:
а) электролюминесценция
б) хемилюминесценция
в) фотолюминесценция21. Условием излучения атома является передача ему определенной:
а) силы
б) энергии
в) мощности22. При тепловом излучении потеря атомами энергии на излучение компенсируется за счет энергии теплового движения:
а) частиц
б) молекул
в) атомов23. Максимальная спектральная плотность интенсивности излучения приходится на этот цвет:
а) зеленый
б) желтый
в) красный24. С помощью спектрального анализа был открыт этот новый элемент:
а) цинк
б) рубидий
в) кальций25. С помощью спектрального анализа был открыт этот новый элемент:
а) цезий
б) натрий
в) барий26. Один из видов спектров:
а) беспрерывные спектры
б) прерывистые спектры
в) непрерывные спектры27. Один из видов спектров:
а) линейчатые спектры
б) линейный спектры
в) продольные спектры
УРОК № 10
19.09.2022г. ГРУППА 301. ФИЗИКА.
ТЕМА «Квантовые постулаты Бора»
Модель атома Резерфорда противоречит классической электродинамике Максвелла. Выход из сложившейся ситуации был найден Нильсом Бором. В 1913 году он дополнил модель Резерфорда двумя постулатами, называемыми квантовыми постулатами Бора.
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний):
В атоме существуют стационарные орбиты, двигаясь по которым электрон не излучает.
Второй постулат (правило частот): Излучение и поглощение энергии происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.
Энергия излучённого или поглощённого фотона равна разности энергий стационарных состояний
hvkn = Ek - En;
Частота излучения равна:
vkn = (Ek - En) / h
Или, длина волны излучения λ равна:
λkn = hc / (Ek - En), где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме.
Если Ek > En, то происходит излучение фотона, если Ek < En, то происходит поглощение фотона, при котором атом переходит из одного стационарного состояния в другое..
Используя понятие энергетических уровней в атомах было открыто явление индуцированного излучения. Это явление используется в лазерах, устройствах, которые дают индуцированное излучение в различных диапазонах электромагнитного излучения.
Разбор тренировочных заданий
1. Выберите правильный ответ.
А) Какова энергия фотона, излучаемого атомом при переходе из возбуждённого состояния с энергией Е1 в основное состояние с энергией Е0?
Варианты ответов:
1)
2)
3) Е1– Е0
4) Е1+ Е0
Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов): 3) Е1– Е0.
Подсказка: вспомните второй постулат Бора.
2. Атом испустил фотон с энергией 6 10-18Дж. Какой импульс приобрёл атом?
1) 0 3) 1,8 ∙10-9 кг∙м/с
2) 2 ∙10-26кг∙м/с 4) 5∙ 10-25 кг ∙м/с
3. Частота фотона, поглощаемая атомом при переходе атома из основного состояния с энергией Е0 в возбуждённое с энергией Е1, равна:
1) Е0 - Е1/ h 2) Е1 - Е0/ h 3) h /Е1 - Е0 4) h / Е0 - Е1
19.09.2022г. Группа 301. Тема . Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома
Древнегреческие и древнеиндийские учёные и философы считали, что все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц, которые не делятся.
Они были уверены, что в мире не существует ничего, что было бы меньше этих частиц, которые они назвали атомами. И, действительно, впоследствии существование атомов было доказано такими известными учёными, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов, Джон Дальтон. Неделимым атом считали вплоть до конца XIX – начала ХХ века, когда выяснилось, что это не так.
Открытие электрона. Модель атома Томсона
В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая экспериментально поведение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, выяснил, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Скорость движения этих частиц была ниже скорости света. Следовательно, они имели массу. Откуда же они появлялись? Учёный предположил, что эти частицы входят в состав атома. Он назвал их корпускулами. Позже они стали называться электронами. Так открытие электрона положило конец теории о неделимости атома.
Модель атома Томсона
Томсон предложил первую электронную модель атома. Согласно ей атом представляет собой шар, внутри которого находится заряженное вещество, положительный заряд которого равномерно распределён по всему объёму. А в это вещество, как изюминки в булочке, вкраплены электроны. В целом атом электрически нейтрален. Эту модель назвали "моделью сливового пудинга".
Но модель Томсона оказалась неверной, что было доказано британским физиком сэром Эрнестом Резерфордом.
Опыт Резерфорда
Как же всё-таки устроен атом? На этот вопрос Резерфорд дал ответ после своего эксперимента, проведенного в 1909 г. совместно с немецким физиком Гансом Гейгером и новозеландским физиком Эрнстом Марсденом.
Опыт Резерфорда
Целью опыта было исследование атома с помощью альфа-частиц, сфокусированный пучок которых, летящий с огромной скоростью, направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался люминесцентный экран. При столкновении с ним частиц возникали вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп.
Если Томсон прав, и атом состоит из облака с электронами, то частицы должны были легко пролетать через фольгу, не отклоняясь. Так как масса альфа-частицы превышала массу электрона примерно в 8000 раз, то электрон не мог воздействовать на неё и отклонять её траекторию на большой угол, подобно тому, как камешек весом в 10 г не смог бы изменить траекторию движущегося автомобиля.
Но на практике всё оказалось по-другому. Большинство частиц действительно пролетало через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на небольшой угол. Но часть частиц отклонялась довольно значительно или даже отскакивала назад, словно на их пути возникало какое-то препятствие. Как сказал сам Резерфорд, это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд отскочил от куска папиросной бумаги.
Что же заставило некоторые альфа-частицы так сильно изменить направление движения? Учёный предположил, что причиной этому стала часть атома, сосредоточенная в очень малом объёме и имеющая положительный заряд. Её он назвал ядром атома.
Планетарная модель атома Резерфорда
Резерфорд пришёл к выводу, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, расположенного в центре атома, и электронов, имеющих отрицательный заряд. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. В целом атом нейтрален. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов всех электронов атома. Но электроны не вкраплены в ядро, как в модели Томсона, а вращаются вокруг него подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Вращение электронов происходит под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Скорость вращения электронов огромна. Над поверхностью ядра они образуют подобие облака. Каждый атом имеет своё электронное облако, заряженное отрицательно. По этой причине они не «слипаются», а отталкиваются друг от друга.
Из-за своей схожести с Солнечной системой модель Резерфорда была названа планетарной.
Почему атом существует
Однако модель атома Резерфорда не смогла объяснить, почему атом так устойчив. Ведь, согласно законам классической физики, электрон, вращаясь на орбите, движется с ускорением, следовательно, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. В конце концов эта энергия должна иссякнуть, а электрон должен упасть на ядро. Если бы это было так, атом смог бы существовать всего лишь 10 -8 с. Но почему этого не происходит?
Причину этого явления позже объяснил датский физик Нильс Бор. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по фиксированным орбитам, которые называются «разрешёнными орбитами». Находясь на них, они не излучают энергию. А излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной разрешённой орбиты на другую. Если это переход с дальней орбиты на более близкую к ядру, то энергия излучается, и наоборот. Излучение происходит порциями, которые назвали квантами.
Хотя описанная Резерфордом модель не смогла объяснить устойчивость атома.
Как связать строение атома с положением элемента в периодической системе? Оказывается, порядковый номер – это заряд ядра атома, а, следовательно, число протонов. А так как атом нейтрален, то число электронов тоже будет определяться порядковым номером, но в ядре, кроме протонов в ядре имеются нейтроны, число которых определяется разностью между атомной массой и порядковым номером. Разберём на примере атома алюминия: порядковый номер равен 13, следовательно – р=13, е = 13, Z ядра = 13, число нейтронов п =27 – 13 = 14
Задание: 1. Определить с помощью периодической системы химических элементов числ0 электронов, протонов и нейтронов в атомах хлора, кальция, желе=
УРОК №10
05.10.2022г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. ТЕМА "СПЕКТРЫ".
Ни один из источников не дает монохроматического света, т.е. света строго определенной длины волны. В этом можно убедиться на опытах по разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.
Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав светового пучка. .
Спектры излучения
Спектральный состав излучения атомов различных веществ весьма разнообразен. Тем не менее, все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.
Сплошной (непрерывный) спектр
Накаленные твердые и жидкие тела и газы (при большом давлении) испускают свет, разложение которого дает сплошной спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят один в другой. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и взаимодействием атомов друг с другом. Сплошные спектры одинаковы для разных веществ, и поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества.
Линейчатый (атомный) спектр
Возбужденные атомы разреженных газов или паров испускают свет, разложение которого дает линейчатый спектр,состоящий из отдельных цветных линий. Каждый химический элемент имеет характерный для него линейчатый спектр. Атомы таких веществ не взаимодействуют друг с другом и излучают свет только определенных длин волн. Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн. Это позволяет по спектральным линиям судить о химическом составе источника света.
Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Молекулярный (полосатый) спектр
Спектр молекулы состоит из большого числа отдельных линий, сливающихся в полосы, четкие с одного края и размытые с другого. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Серии очень близких линий группируются на отдельных участках спектра и заполняют целые полосы.
| |
| Спектр угольной дуги (полосы молекул CN и C2) |
| |
| Спектр испускания паров молекулы йода |
| |
| Спектр молекулы Н2 |
В 1860 г. немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, изучая спектры металлов, установили следующие факты:
1) каждый металл имеет свой спектр;
2) спектр каждого металла строго постоянен;
3) введение в пламя горелки любой соли одного и того же металла всегда приводит к появлению одинакового спектра;
4) при внесении в пламя смеси солей нескольких металлов в спектре одновременно появляются все их линии;
5) яркость спектральных линий зависит от концентрации элемента в данном веществе.
Спектры поглощения
Если белый свет от источника, дающей сплошной спектр, пропускается через пары исследуемого вещества и затем разлагается в спектр, то на фоне сплошного спектра наблюдаются темные линии поглощения в тех же самых местах, где находились бы линии спектра испускания паров исследуемого элемента. Такие спектры получили название атомных спектров поглощения.
Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Атомы поглощают излучение лишь тех длин волн, которые они могут испускать при данной температуре.
Спектральный анализ
Спектральным анализом называется метод изучения химического состава вещества, основанный на исследовании его спектров. Отдельные линии в спектрах различных элементов могут совпадать, но в целом спектр каждого элемента является его индивидуальной характеристикой.
Спектральный анализ сыграл большую роль в науке. Например, в спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии, происхождение которых объясняется следующим образом. Солнце, являясь раскаленным газовым шаром (Т ~ 6000 °С), испускает сплошной спектр. Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца (солнечную корону, температура которой ~2000— 3000 °С. Корона поглощает из сплошного спектра излучение определенной частоты, а на Земле регистрируется солнечный спектр поглощения, по которому можно определить, какие химические элементы присутствуют в короне Солнца. По спектрам поглощения на Солнце были обнаружены все земные элементы, а также неизвестный ранее элемент, который назвали гелий. Через 26 лет (1894) открыли гелий на Земле. Благодаря спектральному анализу на Земле было открыто еще 25 химических элементов.
Фраунгоферовы линии дают информацию не только о химическом составе звезды, но и о ее температуре и давлении на поверхности. Более того, спектральный анализ Солнца и звезд показал, что входящие в их состав химические элементы имеются и на Земле, т.е. вещество Вселенной состоит из одного и того же набора элементов.
Спектральные аппараты
Спектроскопом называется прибор, с помощью которого визуально исследуется спектральный состав света, испускаемого некоторым источником. Если регистрация спектра происходит на фотопластинке, то прибор называется спектрографом.
Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т.е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.
Применение спектрального анализа
Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Состав сложных, главным образом органических смесей анализируется по их молекулярным спектрам.
С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10-10г. Линии, присущие данному элементу, позволяют качественно судить о его наличии. Яркость линий дает возможность (при соблюдении стандартных условий возбуждения) количественно судить о наличии того или иного элемента.
Спектральный анализ можно проводить и по спектрам поглощения. В астрофизике по спектрам можно определить многие физические характеристики объектов: температуру, давление, скорость движения, магнитную индукцию и др. с помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.
Основные направления применения спектрального анализа таковы: физико-химические исследования; машиностроение, металлургия; атомная индустрия; астрономия, астрофизика; криминалистика.
Современные технологии создания новейших строительных материалов (металлопластиковые, пластиковые) непосредственно взаимосвязаны с такими фундаментальными науками как химия, физика. Данные науки используют современные методы исследования веществ. Поэтому спектральный анализ можно применять для определения химического состав состава строительных материалов по их спектрам.
- ЗАДАНИЕ: ВЫПОЛНИТЕ ТЕСТ.
- Тест “Виды излучений. Спектры”
1. Спектральный анализ позволяет определить химический состав вещества только в лабораторных условиях:
а) нет
б) да
в) в редких случаях2. Линейчатый спектр дают вещества в твердом состоянии:
а) да
б) нет
в) иногда3. Полосатый спектр образуют сильно нагретые твердые тела или жидкости:
а) иногда
б) да
в) нет4. Действие спектральных аппаратов основано на явлении интерференции:
а) нет
б) да
в) в редких случаях5. Спектральный анализ – способ определения исключительно состава вещества по его спектру, так ли это:
а) оба варианта верны
б) да
в) нет6. Непрерывный спектр дают, например, молекулярные соединения, так ли это:
а) да
б) нет
в) иногда7. Вид спектра вещества зависит от его:
а) массы
б) размера
в) состава8. Вид спектра вещества зависит от его:
а) состояния
б) массы
в) размера9. Каждый атом отличается определенными, отличающимися от других, длинами излучаемых:
а) линий
б) спектров
в) волн10. Нагретое вещество в любом состоянии создает спектр:
а) энергетический
б) испускания
в) поглощения11. Холодное вещество в любом состоянии создает спектр:
а) поглощения
б) испускания
в) энергетический12. Спектр поглощения можно считать … спектра испускания, потому что характерные линии соответствуют тем же длинам волн:
а) «позитивом»
б) «негативом»
в) «среднем»13. Частоты линейчатого спектра зависят от способа возбуждения атома, так ли это:
а) нет
б) да
в) иногда14. Спектральный анализ проводится по спектрам испускания, спектры поглощения не дают надежных результатов, так ли это:
а) иногда
б) да
в) нет15. Чтобы определить химический состав крупинки вещества, достаточно проанализировать спектр крупинки в:
а) пламени
б) искре
в) воде16. Глаз наиболее чувствителен к красной части спектра, так ли это:
а) зависит от яркости красного цвета
б) да
в) нет17. Свечение, возникающее в процессе протекания химической реакции:
а) электролюминесценция
б) хемилюминесценция
в) фотолюминесценция18. Источники естественного света дают набор излучаемых:
а) спектров
б) линий
в) волн19. Свечение вещества под действием падающего на него света:
а) хемилюминесценция
б) фотолюминесценция
в) электролюминесценция20. Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем:
а) электролюминесценция
б) хемилюминесценция
в) фотолюминесценция21. Условием излучения атома является передача ему определенной:
а) силы
б) энергии
в) мощности22. При тепловом излучении потеря атомами энергии на излучение компенсируется за счет энергии теплового движения:
а) частиц
б) молекул
в) атомов23. Максимальная спектральная плотность интенсивности излучения приходится на этот цвет:
а) зеленый
б) желтый
в) красный24. С помощью спектрального анализа был открыт этот новый элемент:
а) цинк
б) рубидий
в) кальций25. С помощью спектрального анализа был открыт этот новый элемент:
а) цезий
б) натрий
в) барий26. Один из видов спектров:
а) беспрерывные спектры
б) прерывистые спектры
в) непрерывные спектры27. Один из видов спектров:
а) линейчатые спектры
б) линейный спектры
в) продольные спектры
УРОК № 9
05.10.2022г. ГРУППА 303. ФИЗИКА.
ТЕМА «Квантовые постулаты Бора»
Модель атома Резерфорда противоречит классической электродинамике Максвелла. Выход из сложившейся ситуации был найден Нильсом Бором. В 1913 году он дополнил модель Резерфорда двумя постулатами, называемыми квантовыми постулатами Бора.
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний):
В атоме существуют стационарные орбиты, двигаясь по которым электрон не излучает.
Второй постулат (правило частот): Излучение и поглощение энергии происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.
Энергия излучённого или поглощённого фотона равна разности энергий стационарных состояний
hvkn = Ek - En;
Частота излучения равна:
vkn = (Ek - En) / h
Или, длина волны излучения λ равна:
λkn = hc / (Ek - En), где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме.
Если Ek > En, то происходит излучение фотона, если Ek < En, то происходит поглощение фотона, при котором атом переходит из одного стационарного состояния в другое..
Используя понятие энергетических уровней в атомах было открыто явление индуцированного излучения. Это явление используется в лазерах, устройствах, которые дают индуцированное излучение в различных диапазонах электромагнитного излучения.
Разбор тренировочных заданий
1. Выберите правильный ответ.
А) Какова энергия фотона, излучаемого атомом при переходе из возбуждённого состояния с энергией Е1 в основное состояние с энергией Е0?
Варианты ответов:
1)
4) Е1+ Е0
Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов): 3) Е1– Е0.
Подсказка: вспомните второй постулат Бора.
2. Атом испустил фотон с энергией 6 10-18Дж. Какой импульс приобрёл атом?
1) 0 3) 1,8 ∙10-9 кг∙м/с
2) 2 ∙10-26кг∙м/с 4) 5∙ 10-25 кг ∙м/с
3. Частота фотона, поглощаемая атомом при переходе атома из основного состояния с энергией Е0 в возбуждённое с энергией Е1, равна:
1) Е0 - Е1/ h 2) Е1 - Е0/ h 3) h /Е1 - Е0 4) h / Е0 - Е1
21.09.2022г. Группа 303. Тема . Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома
Древнегреческие и древнеиндийские учёные и философы считали, что все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц, которые не делятся.
Они были уверены, что в мире не существует ничего, что было бы меньше этих частиц, которые они назвали атомами. И, действительно, впоследствии существование атомов было доказано такими известными учёными, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов, Джон Дальтон. Неделимым атом считали вплоть до конца XIX – начала ХХ века, когда выяснилось, что это не так.
Открытие электрона. Модель атома Томсона
В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая экспериментально поведение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, выяснил, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Скорость движения этих частиц была ниже скорости света. Следовательно, они имели массу. Откуда же они появлялись? Учёный предположил, что эти частицы входят в состав атома. Он назвал их корпускулами. Позже они стали называться электронами. Так открытие электрона положило конец теории о неделимости атома.
Модель атома Томсона
Томсон предложил первую электронную модель атома. Согласно ей атом представляет собой шар, внутри которого находится заряженное вещество, положительный заряд которого равномерно распределён по всему объёму. А в это вещество, как изюминки в булочке, вкраплены электроны. В целом атом электрически нейтрален. Эту модель назвали "моделью сливового пудинга".
Но модель Томсона оказалась неверной, что было доказано британским физиком сэром Эрнестом Резерфордом.
Опыт Резерфорда
Как же всё-таки устроен атом? На этот вопрос Резерфорд дал ответ после своего эксперимента, проведенного в 1909 г. совместно с немецким физиком Гансом Гейгером и новозеландским физиком Эрнстом Марсденом.
Опыт Резерфорда
Целью опыта было исследование атома с помощью альфа-частиц, сфокусированный пучок которых, летящий с огромной скоростью, направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался люминесцентный экран. При столкновении с ним частиц возникали вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп.
Если Томсон прав, и атом состоит из облака с электронами, то частицы должны были легко пролетать через фольгу, не отклоняясь. Так как масса альфа-частицы превышала массу электрона примерно в 8000 раз, то электрон не мог воздействовать на неё и отклонять её траекторию на большой угол, подобно тому, как камешек весом в 10 г не смог бы изменить траекторию движущегося автомобиля.
Но на практике всё оказалось по-другому. Большинство частиц действительно пролетало через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на небольшой угол. Но часть частиц отклонялась довольно значительно или даже отскакивала назад, словно на их пути возникало какое-то препятствие. Как сказал сам Резерфорд, это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд отскочил от куска папиросной бумаги.
Что же заставило некоторые альфа-частицы так сильно изменить направление движения? Учёный предположил, что причиной этому стала часть атома, сосредоточенная в очень малом объёме и имеющая положительный заряд. Её он назвал ядром атома.
Планетарная модель атома Резерфорда
Резерфорд пришёл к выводу, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, расположенного в центре атома, и электронов, имеющих отрицательный заряд. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. В целом атом нейтрален. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов всех электронов атома. Но электроны не вкраплены в ядро, как в модели Томсона, а вращаются вокруг него подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Вращение электронов происходит под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Скорость вращения электронов огромна. Над поверхностью ядра они образуют подобие облака. Каждый атом имеет своё электронное облако, заряженное отрицательно. По этой причине они не «слипаются», а отталкиваются друг от друга.
Из-за своей схожести с Солнечной системой модель Резерфорда была названа планетарной.
Почему атом существует
Однако модель атома Резерфорда не смогла объяснить, почему атом так устойчив. Ведь, согласно законам классической физики, электрон, вращаясь на орбите, движется с ускорением, следовательно, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. В конце концов эта энергия должна иссякнуть, а электрон должен упасть на ядро. Если бы это было так, атом смог бы существовать всего лишь 10 -8 с. Но почему этого не происходит?
Причину этого явления позже объяснил датский физик Нильс Бор. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по фиксированным орбитам, которые называются «разрешёнными орбитами». Находясь на них, они не излучают энергию. А излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной разрешённой орбиты на другую. Если это переход с дальней орбиты на более близкую к ядру, то энергия излучается, и наоборот. Излучение происходит порциями, которые назвали квантами.
Хотя описанная Резерфордом модель не смогла объяснить устойчивость атома.
Как связать строение атома с положением элемента в периодической системе? Оказывается, порядковый номер – это заряд ядра атома, а, следовательно, число протонов. А так как атом нейтрален, то число электронов тоже будет определяться порядковым номером, но в ядре, кроме протонов в ядре имеются нейтроны, число которых определяется разностью между атомной массой и порядковым номером. Разберём на примере атома алюминия: порядковый номер равен 13, следовательно – р=13, е = 13, Z ядра = 13, число нейтронов п =27 – 13 = 14
Задание: 1. Определить с помощью периодической системы химических элементов числ0 электронов, протонов и нейтронов в атомах хлора, кальция, железа.
УРОК № 7
В 1873 г. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствия. Предсказанное Максвеллом существование светового давления было экспериментально подтверждено Лебедевым А.С., который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Оно оказалось чрезвычайно малым, p=4*10-7 Па.
Световое давление, обусловленное солнечным излучением у поверхности Земли, составляет менее 0,0001 Па. Этим и объясняется тот факт, что в обычных условиях давление света заметным образом себя не проявляет. Но давлением света объясняют тот факт, что хвосты комет обычно направлены от ядра кометы в сторону, противоположную Солнцу. Световое давление вызывает изменение орбит искусственных спутников Земли. Если в космосе развернуть щиты и управлять ими как парусами, то с их помощью можно перемещать корабль с одной космической орбиты на другую. Ученые рассчитали, что в районе Земли на каждый 1 м2 поверхности будет действовать сила от солнечных лучей порядка 0,9 мг. Казалось бы, ну что эта за сила? И все же ею не пренебрегают, когда речь заходит о межпланетных полетах. Если не сделать соответствующие поправки, то, например, станция типа “Венера” при приземлении на поверхность планеты могла бы промахнуться на 1000 км. Световое давление является источником помех в космических полетах.
Возникновение светового давления с позиций квантовой теории света: Свет — это поток фотонов, каждый из фотонов обладает импульсом р= mc. При поглощении веществом фотон перестает существовать, но импульс его, по закону сохранения импульса, не может исчезнуть бесследно. Он предается телу, значит на тело действует сила.
Приведенное рассуждение будет абсолютно верным, если считать, что свет только веществом поглощается. Но разве это всегда так, свет еще может отражаться телами, а если тело прозрачно, то может проходить сквозь него. В реальных условиях свет частично отражается телом, частично поглощается, а если это, например, стекло, то свет проходит сквозь него. Как будет обстоять дело, если поверхность зеркальная? Возникает световое давление в данном случае? Для простоты предположим, что свет падает перпендикулярно к поверхности зеркала. Мы знаем, что при абсолютном ударе какого-либо тела о стенку она получает импульс, модуль которого равен удвоенному модулю импульса тела, то есть 2mv. Отражаясь, фотон летит с той же скоростью, но в противоположном направлении. Значит, при отражении фотона от зеркала его импульс изменяется на 2mc. Такое же изменение импульса, но в противоположном направлении, получит зеркало. Импульс, получаемый телом при отражении фотона, будет в 2 раза больше импульса, получаемого телом при поглощении фотона.
Сила давления света в случае отражения будет в 2 раза больше, чем в случае поглощения, т.е. световое давление в реальных условиях обусловлено как поглощением, так и отражением фотонов.
Чем обусловлено световое давление, если поверхность черная (в основном поглощением фотонов).
Световое давление принадлежит к числу тех оптических явлений, которые могут быть объяснены с позиций как квантовой теории света, так и волновой.
Как же объяснить световое давление на основе волновой теории?
Предположим, что световая волна падает на поверхность тела по нормали, сила светового давления тоже по нормали в сторону распространения света. Это следует с точки зрения волновой теории: из чего состоят все тела? Из молекул, атомов (электронов, протонов и нейтронов). На заряженные частицы будут действовать силы со стороны электрического поля волны. Эта сила равна F=lE.
На движущиеся в магнитном поле заряженные частицы будут действовать магнитная составляющая электромагнитной волны - сила Лоренца. Сила Лоренца рассчитывается по формуле F=gVBsinα, а направление этой силы определяется по правилу левой руки.
Электромагнитная волна может оказывать воздействие только на заряженные частицы. Световое давление можно объяснить действием световой волны на заряженные частицы, находящиеся в теле.
Вектор напряженности электрического поля и вектор магнитной индукции в электромагнитной волне взаимно перпендикулярны.
Рассмотрим действие электромагнитной волны на положительный заряд. Какие силы будут действовать на заряд? Электрическая сила F=lE будет действовать в сторону вектора напряженности электрического поля. Значит, в ту же сторону начнет смещаться заряд под действием электрической силы.
Но эта сила не совпадает по направлению с силой светового давления. Так как заряд под действием электрической силы начнет двигаться, то наго будет действовать магнитное поле волны - сила Лоренца направлена внутрь тела, а световое давление представляет собой сумму Лоренцовых сил, действующих на все положительные заряды, находящиеся в теле.
Но в теле есть и отрицательные электроны. Электроны должны двигаться против поля Е, так как имеют отрицательный заряд. На электроны сила Лоренца будет действовать в ту же сторону, то есть внутрь тела. Эти силы Лоренца в совокупности и создают световое давление. Суммарная сила, действующая на электроны поверхности металла и определяет силу светового давления.
Под действием света происходят химические реакции, которые называют фотохимическими.
Химические действия света.
Фотохимия изучает химические реакции, которые протекают под действием света (при его поглощении). Фотохимические процессы лежат в основе фотографии, фотосинтеза и механизма зрения. Химическое действие света является еще одним доказательством квантовой теории света.
1. Фотобумага освещается пучком света. Через некоторое время бумага темнеет.
2. В сосуд с водой помещают зеленое растение, которое накрывают стеклянной воронкой. На последнюю надевают резиновую трубку, конец которой закрывают зажимом. Сосуд выставляют на свет. Через некоторое время листья на свету покрываются пузырьками газа, которые всплывают и собираются в узкой части воронки. К концу резиновой трубки подносят тлеющую лучину, и затем зажим расслабляют. Лучина воспламеняется. Этот газ - кислород. В темноте это явление не имеет места.
Фотографический процесс. Процесс получения фотографии состоит из четырех операций: фотосъемка, проявление пленки, ее закрепление, фотопечать. Фотосъемка - получение действительного изображения объекта в светочувствительном слое фотопленки. Фотоэмульсия: желатин, мелкие зерна AgBr. Квант энергии hd отрывает электроны от некоторых ионов брома, которые захватываются ионами серебра. В зернах AgBr образуются нейтральные атомы, количество которых пропорционально освещенности пленки. Эти атомы образуют скрытое изображение объекта съемки. Проявление пленки. Проявитель гидрохитон или метон восстанавливает бромистое серебро в свободное металлическое серебро. В процессе закрепления в растворе тиосульфата натрияNa2S2O3 происходит удаление из фотослоя всех светочувствительных зерен солей серебра, не успевших разложиться. Закрепление завершается промывкой пленки в воде. Фотопечать - перенос изображения с фотопленки на светочувствительную фотобумагу. Негативное изображение с фотопленки проецируется на фотобумагу, где образуется скрытое позитивное изображение. Затем эту фотобумагу с изображением проявляют, фиксируют, промывают, сушат и получают фотографию объекта.
Наибольшее значение имеет химический процесс, который разыгрывается под действием света в зеленых частях растений. Как известно, дыхание всех живых существ сопровождается окислением углерода, входящего в состав их тела. Сгорание углерода в углекислоту (СО2) сопровождается освобождением энергии, которая и используется животными при их движении. Точно так же главный источник энергии, используемый в технике, это процесс сжигания топлива, то есть опять-таки процесс образования СO2. Обратный процесс расщепления СO2происходит в зеленых частях растений под действием солнечного света, как фотохимический процесс. Расщепление углекислоты сопровождается дальнейшими химическими превращениями, приводящими, в конце концов, к образованию тех основных органических соединений, из которых построено тело растений и животных. Наряду с этим процессом, идущим в природе в гигантских масштабах, известно и множество других фотохимических превращений. Например, выцветание многих красок, состоящих в окислении этих красок кислородом воздуха под действием света. Покрасив раствором некоторой краски (цианина) слой желатина, мы можем сохранять такую окрашенную пластинку довольно долго. Но если направить на нее интенсивный пучок света (от Солнца или дугового фонаря), то пластинка в тех местах, куда падает свет, выцветает так быстро, что эти участки становятся бесцветными на глазах. Отбеливание холста, растянутого на солнцепеке, по существу представляет собой фотохимическое выцветание. Многие фотохимические процессы в настоящее время используются в технике для ускоренного получения тех или иных веществ. Большинство таких процессов идет особенно энергично под действием коротковолнового ультрафиолетового света.
ЗАДАНИЕ:
1. Т.к. вы изучаете химию, запишите уравнение реакции фотосинтеза.
2. Квант света - -красного или фиолетового цвета- оказывает большее давление на идеально отражающую поверхность
3. Какие реакции называются фотохимическими?
УРОК №4-5
14.09,2022 ГРУППА 303. ФИЗИКА.
ТЕМА. «ФОТОН. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «ФОТОЭФФЕКТ»
В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц.
Энергия и импульс фотона.
При испускании и поглощении свет, ведет себя подобно потоку частиц с энергией Е = hv, зависящей от частоты. Порция света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называть частицей. Свойства света, обнаруживаемые при его излучении и поглощении, назвали корпускулярными. Сама же световая частица была названа фотоном, или квантом электромагнитного излучения.
Фотон, подобно частице, обладает определенной порцией энергии hv. Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через циклическую частоту.
«Фотон и его свойства»
1. Не имеют заряда
2. Движутся со скоростью света
3. Существуют только в движении
4. Энергия фотонов Е = h ν = h с / λ = m c²
5. Масса фотонов m = h ν / c²
6. Импульс фотонов р = m c = h ν / c
= h / λ = E /c
7. Оказывают давление на вещество.
Вопрос: какие явления доказывают существование таких необычных частиц как фотоны? Воспользуйтесь вашими знаниями из курса физики, биологии, ОБЖ..
Объясните их с точки зрения квантовой физики
1.Явление фотоэффекта
2.Явление фотосинтеза
3.Мутация ДНК
4.Эффект Комптона – при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличении длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего излучения.
.:РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ:
№1
Один лазер излучает монохроматический свет с длиной волны λ1=300нм , другой — с длиной волны λ2=700нм. Каково отношение импульсов p₁/p₂ фотонов, излучаемых лазерами?
(Ответ округлите до десятых.)
Решение: Импульсы двух лазеров определим по формулам:
P1 =h/λ1; p2 = h/λ2
Тогда , p1 / p2 = h/λ1 / h/λ2 = λ2 /
1 = 700 /300 = 2,3
№2.
Чему равна энергия фотона, соответствующая световой волне частотой 6,3∙ 1014 Гц ?
Находим формулу для энергии фотона, выраженной через частоту Е =h ∙√, где h – постоянная Планка, которая равна 6,63 ∙10-34 Дж ∙с. Подставляем:
Е = 6,63∙ 10-34 ∙6,3 ∙1014 = 4,2∙ 10-19 Дж
Самостоятельная работа по теме: Фотоэффект. Фотоны
1 вариант
1. Определить работу выхода электронов из натрия, если красная граница фотоэффекта равна 500 нм.
Ответ: 1) 2,48 Эв 2) 4,28 эВ 3) 9,84 эВ
2. Работа выхода электронов с поверхности металла составляет 2,5 эВ. Фотоэлектроны вылетают со скоростью 0,2*106 м/с, Определить чему равна длина волны света, облучающего поверхность металла.( масса электрона = 9,1 * 10-31 кг)
Ответ: 1) 475 нм 2) 675 нм 3)433 нм
3. Определить массу и импульс и энергию фотона для излучения длиной волны 1 мкм
2 вариант
1. Наибольшая длина волны света, при которой происходит фотоэффект для вольфрама 0,275 мкм. Чему равна работа выхода?
Ответ: 1) 8,22 *10-19 Дж 2) 7,22 *10-19 Дж 3) 6,62 *10-19 Дж
2. Работа выхода для платины 8,5*10-19 Дж. Определить наибольшую длину волны света , при которой может происходить фотоэффект.
Ответ: 1) 2,34 *10-7 м 2) 2,34 *107 м 3) 3,8*10-7 м
3.Найдите энергию, массу и импульс фотона красного света, длина волны которого 0,7 мкм
3 вариант.
1. На цинковую пластину, работа выхода которой 4эВ, падает монохроматический свет длиной волны 220 нм. Определите максимальную скорость фотоэлектронов.
Ответ: 1) 760км/с 2) 0,7 *10-7 м/с 3) 3,8*10 6 м
2. Энергия фотона 3,2*10-19 Дж. Какая длина волны ему соответствует?
3. Ответ: 1)0,72 мкм 2) 0,62 мкм 3) 0,47мк м
3.Определите массу и импульс фотона, с соответствующего длине волны 100 пм.
РЕШАЕТЕ ЛЮБОЙ ВАРИАНТ, ТОЛЬКО НЕ ЗАБУДЬТЕ КАКОЙ.
УРОК № 1-3
07.09.2022г. ГРУППА 303. ФИЗИКА. ТЕМА «ФОТОЭФФЕКТ И ЕГО ЗАКОНЫ, УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА»
В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.
Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.
Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:
h = 6,63 ∙ 10-34 Дж∙с.
После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.
Квантовая физика - раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.
Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.
В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.
Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.
Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.
Схема установки для изучения законов фотоэффекта
Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения - максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, - прямо пропорционален интенсивности падающего излучения
Зависимость силы тока от приложенного напряжения
Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.
Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.
Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.
hνmin = Aв
где Ав – работа выхода электронов;
h – постоянная Планка;
νmin - частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;
λ = λкр +hс/ А
с – скорость света;
λкр – длина волны, соответствующая красной границе.
Фотоэффект практически безинерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.
Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.
Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.
Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, "затрудняющее" вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.
Задерживающее напряжение - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.
Задерживающее напряжение
Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:
где
e – заряд электрона;U – задерживающее напряжение.
Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:
Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны - фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.
Примеры и разбор решения заданий
1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Работа выхода | Запирающее напряжение |
Решение:
Работа выхода - это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света.
Запирающее напряжение - это такое минимальное напряжение, при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла. Оно определяется из уравнения:
Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.
Ответ:
Работа выхода | Запирающее напряжение |
не изменится | увеличится |
2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ0 = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.
Решение.
Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:
Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:
Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:
Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.
Ответ: λ ≈ 215 нм.
ЗАДАНИЕ
1. Внимательно прочтите и составьте конспект, ответив на вопросы:
А) Что называется фотоэффектом?
Б) Что называется фототоком насыщения?
В) Зарисуйте график зависимости фототока насыщения от напряжения и ответьте на вопрос: как зависит ток насыщения от напряжения?
Г) От чего зависит кинетическая энергия вырванных электронов? Чему она равна?
Д) Что такое задерживающее напряжения? Как оно связано с кинетической энергией? Формула.
Е) Что называется красной границей фотоэффкта?
ТЕСТ
ВАРИАНТ.
1.Корпускулярные свойства света проявляются во время:
А) Дисперсии в) Фотоэффекта
Б) дифракции г) интерференции
2. На поверхность металла падает излучение. Скорость фотоэлектронов, вылетающих из металла, зависит:
А) от расстояния до источника излучения
Б) интенсивности падающего света
В) угла падения излучения на поверхность металла
Г) частоты излучения источника.
3. По какой формуле можно вычислить импульс фотона?
А) h √ б) h/λ в) hc /λ г) mc2
4.Установить соответствие между названием физической величины и её определением:
А) частота излучения 1. λ
Б) импульс фотона 2. √
В) энергия кванта излучения 3. p
Г) скорость фотоэлектронов 4. E
5. v
5. Установить соответствие между названием физической величины и её единицей измерения:
А) импульс фотона 1. Па
Б) энергия излучения 2. Н с
В) длина волны 3. Н
Г) давление света 4. Е
5. м
6. Задерживающее напряжение зависит:
А) от максимальной кинетической энергии б) частоты падающего света
В) от падающего светопотока г) массы электрона
7. Кто из учёных удостоен Нобелевской премии за работы по теории фотоэффекта:
А) Планк б) Столетов в) Эйнштейн г) Ньютон
8 В каком случае фотоэффект возможен?
А) h√ ≥ A б) h√ ≤ A в) h√ = A
Комментариев нет:
Отправить комментарий