Элементарные частицы и структура Вселенной

Нуклоны (протоны  и нейтроны) в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большую работу, т.е. сообщить ядру значительную энергию. По закону сохранения энергии, энергия связи ядра (энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны) равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Энергия связи атомных ядер очень велика по сравнению с энергией связи электронов с атомным ядром. Определить энергию связи ядра можно, зная массу ядра и массы протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Энергия связи ядер вычисляется с помощью известного соотношения Эйнштейна

E = т/с²,

 Где т - суммарная масса свободных нуклонов минус масса ядра -дефект массы.

Важную информацию о свойствах ядер дает знание удельной энергии связи ядра (энергии связи, приходящейся на один нуклон). С увеличением массового числа - числа нуклонов в ядре — удельная энергия связи, начиная с гелия, сначала слабо растет, достигает максимума у железа (массовое число 56), после чего плавно снижается. Наиболее устойчивы ядра, обладающие самой большой удельной энергией связи, — железо и близкие к нему химические элементы Периодической системы элементов.

Использование ядерной энергии основано на осуществлении  цепных реакций деления тяжелых ядер и реакций термоядерного синтеза - слияния легких ядер. И те, и другие реакции сопровождаются выделением энергии. В тяжелых ядрах наряду с большими силами электрического отталкивания, стремящимися разорвать ядро на части, действуют значительные ядерные силы, которые удерживают ядро от распада. Под влиянием поглощенного нейтрона ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Когда силы отталкивания внутри ядра начинают преобладать над силами притяжения, ядро разрывается на две части. Под действием сил кулоновского отталкивания осколки ядра разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света, испускается излучение высокой частоты.

Не все ядра способны к делению. Наиболее легко  делится изотоп урана 235U, составляющий всего 1/140 от более распространенного изотопа 238U. При каждом акте деления ядра испускаются 2-3 нейтрона, которые в свою очередь могут вызывать деление других ядер - начинается ядерная цепная реакция. Она сопровождается выделением огромного количества энергии. Так, при полном делении ядер, находящихся в 1 г урана, выделяется энергия, эквивалентная получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти. Управляемая реакция деления ядер реализуется в ядерных реакторах, неуправляемая - в атомной бомбе. Выделение энергии при слиянии ядер легких атомов дейтерия, трития или лития с образованием гелия происходит в ходе термоядерных реакций, протекающих лишь при очень высоких температурах. Реакции ядерного синтеза являются источником звездной энергии. Эти же реакции протекают при взрыве водородной бомбы. Осуществление управляемого термоядерного синтеза на Земле сулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии.

Заключение.

Современная космология — это сложная, комплексная и  быстро развивающаяся система естественно-научных и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной. Глубинная связь космологии и физики базируется на том, что космологи в современной Вселенной ищут «следы» тех процессов, которые происходили в момент рождения Вселенной. А такими «следами» прежде всего выступают фундаментальные свойства физического мира — три пространственных измерения и одно временное; четыре фундаментальных взаимодействия; преобладание частиц над античастицами и др. Эмпирические данные, представленные главным образом внегалактической астрономией, свидетельствуют о том, что мы живем в эволюционирующей, расширяющейся, нестационарной Вселенной. [10]     

Изучение Вселенной  показывает, что природа находится  в вечном развитии. В мире нет ничего неизменного. Живут и развиваются все небесные тела – Земля, Солнце, звезды. Об этом говорят многие факты, наблюдаемые учеными. Почти вся информация о Вселенной, как о едином объекте, косвенна. Как правило, сначала мы делаем некие предположение о ее свойствах, а потом их проверяем.

     Изучая  Вселенную с помощью мощнейших  телескопов, астрономы могут видеть  свет, испущенный галактиками через  несколько миллиардов лет после  Большого взрыва. Это позволяет  им проверить предсказания теории Большого взрыва о расширении Вселенной вплоть до столь ранних этапов ее эволюции, и результаты всех проверок оказываются положительными.

      А нам, как обычным обитателям  Вселенной остается наблюдать  за успехами ученых на их  поприще и удивляться необыкновенным  явлениям и величию всего существующего.

      Элементарные частицы -  мельчайшие  известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц - способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные "кирпичики мироздания", подобные атомам Демокрита. Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица, за исключением абсолютно нейтральных частиц, имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы; остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы "состоят" из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы. Элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное, называются адронами. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны - из кварка и антикварка. При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга, не запрещаемые законами сохранения. Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, еще не создана.

Еще некоторое  время Вселенная безусловно будет  продолжать расширяться. Что же касается ее судьбы после этого, то стандартная модель дает двусмысленное предсказание: все зависит от того, меньше или больше космическая плотность определенного критического значения. Если космическая плотность меньше критической плотности, то Вселенная имеет бесконечную протяженность и будет продолжать расширяться всегда. Наши потомки, если они у нас тогда будут, увидят, как медленно подходят к концу термоядерные реакции во всех звездах, оставляя после себя различные сорта шлака: черные карликовые звезды, нейтронные звезды, возможно, черные дыры. Планеты могут продолжать свое движение по орбитам, немного замедляясь за счет излучения гравитационных волн, но никогда не приходя в состояние покоя за любое конечное время. Температура космического фона излучения и нейтрино будет продолжать падать обратно пропорционально размеру Вселенной, но этот фон не исчезнет; даже сейчас мы едва можем детектировать трехградусный фон микроволнового излучения. В то же время, если космическая плотность больше критического значения, то Вселенная конечна и ее расширение в конце концов прекратится, уступив место все ускоряющемуся сжатию. Сжатие — это в точности расширение, но идущее назад по времени; через 50 миллиардов лет Вселенная вернется к теперешним размерам, а еще через 10 миллиардов лет она достигнет сингулярного состояния бесконечной плотности. В течение, по крайней мере, начальной стадии фазы сжатия астрономы (если они тогда будут) смогут забавляться, наблюдая одновременно красные и голубые смещения. Свет от ближайших галактик, испущенный в то время, когда Вселенная была больше, чем в момент наблюдения света, будет казаться сдвинутым в сторону коротковолнового конца спектра, т. е. в голубую сторону. В то же время свет от чрезвычайно далеких объектов, испущенный в то время, когда Вселенная все еще находилась на ранних стадиях своего расширения и была даже меньше, чем в тот момент, когда свет наблюдается, будет казаться сдвинутым в сторону длинноволнового конца спектра, т. е. в красную сторону. Пока Вселенная будет расширяться, а затем сжиматься, температура космического фона фотонов и нейтрино будет сначала падать, а затем расти, причем всегда обратно пропорционально размеру Вселенной. Если сейчас космическая плотность вдвое больше своего критического значения, тогда наши вычисления показывают, что Вселенная в момент максимального расширения будет точно вдвое больше, чем сейчас, так что температура микроволнового фона будет, следовательно, ровно вдвое меньше теперешнего значения, т.е. около 1,5 К. Затем, как только Вселенная начнет сжиматься, температура станет расти. Поначалу не будет никаких тревожных сигналов — в течение тысяч миллионов лет фон излучения будет так холоден, что нужны будут большие усилия, чтобы вообще его обнаружить. Однако, когда Вселенная сократиться до одной сотой теперешнего размера, фон излучения начнет преобладать в небе: ночное небо станет таким же теплым, как наше теперешнее небо днем. Семьдесят миллионов лет спустя Вселенная сократится еще в десять раз, и наши наследники и преемники увидят небо невыносимо ярким. Молекулы в атмосферах планет и звезд и в межзвездном пространстве начнут диссоциировать на составляющие их атомы, а атомы начнут разбиваться на свободные электроны и атомные ядра. Еще после 700 000 лет космическая температура достигнет десяти миллионов градусов; тогда сами звезды и планеты начнут диссоциировать в космический суп из излучения, электронов и ядер. В последующие 22 дня температура поднимется до десяти миллиардов градусов. Тогда ядра начнут разбиваться на составляющие их протоны и нейтроны, уничтожая всю работу как звездного, так и космологического нуклеосинтеза. Вскоре после этого электроны и позитроны станут в больших количествах рождаться в фотон-фотонных столкновениях, а космический фон нейтрино и антинейтрино снова достигнет теплового союза с остальным содержимым Вселенной. Можем ли мы действительно проследить всю эту печальную историю до самого конца, до состояния бесконечных температуры и плотности? Действительно ли время останавливается где-то через три минуты после того, как температура достигает миллиарда градусов? Очевидно, мы не можем быть в этом уверены. Кроме всего прочего, Вселенная в целом при температуре выше 100 миллионов градусов должна описываться на языке квантовой механики, и никто не имеет понятия, что при этом случится. Наконец, если Вселенная на самом деле неизотропна и неоднородна ,то вся рассказанная нами история может оказаться неправильной задолго до того, как мы столкнемся с проблемами квантовой космологии.

Практическая  часть.

1. Таблица «Методы научного познания».

2. «Вся совокупность современных биохимических данных показывает, что отдельные, индивидуальные реакции, протекающие в живых телах, сравнительно просты и однообразны. Это хорошо известные и легко воспроизводимые в пробирке и колбе химика реакции окисления, восстановления, гидролиза, фосфоролиза, альдольного уплотнения, переаминирования и т.д. Ни в одной из них нет ничего спицефически жизненного. Специфическим для живых тел является то, что в них эти отдельные реакции определённым образом организованы во времени, сочетаются в единую целостную систему, наподобие того, как отдельные звуки сочетаются в какое-либо музыкальное произведение, например симфонию. Стоит только нарушить последовательность звуков - получится дисгармония, хаос. Аналогичным образом и для организации живых тел важно то, что в них эти отдельные реакции протекают не случайно, не хаотически, а в строго определённом гармоничном порядке, который лежит в основе как восходящей, так и нисходящей ветви обмена веществ. Такие жизненные явления, как, например, брожение, дыхание, фотосинтез, синтез белков и т.д., - это длинные цепи реакции окисления, восстановления, альдольного уплотнения и т.д., сменяющих друг друга  в совершенно точной последовательности, в строго определенном закономерном порядке. Но что особенно важно, что принципиально отличает живые организмы от всех систем неорганического мира – это присущая жизни направленность указанного выше порядка. Многие десятки и сотни тысяч химических реакций, совершающихся в живом теле, не только гармонично сочетаются в едином порядке, но и весь этот порядок закономерно обусловливает самосохранение и самовоспроизведение всей жизненной системы в целом в данных условиях внешней среды, в поражающем соответствии с этими условиями». 
   (А.И.Опарин, В.Г.Фесенков).

Данное высказывание в полной мере раскрывает, что представляет собой живая система, которой  и является организм.  Автор говорит  о важной роли, которую играют целевые и функциональные связи, соединяющие цепи различных реакций, протекающих в организме и обусловливающих его жизнедеятельность. Интересным упоминанием является то, что вне организма эти реакции весьма просты и легко воспроизводимы. Но представляя собой часть живого организма, эти отдельные реакции протекают с невероятной организованностью. Они сочетаются по времени, друг с другом, образуя упорядоченную и гармоничную систему. Таким образом, процессы дыхания, брожения, синтеза белков и другие жизненные явления  являются результатом последовательности реакций окисления, восстановления и прочих. Результатом является также возникновение обмена веществ, без которого невозможна жизнь никаких организмов. В основе обмена, обеспечивающего жизнедеятельность организма, лежит также согласованность скорости протекания отдельных химических реакций. Любое органическое вещество обладает весьма большими и разнообразными химическими возможностями, но вне живой материи они реализуются крайне медленно. В обмене веществ удивительным является та исключительная организация между живыми системами и их функционированием, высокая согласованность отдельных звеньев обмена и его общая направленность на самосохранение, и самовоспроизведение всей системы в данных условия внешней среды. Такого рода процессы самообновления и самовоспроизведения не найти нигде в неорганическом мире. Поэтому обмен веществ является той характерной особенностью жизни, которая считается особой качественной формой движения материи.