Контрольная работа по Концепции Современного Естествознания

Здесь сила электрического взаимодействия, направленная вдоль  прямой, соединяющей заряды, будет  силой притяжения или отталкивания в зависимости от знаков зарядов е₁ и е₂ Через e обозначена универсальная постоянная, определяющая интенсивность электростатического взаимодействия, ее значение 8,85 • 10¹² Ф/м. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них — протона и электрона — одинакова: это универсальная постоянная, равная 1,6 *10 ^-19 Кл. Заряд протона считается положительным (обозначается е),   электрона — отрицательным.

Магнитные силы полностью  порождаются электрическими токами — движением электрических зарядов. Существуют попытки объединения теорий с учетом симметрий, в которых предсказывается существование магнитных зарядов, но они пока не обнаружены. Поэтому величина е определяет и интенсивность магнитного взаимодействия.

Если электрические  заряды движутся с ускорением, то они  отдают энергию в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Видимый свет является электромагнитным излучением определенного диапазона частот. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу, хотя и проявляются подчас в сложных формах. 'Электромагнитные взаимодействия определяют структуру и поведение атомов, удерживают атомы от распада, отвечают за  связи между молекулами, т.е. за химические и биологические явления. Гравитация и электромагнетизм — дальнодействующие силы, распространяющиеся на всю Вселенную.

Сильные и слабые ядерные  взаимодействия — короткодействующие и проявляются только в пределах размеров атомного ядра.

Слабое взаимодействие ответственно за многие ядерные процессы, например, такие, как превращение нейтронов в протоны, и сильнее других сказывается на превращениях частиц. Поэтому эффективность слабого взаимодействия можно охарактеризовать универсальной постоянной связи g(W), определяющей скорость протекании процессов типа распада нейтрона. Через ядерное слабое взаимодействие одни субатомные частицы могут превращаться в другие.

Сильное ядерное взаимодействие имеет более сложную природу. Именно оно препятствует распаду  атомных ядер, и не будь его, ядра распались бы из-за сил электрического отталкивания протонов. С этим типом взаимодействия связаны энергия, выделяемая Солнцем и звездами, превращения в ядерных реакторах и освобождение энергии. В ряде простейших случаев для его характеристики можно ввести величину g(S), аналогичную электрическому заряду, но много большую. Здесь есть некоторые особенности — сильное взаимодействие не удовлетворяет закону обратной пропорциональности, как гравитационное или электромагнитное: оно очень резко спадает за пределами эффективной области радиусом около 10^-15м. Кроме того, внутри протонов и нейтронов также существует сильное взаимодействие между теми элементарными частицами, из которых они состоят, следовательно, взаимодействие протонов и нейтронов есть отражение их внутренних взаимодействий. Но пока картина этих глубинных явлений скрыта от нас.

Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему времени неясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самым сильным является короткодействующее сильное взаимодействие, электромагнитное слабее его на два порядка, слабое — на 14 порядков, а гравитационнное — самое слабое, оно меньше сильного на 39 порядков. В соответствии с величиной сил взаимодействия они происходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия происходят при столкновении частиц с околосветовыми скоростями, и время реакций, определяемое делением радиуса действия сил на скорость света, дает величину порядка 10^-23 с. В случае слабого взаимодействия процессы происходят медленней — за 10^-9 с. Характерные времена для гравитационного взаимодействия порядка 10¹⁶ с, или 300 млн лет.

Среди электромагнитных взаимодействий для примера можно  выделить химическую реакцию, в медицине -  рентгеновское обследование. Что  касается любви – то это соединение всех четырех взаимодействий в одно.

8. В чем суть соотношения неопределенностей Гейзенберга? Как Вы понимаете слова Ричарда Феймана: «Микрочастицы не похожи ни на что, из того, что Вам хоть когда-нибудь приходилось видеть».

Гейзенберг представил физические величины как совокупность всех возможных амплитуд перехода из одного квантового состояния в другие. Сама вероятность перехода пропорциональна квадрату модуля амплитуды, именно эти амплитуды и наблюдаются в экспериментах. Тогда каждая величина должна иметь два индекса, соответствующих верхнему и нижнему состояниям. Эти величины называются матрицами. Гейзенберг получил и уравнения для наблюдаемых величин, но в первоначальном виде они были сложными. В 1926 г. он сумел объяснить отличие двух систем термов для пара- и ортогелия как соответствующих симметричным и антисимметричным решениям его уравнения.

Гейзенберг в решении  проблем, которыми начал заниматься с 1925 г., шел от наглядных феноменологических моделей. В 1927 г. он при поддержке  Бора и его школы предложил  устранить противоречие волна — частица, которое он понимал как некую аналогию. Считая, что "совокупность атомных явлений невозможно непосредственно выразить нашим языком", он предложил отказаться от представления о материальной точке, точно локализованной во времени и пространстве. Либо точное положение в пространстве при полной неопределенности во времени, либо наоборот — таково требование квантовых скачков.

Так Гейзенберг пришел к  формулировке принципа неопределенности, устанавливающего границы применимости классической физики. Этот принцип, принесший ему большую известность и до сих пор вызывающий дискуссии, представляет фундаментальное положение квантовой теории, отражая ограничение информации о микробъектах самими средствами наблюдения. Гейзенберг подсчитал Предельную точность определения положения и скорости электрона  из так называемых перестановочных соотношений квантовой механики.   В то время в моде были мысленные эксперименты. Допустим, в какой-то момент нам нужно угнать положение и скорость электрона. Самый точный метод — осветить электрон пучком фотонов. Электрон  столкнется с фотоном, и его положение будет определено с точностью до длины волны используемого фотона. Для максимальной точности нужно использовать фотоны наименьшей длины, т. е. большей частоты, или обладающие большими энергией Е и импульсом hv/c. Но чем больше импульс фотона, тем сильнее он исказит импульс электрона. Чтобы знать точно положение электрона, нужно использовать фотоны бесконечной частоты, но тогда и импульс его будет бесконечным, так что количество движения электрона будет совершенно неопределенным. И, наоборот, желая определить точно импульс электрона, из аналогичных рассуждений придем к неопределенности и положении. Выразив неопределенность положения как Dq, а неопределенность импульса как р, получим Dq Dр³h. Если взять сопряженные им величины — энергию Е и время t, то квантово-механическое соотношение неопределенности для них будет Dt DЕ³h.

Высказывание Ричарда  Феймана лишь доказывает что, сложно представить  частицу, которая бы обладала свойствами и волны, и частицы.

9. как происходит образование элементов во Вселенной по модели Большого взрыва. Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе.

Светимость нашей  Галактики оценивают числом 10⁵⁴ эрг/с. Если возраст Галактики 10¹⁰ лет, то при постоянной  светимости она выделила за -это время 2*10⁶¹ эрг. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия 2,5* 10^-5 эрг. Следовательно, за время существования Галактики в ней образовалось 10⁶⁶ альфа-частиц. При массе частицы 6,67*10^-24 г это составляет 7*10⁴² г, а масса Галактики — 4*10⁴⁴ г. Поэтому к нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н могло бы быть 7/400, или 1/57, по массе или 1/230 по числу атомов. Это меньше наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализа состава звездных атмосфер, космических лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких простых оценок понятно, как получать согласие модели с данными соотношениями.

Плотность материи во Вселенной r практически совпадает с плотностью реликтового излучения. Она может быть выражена через энергию r = Е/с², а, значит, и температуру Е = sТ⁴. С другой стороны, r = M/(4/3)pR³, R = (9GMt²/2)^1/3 и r (5*10⁵/t²) г/см³. Здесь время t в секундах. Отсюда ясна связь температуры Т и времени, прошедшего от начала расширения: Т@ 10¹⁰/Öt

Сначала (при t<0,01 с) температура очень высока, и вещество состоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря присутствию электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино происходит непрерывное превращение n + е⁺« р + u^- и обратно, р + е^- «n+ u. При охлаждении за первые 10 с число протонов увеличится за счет нейтронов, и начнется образование дейтерия, трития, изотопа гелия He-3 и Не-4. Через 100 с от начала расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода получается 0,9, гелия — 0,09, остальное приходится на более тяжелые элементы. По весу водород составляет около 0,7, гелий — 0,3. Это и есть химический состав Вселенной к началу формирования звезд и галактик.

Для наглядности эту  начальную стадию делят на четыре "эры". Для каждой из них можно выделить преобладающую форму существования материи, в соответствии с чем и даны названия.

В самом начале эры  адронов, продолжавшейся 0,0001 с, была велика энергия гамма-квантов. При высоких температурах могли существовать частицы только больших масс, для которых существенно и гравитационное взаимодействие. Элементарные частицы разделяют на адроны и лептоны, причем первые могут участвовать в сильных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и медленных, поэтому первые эры получили такие названия.

Адронная эра —  эра тяжелых частиц и мезонов. Плотность d > 10¹⁴, Т > 10¹² К, t< 0,0001 с. Основную роль играет излучение, количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов. Из равновесия с излучением

 вышли последовательно  гипероны, нуклоны, К- и p-мезоны и их античастицы. Продолжительность эры лептонов 0,0001 <t< 10с, при этом 10¹⁰ К < Т <10¹² К; 10⁴ < d < 10¹⁴ Основную роль, играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Постепенно из равновесия с излучением вышли мю-мезоны и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны распались на электроны, электронное антинейтрино и мю-онное нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция электронов и позитронов. Спустя 0,2 с Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино, и они перестают взаимодействовать с веществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени, но температура их должна была снизиться до 2 К, поэтому пока их не могут обнаружить.

Далее приходит фотонная эра продолжительностью 1 млн лет. Основная доля массы—энергии Вселенной приходится на фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин эры происходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры происходили взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными и, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу эры число нейтронов остановилось на 15%.

В начале эры излучения 3000 К < T< 10¹⁰ К; 10^-21 < d < 10⁴г/см³ нейтроны захватываются протонами, и происходит образование ядер гелия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла составить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3 000 К, плотность уменьшилась на 5-6 порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества, Вселенная стала прозрачной для вещества, и пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начинает трать вещество.

В звездную эру, наступившую при t порядка 1 млн. лет, Т приблизительно равно 3 000 К, а плотность d порядка 10^-21г/см³ Начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Основными источниками  сведений  о распространенности химических элементов служат данные о составе Солнца полученные с помощью спектрального  анализа, и результаты лабораторных химических анализов материала земной коры. метеоритов пород поверхности Луны и планет.. Принято выражать количество атомов какого-либо химического элемента по отношению к кремнию в  разных природных системах. поскольку кремний принадлежит к  обильным и труднолетучим  элeментам.

С ростом порядкового  номера распространенность элементов  убывает  неравномерно, причем элементы с четным порядковым номе' ром более  распространены, чем с нечетным,  особенно элементы с массовым числом, кратным 4, например. Не, С, О, Ne, Мд, Si, S, Ar, Са. ряд максимумов соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно 2. 8. 20, 50, 82, 126 . Этим "магическим" числам соответствуют заполненные ядерные оболочки, характеризующие устойчивые ядра.   По этому поводу американские космохимики Гарольд Юри   и Г.Зюсс сказали так: "Представляется, что распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на юлу космическою ядерною пожара, в котором оно было создано".

Большинство газов (или  летучей части солнечного вещества) — Н, Не, СО, О, N, СО2 и все инертные газы. Основную часть внутренних планет и метеоритов составляют нелетучие элементы солнечного вещества — Si, Ре, Vg, Са, Al, Mi, Na. Проводя детальные сравнения, Виноградов показал, что эти породообразующие элементы планет и метеоритов непосредственно выброшены Солнцем, и не захвачены из других областей Галактики. Некоторые различия в составе планет связаны с вторичными процессами и тем, что элементы входят в разные соединения, пребывая в разных агрегатных состояниях. Особенно близок состав нелетучей части элементов Солнца и наиболее распространенных каменных метеоритов — хондритов.

Летучая часть солнечного вещества, существующая в виде газов  при Т>0, при низких температурах переходит в твердое состояние, а атомы газов вступают в соединения. Инертные газы в соединения не вступают, оставаясь и при низких температурах в газообразном состоянии. Земля и метеориты сохранили летучие элементы в той степени, и какой они проявляли свою активность, поэтому инертные газы как на Земле, так и в метеоритах встречаются редко. Что касается изотопного состава С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Со, Ва, К, Си, то он одинаков на Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований не проведено, но для С12:С13 он такой же, как и на Земле. Исследования по инертным газам показали идентичность изотопного состава в солнечной системе, но на других звездах это отношение иное.