9.3 Атомная физика ядра атомов и элементарные частицы

На рубеже 19 и 20-го веков было изучено строение атома. Знаменитая планетарная модель атома Эрнеста Резерфорда состоит из тяжелого ядра, занимающего тысячную долю размера атома, а вокруг его на удаленных орбитах вращаются электроны, как планеты вокруг Солнца. Ядро содержит почти всю массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (их называют еще нуклонами). Ядро имеет положительный заряд равный числу протонов. Именно число протонов определяет порядковый номер атома в таблице Д.И. Менделеева, а атомный вес определяется также и числом нейтронов. Атомы, имеющие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов называются изотопами. Для 106 элементов таблицы Менделеева имеется более 1500 изотопов. Число электронов на орбитах равно числу протонов, если атом не возбужден и находится в нейтральном состоянии. Электроны располагаются на строго определенных орбитах в соответствии с принципом квантования Нильса Бора. Если электрон переходит с верхней энергетической орбиты на нижнюю, то атом излучает квант электромагнитного излучения. Переход одного электрона на более высокую энергетическую орбиту происходит при поглощении кванта атомом.

Каждый атом имеет свою систему электронных орбит и может излучать и поглощать только кванты с определенной энергией и длинной волны, по закону излучения Макса Планка (см. лекцию электромагнитное излучение). Это позволяет определять химический состав далеких звезд по их спектрам. Химические свойства атомов определяются расположением электронов в верхних орбитах.

При поглощении дополнительного электрона атом становится отрицательно заряженным, а при потери электрона положительно заряженным ионом. Ионизация атомов превращает нейтральный газ в заряженную плазму, на которую действуют электрические и магнитные поля, а поток заряженных атомов создает электрический ток. Именно из плазмы водорода, гелия состоят светящиеся поверхности звезд, нагретые от 3000 до 50000 градусов.

В целом атом является электромагнитной системой и вступает в электромагнитное взаимодействие с другими атомами через кванты электромагнитного излучения. Именно кванты или фотоны электромагнитного излучения от жесткого рентгена до километровых радиоволн являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.

Астрономическая картина мира Приложение к лекциям Шабанова м.Ф. Лекция № 10.

10.1 Астрономические явления, связанные с вращением Земли и ее движением по орбите

Для определения положения светила на небосводе достаточно 2 условных координат. Это направление на светило по сторонам света - азимут и высота светила над горизонтом. Для визуальных наблюдений удобна простейшая система координат -горизонтальная Рис.1. В этой системе азимут отсчитывается от точки юга к западу, т.е. по часовой стрелке. Измеряется азимут от точки юг к западу в градусах от 0-юг до 360-юг, или в часах от 0 до 24 часов (0360). Для точного отсчета используются минуты и секунды дуги. Высота светила над горизонтом-h измеряется в градусах от 0 до 90. Можно измерять высоту светила по ее зенитному расстоянию-z от 0 до 90 между высотой светила над горизонтом и зенитным расстоянием существует очевидное выражение (см. рис.1.) h+z=90 или z=90-h

При глазомерной оценке высоты светила над горизонтом, мы всегда получаем большие величины из-за того, что небосвод кажется нам сплюснутым к горизонту. Величина ошибки при глазомерной оценке представлена в таблице 1

h ист.	0	15	30	45	75	90
h глаз.	0	30	50	65	84	90

Положение видимого горизонта и его дальность зависят от высоты наблюдателя над земной поверхностью. В открытом море дальность горизонта –D в км. в зависимости от H-высоты точки наблюдения в метрах определяется по формуле(2) :

(2)

В таблице 2 приведена дальность видимого горизонта.

Таблица 2. Дальность горизонта.

H	1	5	10	20	50	100	200	1км.	5км.	10км	100км	200км
D	3,9	8,7	12,3	17,4	27,6	39	55,1	123	276	356	1122	1572

Таким образом радиус обозреваемой земной поверхности с высотой мачты корабля до 20 км., с горы-Н=5 км.-275 км., с самолета-Н=10 км. около 350 км. со спутника-Н=200км. около 1600км., с орбитальной станции Н=1000км. D=3400км.

Кроме того, понижение видимого горизонта-h в угловых минутах определяется преломлением света в земной атмосфере - рефракцией по формуле (3) :

(3)

Горизонтальная система координат не удобна для наблюдений на больших телескопах с автоматическим отслеживанием положения светил (гидированием), так как при суточном вращении Земли одновременно меняется азимут-А и высота светила над горизонтом. Более удобна для астрономических наблюдений экваториальная система, в которой при суточном вращении изменяется одна координата-часовой угол -t, отсчитываемый от меридиана до круга склонения светила с юга на запад. Вторая координата-угол склонения-б, отсчитываемая от плоскости экватора, остается постоянной. Вместо часового угла –t часто используется угол прямое восхождение- светила, отсчитывается от точки весеннего равноденствия- в плоскости экватора к востоку до круга склонения светила.

Большой круг, проходящий через полюс и зенит, называется меридианом. При пересечении светилом меридиана с южной стороны оно будет находиться в верхней кульминации, на максимальной высоте над горизонтом. При пересечении светила меридиана с северной стороны , через двенадцать часов после верхней кульминации, оно будет находиться в нижней кульминации. Светила в нижней кульминации, как правило, скрыты за горизонтом, видны только светила находящиеся в околополярной области.

N

А

Рис. 31 Горизонтальная система . Рис. 32 Экваториальная система координат

Склонение светила можно определять по полярному расстоянию- p – это угол между направлением на полюс и на светило. Воображаемая ось вращения Земли проходит через полюс-P. В настоящее время полюс расположен в направлении на Полярную звезду с точностью до 1. Положение полюса медленно меняется из-за прецессии. Высота полюса над горизонтом определяется широтой места-. Полярное расстояние и склонение связаны очевидной (см. рис.2) формулой(4):

(4) P+б=90 , Р=90-б