ИТОГ-КСЕ-ДО в PDF раздача 2015.pdf

М2. УЕ 2.4-2.5. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

Электроны на своих орбитах удерживаются силами электростатического притяжения между ними и ядром атома. Каждый из электронов обладает определенным запасом энергии: чем дальше электрон находится от ядра, тем большей энергией он обладает.

Электрон не может пребывать в одном и том же энергетическом состоянии (на одной и той же орбите), как и другие электроны. Поэтому в электронной оболочке электроны располагаются слоями. Каждый электронный уровень содержит определенное количество электронов: на первом, ближайшем от ядра, слое − 2, на втором − 8, на третьем − 18, на четвертом – 32 и т. д.

Модели атома

Модель атома Томсона (модель «пудинг с изюмом»). Джозеф Джон Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Эта модель была опровергнута Резерфордом после опытов по рассеиванию альфа–частиц.

Планетарная модель атома Бора–Резерфорда. В 1911 году Эрнест Ре-

зерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»).

Квантово–механическая модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов, и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько–нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Подробно о строении молекул читайте в УЕ 3.1.

II. МАКРОМИР

Особенности молекулярного уровня изучает химия, более подробно об этом, а также об организации живой материи читайте в Модуле 3.

III. МЕГАМИР

В Мегамире изучаются планеты, звезды, галактики, скопления галактик, то есть вся Вселенная в целом.

Планеты

Атрибуты планет:

!небесные тела, обращающиеся вокруг звезд;

!светятся отраженным светом от звезд;

!достаточно массивны, чтобы под действием собственного гравитационного поля стать шарообразными;

77

планеты. В 1796 году французский астроном, математик, физик Лаплас предложил сходную гипотезу. Он считал первоначальную газо–пылевую туман-

быстром вращении в экваториальном поясе, от кольца. В дальнейшем эти кольца конденсировались, образуя планеты. Таким образом, со-

ал для формирования планет, поэтому принято называть эту концепцию гипо-

тезой Канта −

моделях существуют неясности и противоречия, которые требуют разрешения.

78

М2. УЕ 2.4-2.5. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

нечной системы, а кометы − ледяные тела внешней зоны. Существование пояса астероидов объясняется достаточно широким промежутком, разделяющим планеты земной группы и планеты–гиганты. Радиоизотопный анализ выпадающих на Землю метеоритов показывает, что их возраст, как и возраст всей планетной Солнечной системы, составляет примерно 4,6 млрд. лет.

Солнечная система

Солнечная система представляет собой группу планет, их спутников, множество астероидов и метеоритных тел. Все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Солнце представляет собой звезду среднего размера, его радиус около 700 тыс. км. Солнце – это центр массы Солнечной системы, на него приходится 99,9% всей ее массы. Солнце − рядовая звезда нашей Галактики, которая расположена ближе к ее краю в одном из спиралевидных рукавов и прошедшей примерно половину отпущенного ей срока активного существования.

Солнце относится к звездам второго поколения, или «среднего» возраста, которые возникли несколько миллиардов лет назад. Возраст Солнца оценивается примерно в 5 млрд. лет.

Солнце представляет собой плазменный шар средней плотностью 1,4 г/см3, окруженный так называемой короной, которую можно наблюдать. Активность Солнца циклична, цикл составляет примерно 11 лет. Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, которые происходят в его недрах. Светимость Солнца, по некоторым данным, не меняется на протяжении миллиардов лет.

В Солнечной системе насчитывают восемь планет, которые расположены в следующем порядке от Солнца:

1)планеты земного типа: Меркурий, Венера, Земля, Марс →

2)пояс астероидов →

3)планеты–гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

Планеты–гиганты и планеты земного типа различаются по химическому составу. Земля отличается от других планет Земной группы (Меркурия, Венеры, Марса) большим количеством жидкости на поверхности и присутствием кислорода в атмосфере.

Размеры планет значительно меньше Солнца, например, Земля в 100 раз меньше Солнца. Некоторые планеты Солнечной системы имеют собственные спутники: Земля и Плутон − по одному, Марс и Нептун − по два, Уран − 5, у Сатурна по последним данным 32 спутника, а у Юпитера − 39. Все планеты Солнечной системы, а также их спутники светят отраженным светом Солнца, именно поэтому они могут наблюдаться в телескопы.

Строение всех планет Солнечной системы слоистое. Слои различаются по плотности, химическому составу и другим физическим свойствам. В недрах планет происходит радиоактивный распад элементов. Поверхность планет формируется под действием двух типов факторов: эндогенных и экзогенных.

79

Эндогенные факторы − это процессы в ядре планеты, которые меняют ее внешний облик: перемещения участков коры, вулканические извержения, землетрясения, горообразование и т.п.

Экзогенные факторы связаны с внешними воздействиями: химические реакции при соприкосновении с атмосферой, изменения под действием ветра и осадков, падение метеоритов и т.п.

Земля

В начале 20 века было открыто явление радиоактивности. Это позволило разработать метод изотопного (радиоактивного) датирования – метод оцен-

ки абсолютного возраста объектов по определению содержания в них изотопов радиоактивных веществ. Так был установлен возраст Земли, например, равный примерно 4,5 млрд. лет.

Свойства глубоких частей планеты известны по наблюдениям за тем, с какой скоростью и в каком направлении распространяются в Земле ударные волны, возникающие при землетрясениях (их называют еще сейсмическими волнами). Сквозь разные вещества эти волны двигаются с разной скоростью, их удается «уловить» и записать с помощью сейсмографов. Некоторые типы волн не распространяются через жидкие среды. Установлено, что они не проходят через внешнюю часть ядра, указывая тем самым на его жидкое состояние.

Сегодня планета Земля состоит из нескольких оболочек (сфер) (если идти сверху к центру Земли) (см. рисунок ниже):

Атмосфера (1) газообразная оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с ней.

Гидросфера (2) водная оболочка Земли покрывает более 70% поверхности

ееверхней

В

е

80

М2. УЕ 2.4-2.5. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

рхние оболочки Земли – атмосфера, гидросфера, литосфера появились на самых поздних этапах эволюции Земли. Причем азотно-кислородная атмосфера сформировалась позднее всех.

Мантия (4: 4а, 4б, 4в) вязкая оболочка из кремния, магния и железа, которая составляет большую часть Земли по массе и объему:

4а) Верхняя мантия;

4б) Средняя мантия (астеносфера);

4в) Нижняя мантия.

Ядро

5)Внешнее жидкое железное ядро;

6)Внутреннее плотное железо-никелевое ядро.

Атмосфера

По химическому составу атмосфера состоит из смеси газов (азот − 78%, кислород − 21%, инертные газы и водород − 0,9%, углекислый газ − 0,034%, в небольших количествах О3, СО, NH3, СН4, и др.).

Атмосфера имеет слоистое строение, при этом слои отличаются по физическим и химическим свойствам, в частности, температуре и давлению.

Рассмотрим все слои атмосферы, начиная от поверхности Земли вверх: Тропосфера – это нижний слой атмосферы, определяющий погоду на

нашей планете. Его толщина 10 − 18 км. С высотой давление падает, и температура опускается до – 55oС. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака и формируются все виды осадков.

Стратосфера – слой атмосферы, который простирается до 50 км в высоту. Нижняя часть стратосферы имеет постоянную температуру, в верхней части наблюдается повышение температуры из–за поглощения солнечного излучения

озоном.

Озоновый слой – часть стратосферы, слой, расположенный в интервале высот от 20 до 30 км над Землей. Здесь происходят фотохимические реакции, приводящие под действием жесткого ультрафиолетового солнечного излучения к образованию трехатомных молекул кислорода – озона (O3). Важным свойством озонового слоя является защитная биологическая функция (поглощение большей части поступающего к Земле вредного ультрафиолетового излучения).

Ионосфера – слой верхней атмосферы, расположенный на высоте от 50 км. Она состоит из ионов − электрически заряженных частиц воздуха. Ионизация воздуха происходит под действием Солнца. Ионосфера обладает повышенной электропроводностью, и в силу этого отражает короткие радиоволны, позволяя осуществлять дальнюю связь.

Мезосфера начинается с высоты 80 км, ее роль состоит в поглощении озоном, водяным паром и углекислым газом ультрафиолетовой радиации Солнца.

Термосфера − слой атмосферы на высоте от 90 до 200 − 400 км. В нем происходят основные процессы поглощения и преобразования солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений. На высоте более 250 км постоянно дуют ветры, причиной которых считают космические излучения.

81

Экзосфера − верхняя часть атмосферы, простирающаяся от 450 − 800 км до 2000 − 3000 км. В ней содержится атомарный кислород, гелий и водород. Часть этих частиц постоянно уходит в мировое пространство.

Магнитосфера – околоземное космическое пространство (со стороны Солнца около 70000 км), которое контролируется магнитным полем Земли.

Магнитное поле Земли устроено примерно так же, как если бы внутри ее находился мощный прямоугольный магнит в виде бруска, помещенный под небольшим углом к оси вращения Земли. Основная гипотеза о происхождении магнитного поля Земли связана с движением электропроводящего вещества в жидком ядре Земли.

Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитного поля Земли. В итоге, плазма солнечного ветра и солнечные корпускулярные потоки как бы огибают земную магнитосферу. Магнитное поле Земли защищает живые организмы ( и человека) от губительных воздействий космических частиц. К этим частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле Земли через магнитосферу изменяет траектории их движения, направляя частицы вдоль линий поля прочь от Земли.

Гидросфера

Гидросферу на 94% составляют воды Мирового океана, в которых растворены соли (~ 3,5%), а также ряд газов.

Литосфера

Литосфера – твёрдая оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы.

Земная кора состоит из нескольких гигантских литосферных плит

(Евразийской, Африканской, Китайской, Индо–Австралийской, Антарктической, Западно–Атлантической и Тихоокеанской), которые плавают, медленно скользя и перемещаясь горизонтально, на горячем, пластичном слое мантии нашей планеты – астеносфере. Вместе с плитами могут перемещаться и континенты.

Скорость этих движений невелика: так, Тихоокеанская плита дрейфует на северо–северо-запад по отношению к Западно–Атлантической плите со скоростью 5 см в год. Таковы же примерно скорости относительных перемещений и других плит. Несмотря на то, что скорость движения литосферных плит мала, литосферные процессы сопровождаются такими явлениями, как землетрясения, вулканическая активность, цунами (океанические волны большой длины, возникающие при подводных землетрясениях).

С точки зрения концепции тектоники плит землетрясения возникают тогда, когда внезапно освобождаются напряжения, возникшие на границах плит.

Звезды

82

М2. УЕ 2.4-2.5. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

Звезды − гигантские светящиеся плазменные (газовые) шары, равновесие которых обеспечивается балансом между силой гравитации и давлением горячего вещества (газа) и излучением. В недрах звезд протекают термоядерные реакции превращения водорода в гелий, в результате которых выделяется колоссальная энергия. В звездах сосредоточено от 97% до 99,9% вещества галактик. Звезды имеют разную величину. Существуют большие звезды − сверхгиганты, масса которых равна 60 массам Солнца, а размеры превышают размеры Солнца в десятки и сотни раз, и маленькие звезды − карлики, размеры которых сравнимы или даже меньше размеров Земли.

Все разнообразные звездные объекты удалось классифицировать с помощью диаграммы Герцшпрунга − Рассела11. Диаграмма представляет собой график, на котором по вертикальной оси отсчитывается светимость (интенсивность светового излучения) звезд, а по горизонтальной — наблюдаемая температура их поверхностей.

Выясняется, что это распределение носит отнюдь не случайный характер: по соотношению спектра со светимостью звезды делятся на три достаточно строгие категории или «последовательности». Из верхнего левого угла в правый нижний тянется так называемая главная последовательность. К ней относится, в частности, и наше Солнце. В верхней части главной последовательности расположены самые яркие и горячие звезды, а справа внизу — самые тусклые и, как следствие, долгоживущие.

11 http://elementy.ru/trefil/21098

83

Отдельно — правее и выше — расположена группа звезд с очень высокой светимостью, не пропорциональной их температуре, которая относительно низка — это так называемые красные звезды-гиганты и сверхгиганты. Эти огромные звезды, условно говоря, светят, но не греют. Ниже и левее главной последовательности расположены карлики — группа относительно мелких и холодных звезд. Отметим, что подавляющее большинство звезд относится к главной последовательности, и энергия в них образуется путем термоядерного синтеза гелия из водорода.

Три описанных выше последовательности на диаграмме Герцшпрунга−Рассела соответствуют трем этапам жизненного цикла звезд.

Красные гиганты и сверхгиганты в правом верхнем углу — это доживающие свой век звезды с до предела раздувшейся внешней оболочкой (через 6,5 млрд. лет такая участь постигнет и наше Солнце — его внешняя оболочка выйдет за пределы орбиты Венеры). Они излучают в пространство примерно то же количество энергии, что и звезды основного ряда, но, поскольку площадь поверхности, через которую излучается эта энергия, превосходит площадь поверхности молодой звезды на несколько порядков, сама поверхность гиганта остается относительно холодной.

Наконец, обратимся к левому нижнему углу диаграммы: здесь мы видим так называемых белых карликов. Это очень горячие звезды — но очень мелкие, размером, обычно, не больше нашей Земли. Поэтому, излучая в космос относительно немного энергии, они, по причине весьма незначительной (на фоне других звезд) площади их поверхностной оболочки, светятся в достаточно ярком спектре, поскольку она оказывается достаточно высокотемпературной.

Вообще, по диаграмме Герцшпрунца-Рассела можно проследить весь жизненный путь звезды.

Сначала звезда главной последовательности (подобная Солнцу) конденсируется из газо-пылевого облака и уплотняется до создания давлений и температур (10 млн. градусов), необходимых для разжигания первичной реакции термоядерного синтеза, и, соответственно появляется где-то в основной последовательности диаграммы. Пока звезда горит (запасы водорода не исчерпаны), она так и остается (как сейчас Солнце) на своем месте в основной последовательности, практически не смещаясь.

После того, как запасы водорода исчерпаны, звезда сначала перегревается и раздувается до размеров красного гиганта или сверхгиганта, отправляясь в правый верхний угол диаграммы, а затем остывает и сжимается до размеров белого карлика, оказываясь слева внизу.

Время пребывания звезды на главной последовательности определяется ее первоначальной массой. Так, звезды главной последовательности с массой, близкой к солнечной, находятся на этой последовательности 10–15 млрд. лет.

Звезды имеют разные цвета. Солнце желтого цвета, Сириус – белая звезда. Большинство звезд более красноватые, чем Солнце. Различие в цвете звезд объясняют разными температурами их поверхности. Например, температура на по-

84

М2. УЕ 2.4-2.5. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

верхности красной звезды около 2700–39000оС. Температура желтых звезд – 5000–59000 оС. В частности, температура поверхности Солнца равна 57300оС. Более горячие звезды (99000 оС и выше) имеют белый цвет с голубоватым отливом. Для определения температур поверхностей звезд применяют метод спектрального анализа.

Химический состав подавляющего большинства звезд более-менее одинаковый. Отсюда не следует, что в недрах звезд химический состав один и тот же. Больше всего в звездных атмосферах оказалось водорода и гелия.

Срок жизни звезды напрямую зависит от её массы. Звёзды с массой в 100 раз больше солнечной живут всего несколько миллионов лет. Если масса составляет две–три солнечных, срок жизни увеличивается до миллиарда лет.

В ходе эволюции звёзды разной массы приходят в итоге к одному из трёх состояний: белые карлики, нейтронные звёзды или чёрные дыры.

Варианты развития звезд

1. Звезды массой от 1 до 1,2 массы Солнца эволюционируют к белым карликам, которые, остывая, превращаются в черные карлики.

Белый карлик имеет массу почти равную массе Солнца, по размерам не больше Земли. Белый карлик твердый, его вещество состоит из чрезвычайно плотно «упакованных» атомных ядер и электронов. Электроны в такой плотной «упаковке» уже нельзя отнести к тому или иному конкретному ядру атома, они как бы становятся общими, свободно перемещаясь, как в металле.

Белый карлик медленно излучает запасенное тепло в пространство, после чего остывает и превращается в черного карлика – остывшую, умершую звезду. Одним из известнейших примеров белого карлика является Сириус В – спутник ярчайшей на небе звезды Сириус (Сириус А).

2. Звезды с массой 2,0 массы Солнца эволюционируют к нейтронным звез-

дам.

Сжатие центральной части такого объекта происходит с обвальной скоростью и сопровождается в конце сжатия образованием грандиозной ударной волны обратного действия, то есть волны, направленной из центра звезды к поверхности. За краткие мгновения такого ударного сжатия вещества и последующего взрыва энергии в ядре звезды успевает пройти термоядерный синтез всех тяжелых химических элементов, следующих за железом. Результатом действия ударной волны является мощнейший, даже по космологическим меркам, взрыв сверхновой звезды, излучаемая энергия которой кратковременно может превысить энергию излучения целой галактики.

Согласно письменным свидетельствам взрыв сверхновой звезды наблюдали

в1054, 1572 и 1604 гг.

3.Звезды с массой более 2,0 массы Солнца эволюционирует к черным дырам через коллапс звезд.

Полагают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Остается один путь – путь всеобщего и полного сжатия (коллапса). Этот процесс ничто не может остановить. Звезда бесконечно сжимается до поперечника в несколько километров. При малых размерах силы тяготения очень велики.

85

Такой объект, в самом деле, дыра, так как попав в нее, ничто уже не может вернуться назад, пространство вблизи нее сильно искривлено, и черная – потому что ничто – даже свет – не может уйти от нее.

В черных дырах исчезает материя, а с ней и время. Черные дыры еще называют стоками времени.

Существование черных дыр было предсказано Эйнштейном в общей теории относительности. По мнению ученых, черные дыры – совершенно исключительные объекты, непохожие ни на что, известное до сих пор. Это не тела, в обычном смысле слова, и не излучение.

Это дыры в пространстве и времени, возникающие из–за сильного искривления пространства и изменения характера течения времени в стремительно нарастающем гравитационном поле.

Некоторые ученые рассматривают образование черной дыра как маленькую модель того, что, согласно предсказаниям общей теории относительности, может случиться со Вселенной.

Поиск черных дыр во Вселенной проводят, когда черная дыра входит в состав двойной звездной системы. Можно наблюдать, как газ из оболочки звезды течет к черной дыре, закручиваясь вокруг нее, образуя диск. А также по сильному рентгеновскому излучению из предполагаемого места нахождения черной дыры.

Галактики

Галактики − четко ограниченные гравитационно-связанные звездные системы. Они содержат от нескольких миллионов до многих тысяч миллиардов звезд.

Кобязательным атрибутам галактики относятся низкая средняя плотность по сравнению со звездами или планетами, и большое количество звезд, входящих в ее состав.

Выделяют четыре основных вида галактик: эллиптические, спиральные, линзообразные и неправильные галактики.

Кпервому основному виду относятся эллиптические галактики (старые), которые напоминают по форме шар или эллипс. В количественном отношении они составляют около 25% от общего числа галактических объектов.

Второй, и наиболее распространенный вид, составляют спиральные галактики (средний возраст), к числу которых относится и наш Млечный Путь. Основной их особенностью является ярко выраженная вихреобразная структура с двумя или более симметричными спиральными рукавами. Общее их число достигает примерно 50% от состава галактического сообщества.

Третий основной вид представляют линзообразные галактики. Этот вид занимает промежуточное в плане эволюции положение между эллипсоидными и спиральными галактиками, неся в себе зачатки зарождающейся спиральной структуры. В окружающей Вселенной данный вид галактик составляет около

20%.

86