Звезды. Основные характеристики звезд и их эволюция

Согласно современным представлениям атом является сложной электромагнитной системой, включающей элементарные частицы - протоны, нейтроны, находящиеся в ядре атома, и электроны. Протон имеет массу  1,6*10-24 кг и положительный за ряд 1,6 *10-19 Кл, нейтрон имеет примерно такую же массу, но лишен заряда, электронейтрален. Электрон имеет массу покоя в 1836 раз меньше массы протона  9,1* 10−31 кг и отрицательный заряд, равный по величине заряду протона - 1,6 * 10-19 Кл. Атом электронейтрален, так как число электронов в атоме равно числу протонов. Пользуясь периодической системой Д. И. Менделеева, легко определить число элементарных частиц в атоме. Так, элемент калий имеет порядковый номер 19 и атомную массу 39. Следовательно, в ядре имеется 19 протонов и 20 нейтронов (39 - 19 = 20), а вокруг ядра атома калия движется 19 электронов.

В ядрах атомов одного и того же элемента может содержаться при одинаковом числе протонов разное число нейтронов. Такие атомы имеют различную массу, но одинаковый заряд ядра и, следовательно, одинаковое число электронов.

Устойчивость атомного ядра зависит от соотношения чисел содержащихся в нем нейтронов и протонов. Для легких элементов ядро максимально устойчиво при отношении число нейтронов: число протонов, равном приблизительно 1 , а для тяжелых элементов - около 1,6. При иных соотношениях протонов и нейтронов ядро атома становится неустойчивым и склонным к самопроизвольным радиоактивным превращениям в другие ядра.

При химическом взаимодействии ядра атомов элементов остаются без изменения, а строение внешних электронных оболочек их атомов изменяется вследствие перераспределения электронов между ними. Способность атома отдавать или присоединять электроны, зависящая от заряда ядра, от строения электронной оболочки атома и его радиуса, определяет химические свойства соответствующего элемента. [5, c. 15 -16]

В 1919 г. эксперименты Резерфорда и его сотрудников по облучению альфа-частицами легких газов привели к расщеплению атомных ядер. Процесс сопровождался вылетом ядер водорода (протонов, как позднее назвал их Резерфорд). Тогда ученый приходит к выводу, что протоны являются структурной частью всех более тяжелых ядер.

Деление атомных ядер — процесс, при котором тяжелое ядро распадается на два (а иногда и больше) легких, называемых осколками.

Чтобы представить себе, как это происходит, воспользуемся капельной моделью ядра, предложенной Н. Бором и одновременно Я. Френкелем, советским физиком-теоретиком. Ядерные силы действуют на малых расстояниях (-10-15 м), нуклоны  взаимодействуют только со своими соседями, и вещество ядра практически несжимаемо. Частицы, находящиеся на его поверхности, как и молекулы на поверхности жидкости, стремятся уйти вглубь, и этим создают силы поверхностного натяжения. Поэтому ядро стремится принять шарообразную форму и напоминает своими свойствами каплю жидкости. 

Однако в отличие от обычной капли ядерная — заряжена. С ростом числа протонов в ядре силы электрического отталкивания начинают конкурировать с ядерными силами, обеспечивающими его устойчивость. Наступает момент, когда большой капле энергетически выгоднее разделиться на две малые, но выгода еще не означает возможность.

Для того чтобы деление произошло, капля сначала должна деформироваться, вытянуться и, следовательно, увеличить свою поверхность (шар при заданном объеме имеет минимальную поверхность). Это требует первоначальных затрат энергии.

Откуда ядро берет энергию? От захвата какой-то частицы. Выделяющаяся при этом энергия может оказаться достаточной, чтобы заставить ядро-каплю колебаться, изменить свою форму, вытянуться и, наконец, разорваться. 

Осколки уносят значительную (по масштабам микромира) энергию — около 200 МэВ. Кроме того, при делении ядер и потом они излучают нейтроны, гамма-кванты, бета-лучи. Деление атомного ядра может быть самопроизвольным — спонтанным (туннельный переход) или вызываться нейтронами, заряженными частицами, гамма-квантами. 

Чем тяжелее ядро атома, тем меньше период его спонтанного деления. Открытие деления атомных ядер позволило человечеству получить новый источник энергии. [6]

 

 

5.СТАТИСТИЧЕСКИЕ  И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАКРОСИТСТЕМ

 

Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми. Они играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20–30°С при смене времени года меняет все вокруг нас. С наступлением весны природа преображается, леса и луга зеленеют. От температуры окружающей среды зависит возможность жизни па Земле. Люди добились относительной независимости от окружающей среды, после того как научились добывать и поддерживать огонь.

Эволюция представлений о природе тепловых явлений – пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину. Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, ибо было замечено, что при соударении тел или трении их друг о друга они нагреваются.

Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем. 
Вновь перед наукой встал вопрос: что же такое теплота? Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них – вещественной теории тепла – теплота рассматривалась как особого рода невесомая «жидкость», способная перетекать от одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.

Приверженцы другой точки зрения полагали, что теплота – это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура.

Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках подобных представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной (от слова «корпускула» – частица). Ее придерживались Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сделал великий русский ученый М.В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории ученый объяснил в общем процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной теории теплоты.

И все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того, как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении тепловой жидкости – теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и с ее помощью построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и доныне.

В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой «жидкости», а с увеличением его энергии. Принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энергии. Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии.

Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус (1822–1888), английский физик-теоретик Дж. Максвелл, австрийский физик Л. Больцман (1844–1906) и другие ученые.

Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). 

Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул (термометр, манометр и др.). Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Такие тела называют макроскопическими. Они образуют макросистемы. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т. п. – все это примеры макросистем. 
Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. Обычно в качестве термодинамических параметров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем (объем единицы массы).

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960 г.) в настоящее время рекомендовано применять только две температурные шкалы – термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С). Анализ показывает, что 0 К (абсолютный нуль) недостижим, хотя сколь угодно близкое приближение к нему возможно. 
К концу XIX в. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов и молекул – молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Многочисленными опытами была доказана справедливость этой теории.

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода. Он основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик таких частиц (скорости, энергии, давления и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

После создания молекулярной физики термодинамика не утратила своего значения. Она помогает понять многие явления и с успехом применяется при расчетах многих важных механических устройств. Общие законы термодинамики справедливы для всех веществ независимо от их внутреннего строения. Вместе с тем при расчете различных процессов с помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоемкости тел, необходимо определять экспериментально. Статистические же методы позволяют на основе данных о строении вещества определить такие параметры. Однако количественная теория твердого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна, поэтому в ряде случаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимыми.

В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств микросистемы. [2, c. 75-81]

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебник. 2-е изд.  - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006г. - 447 с.

2. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: учебник для вузов. Издание второе, исправленное  и дополненное -  М.: «Академический Проект»,  2000г. – 639 с.

3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов по соц.-экон. спец. - М.: Академия, 2008г. - 607 с.
4. Царенко В. П., Михайлов Л. А.«Концепции современного естествознания: Питер, 2008 г.- 336 с.
5. Слесарев В.И.«Химия: Основы химии живого: учебник для вузов. - СПб: Химиздат, 2000. - 768 с.
6. http://www.b-i-o-n.ru/theory/atom/stroenie-atomnogo-jadra атом