Астероиды (asteroid – «звездоподобный», от греч. aster – «звезда» и    eidos – «вид»), малые планеты, планетоиды - планеты Солнечной системы, отличающиеся от остальных планет малыми размерами (диаметр примерно от 1 до 1000 км). В отличие от ядер комет, астероиды имеют каменистый состав, вещество поверхности многих астероидов по составу аналогично метеоритам.

После того как в 1772 г. немецкий ученый И. Тициус предложил эмпирическую формулу для больших полуосей планетных орбит, согласно которой между орбитами Марса и Юпитера должна располагаться еще одна планета, на конгрессе астрономов в 1796 г. был принят проект ее поисков.

Первый из астероидов (Цереру) открыл 1.01.1801 итальянский астроном Дж.Пиацци. В 1802 - 1807 гг. были открыты еще три астероида – Паллада, Юнона, Веста. Пиацци предложил именовать новых членов Солнечной системы планетоидами (т.е. планетообразными), а У.Гершель - астероидами (т.е. звездоподобными) - из-за отсутствия у них видимого диска.

Из 9 известных больших планет Солнечной системы Плутон наиболее удален от Солнца. Среднее расстояние Плутона от Солнца составляет 39,5 а.е. Плутон выглядит как точечный объект 15-й звездной величины, то есть примерно в 4 тысяч раз слабее тех звезд, которые находятся на пределе видимости невооруженным глазом. Плутон очень медленно, за 247,7 года, совершает оборот по орбите, которая имеет необычно большой наклон (17^o) к плоскости эклиптики и вытянута настолько, что в перигелии Плутон подходит к Солнцу на более короткое расстояние, чем Нептун. Из-за огромной удаленности от Солнца и слабой освещенности изучать Плутон очень сложно[1].

По третьему закону Кеплера период обращения для гомановской орбиты в годах равен:

Р = а 3/2 = 1,4 года

Искомое время перелета составляет половину периода обращения, т.е. около 8 месяцев.

2. Приведите доказательства справедливости закона всемирного тяготения на Земле, в Солнечной системе и за ее пределами. Определите массу Солнца, если известно, что Земля движется вокруг него со скоростью 30 км/с на среднем расстоянии 150 млн. км.

Закон всемирного тяготения выведен И.Ньютоном в 1687 г. опытным путем (и, насколько мне известно, до сих пор не подтвержден теоретически). Закон утверждает, что два точечных тела с массами m₁ и m₂ притягивают друг друга с силой

    F = G*m₁*m₂/r²           

где r - расстояние между телами, а G - гравитационная постоянная. Ускорение, которое испытывает тело m₂, находящееся на расстоянии r от данного тела m₁, равно:

    a₂ = F/m₂ = G*m₁/r²         

Закон справедлив и для протяженных тел со сферически-симметричным распределением массы, при этом r - расстояние между центрами симметрии тел. Для несферических тел закон соблюдается приближенно, причем тем точнее, чем больше расстояние между телами (между их центрами масс) по отношению к размерам тел.

Масса Солнца равна 2*10³⁰кг и в астрономии часто используется как единица массы, тоже относится и к светимости Солнца (3,86*10²⁶ Вт). Наименьшее значение масс звезд – 0,02 - 0.08 масс Солнца; при меньших значениях массы температура в центре звезды недостаточна для начала термоядерных реакций.

Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, большая полуось которой (так называемое расстояние от Земли до Солнца) составляет примерно 150 млн. км. Земля в перигелии приближается к Солнцу до 147 млн. км. (в начале января), а в афелии удаляется до 152 млн. км. (в начале июля). Период обращения вокруг Солнца - (звездный или сидерический период обращения) 365 суток 6 часов 9 минут 10 секунд. Средняя скорость движения Земли по орбите 29,76 км/с.

Земля движется в пространстве вокруг Солнца по эллиптической орбите со средним расстоянием в 150 млн.км, совершая полный оборот за, приблизительно, 365 суток или 365 полных оборотов вокруг своей оси. С. имеет диаметр 1,39 млн. км и массу в 700 раз превышающую суммарную массу всех планет системы. Самое короткое расстояние от Земли до С. в январе, когда в северном полушарии зима, а в южном - лето. А наибольшее расстояние - в июле (22), через месяц после летнего (в северном полушарии) солнцестояния.

3. Чем отличается естественнонаучный подход от философского?

П.Ф. Лесгафт, педагог и врач с мировым именем, будучи убежденным в том, что естественнонаучный подход более объективен, более доступен, более достоверен, и, главное, помогает воспитать идеальный тип человека.

В первую очередь нужно исходить из того, что основой наук о природе естественных наук, являются данные, получаемые в процессе экспериментальной деятельности, а теоретические построения являются важной, но производной частью в системе естествознания. Такая ситуация связана с тем, что объект-предметной областью естественных наук являются природные материальные образования с их структурой, свойствами, характерными особенностями движения и развития, а не одни только формальные мыслительные конструкты. В силу этого обстоятельства природа экспериментальных исследовательских методов и должна быть основой содержательного различения, разделения, классификации методов естественных наук.

Философское понятие материи возникло на основе человеческой практики, развития естественных наук. Но, тем не менее, нельзя отождествлять философское понятие материи и естественнонаучные представления о строении материи. Последнее развивается как естественнонаучная теория. Каждая эпоха создавала свою картину мира, Космоса, Вселенной. Научное рассмотрение материи связано с рассмотрением ее структуры, определенной системности. В основе современных научных представлений о материи лежит принцип системности. Любой объект материального мира – система. Молекула – система, состоящая из атомов и определенной связи между ними, атом – это система ядра и электронные оболочки, стягивающие это ядро. Ядро атома также имеет сложную структуру. В живом мире также царствуют системы: биосфера, человеческое общество, отдельная особь или индивид. Системы взаимодействуют с внешним миром, но основные внутренние связи инвариантны, т.е. устойчивы (хотя и могут изменяться). Эти устойчивые связи между элементами системы и образуют структуру.

Несмотря на уникальность, неповторимость любого объекта материального мира, можно выделить группы объектов, характеризующихся общими признаками строения. Например, атомы, молекулы, живые организмы, космические объекты и др. В соответствии с этими признаками выделяют различные уровни организации материи или ее виды.

Современные границы познания структуры материи простираются от 10^-14 см до 10²⁸ см (примерно 13 млрд. световых лет); но и внутри этого диапазона может существовать множество еще неизвестных видов материи. Современная наука выделяет следующие уровни организации материи: элементарные частицы и поля (электромагнитное, гравитационное и другие), атомы, молекулы, макроскопические тела различных размеров, планеты, звезды, внутригалактические системы (туманности, звездные скопления и другие), Галактика, системы галактик, Метагалактика, границы и структура которой пока еще не установлены. В 60-х годах открыты такие объекты, как квазары и пульсары. Несмотря на различные свойства материальных уровней, между ними существуют глубинные связи, определяющие различные формы взаимодействия между ними.

Одна из самых глубоких и последовательных традиций философии относительно всеобщей связи мира, которая последовательно развивалась Анаксагором («все во всем»), Плотином, Н.Кузанским, Лейбницем («каждая монада есть отражение Универсума») всесторонне доказывается всем ходом научного познания мира, материи.

Так, например, в особенностях взаимодействия элементарных частиц заложена возможность появления человека. Элементарные взаимодействия имеют постоянную величину (мировая константа), числовое значение которой 1/137. Именно такое значение обуславливает возникновение атомов, молекул, а затем – человека. Малейшее изменение этого соотношения, характеризующего взаимодействия на микроуровне, привело бы к коренной перестройке структуры материи, возникновению совершенно другого мира. В этом смысле человек есть метагалактическое, космическое, вселенское явление.

4. Как развивались представления о составе вещества? Какие основные законы определяют состав веществ? Каково значение закона Авогадро?

Ученым удалось обнаружить вероятный источник подобного излучения - им оказались крошечные пылинки кометного вещества из пояса Койпера. Они в большом количестве образуются при столкновениях более крупных небесных тел. По мере дрейфа к Солнцу эти пылинки подвергаются бомбардировке частицами солнечного ветра, под действием которых с их поверхности выбиваются и ионизуются атомы углерода, кремния и железа. Они ускоряются и «выметаются» за пределы Солнечной системы, где начинают двигаться взад-вперед под действием конкурирующих магнитных полей солнечного ветра и межзвездной среды.

Значение подобного открытия трудно переоценить. Благодаря нему удалось получить представление о химическом составе вещества, расположенного на периферии Солнечной системы; использование для этих целей автоматических зондов представляло бы собой чрезвычайно сложную технически и дорогостоящую задачу. Открытие открывает путь также к изучению распределения вещества в поясе Койпера по массам, а также к исследованиям взаимодействия плазмы и пылевых частиц в космическом пространстве.

Закон Авогадро - закон, согласно которому при одинаковых температурах Т и давлениях р в равных объемах любых идеальных газов содержится одинаковое число молекул Nа. Открыт А. Авогадро (A. Avogadro) в 1811. Закон Авогадро можно сформулировать иначе: 1 моль любого из веществ в газообразном состоянии при одинаковых Т и р занимает вполне определенный объем. При p=101,325 кПа, T=273,15 К этот объем равен 22,41383 м³. Количество молекул, содержащееся в 1 моле вещества, равно Авогадро постоянной.

5. Каковы источники энергии звезд? Дайте представление об эволюции обычных звезд и красных гигантов и поясните процессы, происходящие в их недрах. Какова перспектива эволюции Солнца?

Наиболее очевидным свойством звезд является то, что они светятся, точнее, являются самосветящимися телами. За счет чего покрываются их энергетические потери? Этот вопрос возник, как только был сформулирован закон сохранения энергии, однако найти исчерпывающий ответ на него сумели лишь век спустя.

Обычно думают, что главная трудность проблемы – в огромной мощности выделения энергии на Солнце и звездах. В действительности дело вовсе не в этом. Удельный темп энерговыделения на Солнце и в звездах более чем скромный. Так, в расчете на один грамм своего вещества Солнце ежесекундно выделяет всего по 2 эрга. По обыденным земным меркам это совершенно ничтожный темп энерговыделения – как в куче гниющих осенних листьев. В человеческом теле темп выделения энергии на четыре порядка выше, чем в Солнце. Однако чтобы поддерживать такой уровень производства энергии, нам нужно трижды в день есть. А Солнце (и звезды) светят миллиарды лет, не питаясь.

Итак, истинная проблема состоит в том, что звезды светят очень и очень долго. За это время они успевают высветить действительно огромные количества энергии. Откуда же она черпается?

К середине 20-х годов выяснилось, что таким источником в принципе могли бы служить ядерные реакции, ведущие к превращению водорода в гелий. Масса четырех протонов слегка превосходит массу ядра атома гелия – альфа-частицы, так что при таком процессе превращалось бы энегрию около 0.7% массы покоя. Но по соотношению Эйнштейна E = mc² при превращении в энергию даже очень малой массы m выделяется колоссальная энергия, так как множитель пропорциональности – квадрат скорости света c² – очень велик (в системе СГС - порядка 10²¹). Горячим проповедником идеи термоядерного горения водорода в 20-е годы был фактический создатель теории внутреннего строения звезд А.Эддингтон. Однако поначалу эта идея встретила серьезные возражения Резерфорда и его коллег. Температура в центре Солнца, рассчитанная самим же Эддингтоном (20 млн кельвинов) и оказавшаяся, как мы теперь твердо знаем, близкой к действительной (15.5 млн кельвинов), явно недостаточна для того, чтобы за счет кинетической энергии своего теплового движения протоны могли преодолеть электростатическое кулоновское отталкивание и сблизиться настолько, чтобы вступили в игру ядерные силы. Расхождение было очень серьезным – на три порядка по температуре.

Решение проблемы пришло с развитием квантовой механики. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, говорить о точном местоположении частицы не имеет смысла – она как бы размазана по некоторой области пространства и с разной вероятностью может быть обнаружена в разных местах. Это, в частности, делает возможным присутствие частицы и в тех областях пространства, где классические законы сохранения энергии и импульса это строго запрещают. В итоге непреодолимый для классической частицы кулоновский потенциальный барьер становится как бы «полупрозрачным» (так называемый туннельный эффект). Первыми на роль этого эффекта для решения загадки источников звездной энергии в 1929 г. указали Р.Аткинсон и Ф.Хаутерманс. Созданная в это же примерно время Г.А.Гамовым теория альфа-распада дала математический аппарат, положенный в конце тридцатых годов в основу количественной теории термоядерных реакций в недрах звезд. В 1937–1939 годах появляется, наконец, долгожданное окончательное решение давней загадки источника звездной энергии (Г.Бете и – независимо – К.Вейцзекер).

Первоначально считалось, что наше Солнце вырабатывает свою энергию по первой схеме, т.е. за счет цикла Бете. В 50-е годы, однако, стало ясно, что это не так, и преобладающую роль играют pp-цепочки. Причина в том, что, как показал более внимательный анализ, центральная температура Солнца немного ниже, чем принималось ранее, а рост темпа выделения энергии с температурой у цикла Бете происходит существенно быстрее, чем для pp-цепочек. Однако в звездах с массами, превосходящими 1,2 массы Солнца, доминирует в выделении энергии CN-цикл.

Простой энергетический расчет показал, что в Солнце выгорание водорода в его центральной части займет около 10 млрд лет. Проблема источников энергии Солнца и подавляющего большинства звезд, в частности, всех звезд так называемой главной последовательности, была тем самым окончательно решена. Однако ее решение сразу же дало и другой, важнейший для всей астрономии результат: стало ясно, что рождение звезд – это непрерывный процесс, который происходит буквально на наших глазах. Так как запасы ядерной энергии, очевидно, пропорциональны массе звезды, а темп ее расходования – светимость звезды – пропорциональна, грубо говоря, кубу массы, ясно, что все массивные звезды должны быть по астрономическим меркам совсем молодыми. Взяв в качестве примера массивную звезду Y Лебедя, Бете в своей эпохальной работе пришел к выводу, что возраст этой звезды должен быть менее 3,5·10⁷ лет.

Поскольку водород – основная составляющая звездного вещества (около 70% по массе) и поскольку при синтезе гелия выделяется большая часть ядерной энергии, запасенной в веществе, основную часть своей жизни звезды светят, сжигая водород.

В основном  Солнце  в начале своей жизни состояло из водорода. Именно водород в ходе термоядерных реакций превращается в гелий, при этом выделяется энергия, излучаемая Солнцем. Солнце принадлежит к типу звезд, называемых желтыми карликами. Оно - звезда главной последовательности и относится к спектральному классу G2. Масса одинокой звезды довольно однозначно определяет ее судьбу. За время жизни (~5 миллиардов лет), в  центре нашего светила, где температура достаточно высока,  сгорело около половины всего имеющегося там водорода. Примерно столько же, 5 миллиардов лет, Солнцу осталось жить в таком виде, к которому мы с вами привыкли.

После того, как в центре светила водород  будет  на  исходе, Солнце увеличится в размерах, станет красным гигантом. Это сильнейшим  образом скажется на Земле: повысится температура, океаны выкипят, жизнь станет невозможной. Затем, исчерпав «топливо» совсем и не имея более сил держать внешние слои красного гиганта, наша звезда закончит свою жизнь как белый карлик, порадовав неведомых нам внеземных астрономов будущего новой планетарной туманностью, форма которой может оказаться весьма причудливой благодаря влиянию планет[2].

6. Что представляет собой процесс фотосинтеза? Сравните клеточное дыхание и фотосинтез

C кровью кислород проникает в клетку, вернее в особые клеточные структуры – митохондрии. Они есть во всех клетках, за исключением клеток бактерий, сине-зеленых водорослей и зрелых клеток крови (эритроцитов). В митохондриях кислород вступает в многоступенчатую реакцию с различными питательными веществами – белками, углеводами, жирами и др. Этот процесс называется клеточным дыханием. В результате выделяется химическая энергия, которую клетка запасает в особом веществе – аденозинтрифосфорной кислоте, или АТФ. Это универсальный накопитель энергии, которую организм тратит на рост, движение, поддержание своей жизнедеятельности.

Дыхание – это окислительный, с участием кислорода распад органических питательных веществ, сопровождающийся образованием химически активных метаболитов и освобождением энергии, которые используются клетками для процессов жизнедеятельности.

Фотосинтез, образование живыми растительными клетками органических веществ, таких, как сахара и крахмал, из неорганических – из СО₂ и воды – с помощью энергии света, поглощаемого пигментами растений. Это процесс производства пищи, от которого зависят все живые существа – растения, животные и человек. У всех наземных растений и у большей части водных в ходе фотосинтеза выделяется кислород. Некоторым организмам, однако, свойственны другие виды фотосинтеза, проходящие без выделения кислорода.

7. Характеризуйте концепции близкодействия и дальнодействия. Кто и как создавал теорию электромагнитного поля? Как определяется скорость света?

В целях построения теории без первых трех иллюзий следует вспомнить концепцию дальнодействия, альтернативную доминирующей ныне концепции близкодействия (общепринятой теории поля). Согласно концепции дальнодействия уже на классическом уровне нет необходимости в промежуточных полях, а взаимодействие между частицами должно описываться непосредственно через их характеристики, причем не обязательно мгновенно. Среди ее исходных понятий нет полей, однако при желании их можно ввести как некое производное, вспомогательное понятие. В настоящее время имеется достаточно развитая такая теория, называемая теорией прямого межчастичного взаимодействия.

Как известно, соперничество между концепциями дальнодействия и близкодействия продолжается с переменным успехом уже несколько веков. Их начало датируется еще с работ Ньютона. Концепция дальнодействия доминировала в середине прошлого века в очень сильной немецкой физической школе. В ее рамках работали В. Вебер, К. Нейман, К. Ф. Цельнер и многие другие физики. К этой школе примыкал К. Гаусс, оставивший после себя записки с соображениями о теории прямого запаздывающего дальнодействия. Из этой школы вышел Э. Мах. Это направление встретилось с рядом трудностей: необходима была фундаментальная скорость запаздывания дальнодействия, нужны были носители электрического заряда, нужны были доказательства дискретной природы материи и т. д. Они не могли быть преодолены в середине прошлого столетия. Работы Максвелла по теории электромагнитного поля позволили обойти эти трудности. С тех пор эта концепция доминирует в физике почти полтора столетия.

Однако это направление исследований возродилось в первой четверти ХХ века в трудах К. Шварцшильда, Г. Тетроде, А. Д. Фоккера, Я. И. Френкеля и других авторов. В середине этого века к этим исследованиям присоединились Дж. Уилер и Р. Фейнман. В итоге была построена теория прямого межчастичного электромагнитного взаимодействия, эквивалентная общепринятой теории электромагнитного поля. Потом аналогичным образом была развита теория прямого гравитационного взаимодействия в первом приближении по гравитационной константе k_g. Она далее развивалась в трудах Ф. Хойла, Дж. Нарликара и других авторов. В некоторых аспектах эта теория имеет даже преимущества по сравнению с теорией поля.

Теория электромагнитного поля была создана Максвеллом. Теория электромагнитного поля по словам Максвелла может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические или динамические тела, и она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производится наблюдаемые электромагнитные явления.

Теория электромагнитного поля Максвелла знаменовала собой начала нового этапа в физике. Именно на этом этапе развития физики поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света, то есть со скоростью 300 000 километров в секунду. Скорость распространения волн зависит от свойств среды.

Когда физики работают с уравнениями относительности, они часто полагают, что скорость света равна единице: c = 1. Тогда уравнения становятся более простыми. Подобная операция равносильна введению других единиц измерения, естественных, в которых скорость света равна в точности единице. Например, если оставить в качестве единицы времени секунду, то единица длины должна быть в точности равна 299 792 458 метров. Эта единица называется световой секундой, так как именно это расстояние свет проходит за одну секунду. И тогда скорость света будет равна одной световой секунде в секунду.

Но это еще не все. Скорость света большая, если измерять ее в наших привычных единицах - метрах в секунду или километрах в час. Эти единицы сложились по стечению обстоятельств, в глубокой древности, когда человеку впервые потребовалось измерять время и расстояние. Не случайно наверное секунда почти равна периоду между ударами сердца, а метр - почти равен длине пары шагов. То есть, настоящий вопрос надо ставить так: "Почему скорость света такая большая по сравнению с величинами нашего обыденного мира?" или так: "Почему скорости, с которыми мы обычно двигаемся, такие маленькие в естественных единицах, в которых наиболее просты уравнения физики?".

Это очень важные вопросы, но на них мы можем ответить лишь отчасти. Скорости, с которыми мы ходим и живем, определяются относительным количеством доступной нам химической энергии E, которая выделяется в мышцах, в сравнении с массой наших тел m. Кинетическая энергия при низкой скорости дается формулой E = (1/2)mv². Поэтому скорости, получаемые нами от химического топлива, равны по порядку величины квадратному корню из E/m. А на самом деле - еще меньше, так как наши тела используют энергию очень неэффективно, медленно рассеивая большую его часть в виде тепла. Наши скорости также должны быть сравнимы с относительной величиной силы гравитации Земли g = 9,8 м/с² по сравнению с размером наших тел. Не случайно, что в отличие от c, число g, выраженное общепринятых единицах, равно такому ни большому и ни маленькому числу!

Согласно теории относительности, построенной Эйнштейном, количество энергии, которая содержится в массе m, выражается формулой E = mc², поэтому исходный вопрос превращается, наконец, в вопрос: "Почему такая малая часть энергии вещества сосредоточена в виде химической энергии"? Если бы наш обмен веществ работал на атомных, а не на химических, реакциях, мы бы могли двигаться гораздо быстрее (считаем, что прочие условия соблюдены) и тогда наши единицы длины и времени были бы другими и скорость света не казалась бы такой большой. Описанное соотношение между энергиями определяется такими параметрами, как константы связи основных взаимодействий, а также массами частиц. Из наблюдений мы знаем, что эти значения разнятся на порядки. Почему дело обстоит именно так, мы пока не знаем. Быть может, это чистая случайность и тогда значения этих величин должны быть просто заданы как некая первоначальная сущность, наподобие антропного принципа.

8. Поясните понятие элементарной частицы, как классифицируются элементарные частицы и как они исследуются. Что такое «античастицы»? В чем состоит гипотеза кварков? Какие проблемы стоят  в теории элементарных частиц?

Элементарные  частицы в точном значении этого термина - пер­вичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии «элементарные частицы» в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все из­вестные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Все элементарные частицы могут быть классифицированы по двум признакам - по типу статистики, которой они подчиняются, и по тому участвуют эти частицы в сильных взаимодействиях или нет (в слабых взаимодействиях участвуют все частицы).

В соответствии с первым признаком частицы делятся на фермионы (т.е. частицы подчиняющиеся статистике Ферми) и бозоны (частицы подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна). Фермионы имеют полуцелый спин (в атомной системе единиц), бозоны - целый. Примером фермиона может служить электрон, примером бозона - фотон. В соответствие со вторым признаком частицы делятся на адроны (участвуют в сильных взаимодействиях) и лептоны (не участвуют). Пример адрона - протон, пример лептона - электрон.

        С 30-х и до начала 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано с ис­следованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е⁺) - частица с массой элек­трона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был пер­вой открытой античастицей. Существование е⁺ непосредственно выте­кало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928—31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) - частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е^-, е⁺.

Античастицы - элементарные частицы, имеющие ту же массу, время жизни, спин и другие характеристики, что и их двойники-частицы, но отличающиеся от них знаками электрозаряда и магнитного момента, барионного и лептонного зарядами, странностью. Все элементарные частицы кроме фотонов имеют пары своих античастиц и аннигилируют при столкновении с ними.

Гипотеза кварков - гипотеза о том, что все адроны с барионным числом B= 1 (барионы) состоят из трех кварков, а адроны с B=0 (мезоны) - из пары кварк и антикварк, была высказана в 1964 году М. Гелл-Манном и австрийским физиком Г. Цвейгом. Необычность кварков состояла в том, что им следовало приписать дробное барионное число B = 1/3 и дробный электрический заряд, составляющий Q = 2/3 и Q= -1/3 от элементарного электрического заряда электрона (-e). Объекты с такими характеристиками в природе ранее не встречались. Г. Цвейг назвал их тузами (aces). Прижилось в дальнейшем название «кварк». Для объяснения строения всех известных к тому времени супермультиплетов понадобилось три типа кварков: u, d, s со спином 1/2 и их антикварки.

Проблемы теории элементарных частиц заключаются в том, что наряду с попытками построения единой теории поля (в ходе которых его размерность постоянно растет) существует направление, пытающееся ввести новую модель для описания элементарных частиц - модель струны. Но степень успешности этого относительно молодого направления еще неясна.

9. Что такое радиоактивность (естественная и искусственная)? Как использование явлений радиоактивности позволило осуществить мечту алхимиков? Что такое «изотопы»? Как можно разделять их и насколько это важно?

Радиоактивность- это способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния и др.) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения. Такие элементы называют радиоактивными.

 Радиоактивные вещества (РВ) распадаются со строго определённой скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. временем, в течении которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким-либо способом.

  Пучок излучений в магнитном поле разделяется на три вида излучения.

  α-Излучение - поток положительно заряженных частиц представляющих собой ядро гелия ( два нейтрона и два протона), движущихся со скоростью около 20 000 км /с, т.е. в35 000 раз быстрее, чем современные самолёты.  Альфа-частица относится к тяжелым частицам: она в 7300 раз тяжелее электрона. В воздухе пробегает в среднем 3,6 см. В животных тканях её проникающая способность ещё меньше и измеряется микронами. Альфа- частицы входят в состав космических лучей у Земли (6%).

Альфа – распад представляет собой  самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро Не⁴_2.

В результате – распада заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4 единицы, например:  Кинетическая энергия вылетающей α– частицы определяется массами исходного и конечного ядер и α–частицы. Известно более 200 α– активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за Pb, которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки  Z=82. Известно также около 20 α–радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь α –распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N=84, которые при испускании α–частиц превращаются в ядра с заполненной ядерной оболочкой (N=82). Время жизни α–активных ядер колеблются в широких пределах: от 3*10^-7 сек (для Po²¹²) до (2-5)*10¹⁵ лет (природные изотопы Ce^{142, 144, 176}) Энергия наблюдаемого       α–распада лежит в пределах 4-9 Мэв (за исключением длиннопробежных α–частиц) для всех тяжелых ядер и 2-4.5 Мэв для редкоземельных элементов.

β - Излучение -  поток заряженных отрицательно частиц  (электронов). Их скорость         (200 000-300 000 км/с) приближается к скорости света. Масса  бета- частиц равна 1/1840 массы водорода. Они в воздухе пробегают расстояние в 10 метров, а в воде и животных тканях около 1 см. Бета- частицы относятся к лёгким частицам.

γ - Излучение - представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. По свойствам оно близко к рентгеновскому излучению, но обладает значительно большей скоростью и энергией, но распространяется со скоростью света. В спектре электромагнитных волн эти лучи занимают почти крайнее справа место. За ними следуют лишь космические лучи. Энергия гамма- лучей в среднем составляет около 1,3 Мэв (мегаэлектроновольт,- миллион электроновольт).Это очень большая энергия. Частота колебаний волн гамма лучей равна    10 ²⁰  раз/сек, то есть гамма лучи относятся к очень жёстким лучам, и проникающая способность их, поэтому велика. Через тело человека они проходят беспрепятственно. Физике известно, что всякое электромагнитное излучение испускается и поглощается в виде отдельных порций, называемых квантами. Гамма- кванты испускаются в ходе ядерных реакций и при распаде многих радиоактивных веществ.

При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение, не отклоняющееся электрическим и магнитным полями. Эти лучи проникают через слой свинца толщиной в несколько метров. Это излучение представляет собой поток частиц, заряженных нейтрально. Эти частицы названы нейтронами.

Масса нейтрона равна массе протона. Нейтроны обладают различной скоростью, в среднем меньше скорости света. Быстрые нейтроны развивают энергию порядка 0,5 Мэв и выше, медленные - от долей до нескольких тысяч электроновольт. Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, обладают, как и гамма лучи, большой проникающей способностью. Ослабление потока нейтронов в основном происходит за счет столкновения с ядрами других атомов и за счет захвата нейтронов ядрами атомов. Так при столкновении с легкими ядрами нейтроны в большей степени теряют свою энергию, но легкие водородосодержащие вещества такие как: вода, парафин, ткани тела человека, сырой бетон, почва, являются лучшими замедлителями и поглотителями нейтронов.

В природе многие химические элементы выделяют излучения. Эти элементы называются радиоактивными элементами, а сам процесс получил название естественной радиоактивности. На процессы радиоактивного излучения не оказывают никакого действия ни огромные давления и температуры, ни магнитные и электрические поля. Радиоактивное излучение связано с превращением ядер элемента. Существует  два вида естественного  радиоактивного распада.

Полученные таким образом изотопы  были названы искусственно радиоактивными, а их способность распадаться получила название искусственной радиоактивности. В настоящее время получено свыше 900 искусственных радиоактивных изотопов.

Они широко используются  в медицине и в биологии для изучения химических превращений в организме. Этот метод называется методом меченых атомов.

Изотопы - разновидности атомов химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в ядре. У изотопов данного элемента одинаковый атомный номер (равный числу протонов) и почти одинаковые химические свойства, но разные массовые числа (определяемые числом протонов и нейтронов) и немного различающиеся физические свойства. Изотопы были открыты независимо Б.Болтвудом в 1906 и Г.Мак-Коем и В.Россом в 1907 при изучении радиоактивности тяжелых элементов, а термин «изотоп» предложил английский химик Ф.Содди в 1910. Слово образовано из двух греческих слов, означающих «одинаковый» (isos) и «место» (topos), т.к. данные разновидности атомов каждого элемента занимают одно и то же место в периодической системе элементов Менделеева. Изотопы обозначают по-разному. Например, изотоп углерода, содержащий 6 протонов и 6 нейтронов, можно представить одним из следующих способов: углерод-12, С-12, ¹²С, где 12 – массовое число. Иногда указывают также число протонов, например ¹²₆С.

Процесс деления изотопов рассмотрим на примере процесса деления изотопов урана. Процесс деления изотопов урана ²³⁸U и ²³⁵U под действием нейтронов представляет особый интерес, т.к. они используются в качестве топлива в ядерных реакторах. Естественная смесь содержит 99,3%   изотопа урана ²³⁸U  и 0.7% изотопа ²³⁵U.

1.                Энергия отделения нейтрона больше барьера деления, т. е. В(n) > Н.

2.                Энергия отделения нейтрона меньше барьера деления, т.е. В(n) < Н.

В первом случае деление возможно при захвате нейтронов любой энергии. Во втором случае, для того чтобы произошло деление, нейтроны должны иметь кинетическую энергию Е_n > Н - В(n), т. е. существует порог деления. Это соотношение между высотой барьера деления и энергией отделения нейтрона приводит к различию в энергии нейтронов, которые могут вызвать деление изотопов урана ²³⁸U и ²³⁵U.

²³⁸U делится нейтронами с энергией Е_n > 1 МэВ. ²³⁵U делится под действием нейтронов любой энергии. Энергия возбуждения ядра ²³⁶U после захвата теплового нейтрона превышает высоту потенциального барьера, в то время как для ²³⁹U энергия возбуждения меньше высоты барьера на 1 МэВ. Поэтому тепловые нейтроны не вызывают деления ²³⁹U. Минимально возможная кинетическая энергия, которой должен обладать нейтрон, чтобы вызвать деление ядра ²³⁸U, равна разности высоты барьера и энергии отделения нейтрона в ядре ²³⁹U, т.е. 1 МэВ.

Различие в делении этих изотопов урана объясняется двумя обстоятельствами.

1.                Так как Z²/А для ²³⁹U меньше, чем для ²³⁶U (нужно рассматривать деление ядра, захватившего нейтрон), то величина барьера Н для первого из этих изотопов будет больше.

2.                При захвате теплового нейтрона энергия возбуждения конечных ядер ²³⁶U и ²³⁹U оказывается различной. Эта энергия равна энергии отделения нейтрона в конечном ядре (очень малой кинетической энергией теплового нейтрона можно пренебречь). Так как ядро ²³⁶U - четно-четное, а ²³⁹U - нечетно-четное, то энергия отделения нейтрона в ²³⁶U больше, чем в ²³⁹U (6,5 МэВ против 4,8 МэВ).

10.   В чем заключается явление самоорганизации? Примеры из области химии и физики

Модель атома Резерфорда с точки зрения инженера-электрика 1910-х годов была рядовой электромагнитной системой, а вопрос об отсутствии из нее излучений имел тривиальное решение в следующем. Электроны, двигаясь в атоме, излучают, но атом в целом - нет, следовательно в атоме есть еще один источник излучения - ядро. За пределами атома эти два излучения, суммируясь, обращаются в нуль. Возражений быть не могло, т.к. сведений о ядре для этого недоставало. Пределы компетенции теории Фарадея-Максвелла распространяются при этом в глубину атома, заканчиваясь вблизи ядра. Для выводов о неприменимости этой теории к микромиру не было оснований, т.к. вопросы о ядре, о том, почему оно излучает именно так, выходят за эти пределы и относятся к другой теории. Конечно же, самоорганизация - природная автоматика, приводящая атом к неизлучающим состояниям, казалась тогда явлением невероятным - интуиция отвергала строгую логику математической теории.

Однако решение этого вопроса могло быть найдено в известных тогда принципах радиоприёма - как отбора мощности из потока излучений в колебательные системы. Далее будем иметь в виду только периодические движения, колебания и излучения.

Для того, чтобы модель атома не излучала при любом числе «электронов», занимающих дискретный ряд орбит, моделью его ядра должна служить открытая колебательная система без внутренних потерь энергии. Необходимо и достаточно, чтобы она имела дискретный ряд резонансных частот, соответствующих орбитам «электронов», и некоторое множество форм (мод) резонансов на каждой из этих частот, - т.е. типичные общие свойства объемных резонаторов. Конкретные же свойства предстояло вычислить, исходя из спектров излучений и устойчивых состояний атомов.

Подобные системы при достаточности степеней свободы колебаний способны самопроизвольно приходить к неизлучающему состоянию. Если модель атома излучает на частотах резонансов, то в колебательной системе («ядре») возбуждаются колебания, которые тоже излучают. Различные формы (моды) колебаний излучают различно, их амплитуды и фазы подвижны, но развиваются лишь те из них и при таких фазах, которые, излучая, уменьшают общую мощность излучения из модели, т.е. поглощают энергию излучения, за счет которой и развиваются. Прочие колебания затухают, излучив энергию. Пока модель излучает, она питает энергией всё новые и новые колебательные процессы в «ядре». Так продолжается или до исчерпания степеней свободы колебаний, или, при их достаточности, до полного погашения излучений. Тогда «электроны» в модели движутся, не теряя энергию, т.к. излучения их и «ядра» взаимно погашаются. Так модель приходит к устойчивому состоянию. Спектры резонансов «ядра» дискретны - дискретны и устойчивые орбиты «электронов».

Описанное явление можно понимать как явление самоорганизации колебательно-волновых процессов, свойственное колебательным системам, достаточно для этого сложным. То же явление порождает общую тенденцию таких систем к неизлучающим или минимально излучающим состояниям, чем отчасти можно объяснять энергетическую устойчивость электромагнитных динамических систем в микромире вообще.

Всякая самоорганизующаяся система есть система одновременно организуемая извне. Никакая часть Вселенной не может быть сама по себе самоорганизующейся, если она одновременно не организуется Вселенной.

Человечество существует в весьма узком коридоре природно-климатических условий Земли. Во всех отношениях это плацентарные, колыбельные условия (К.Э. Циолковский), Эксцессы на Солнце и даже на других планетах определяют развитие жизни на Земле. Но и сама Солнечная система «баюкается» на периферии Млечного пути, эксцессы в котором определяют динамику Солнца и планет. И так далее в бесконечную глубину космоса. Воистину, получается, что вся Вселенная работает на человека. Этот же принцип получается из анализа фундаментальных законов материи, которые есть «проявление наивысшей формы порядка, постоянно действующих правил и «требований» объективной необходимости их выполнения. Не выполнять их нельзя». Ничтожнейшее изменение фундаментальных констант, нормирующих законы природы, - и жизнь на Земле прервется, и не станет человека, и некому будет изучать законы природы[3].

Список литературы:

1.           Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000.

2.           Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1998.

3.           Иванов В.В. Источники энергии звезд. М.: Наука, 1993.

4.           Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998.

5.           Эйген М., Винклер Р. Игра жизни. М.: Наука, 1979.

[1] Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998. С. 22-24.

[2] Иванов В.В. Источники энергии звезд. М.: Наука, 1993. С. 90.

[3] Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998. С. 190-195.