Успехи ядерной физики позволили решить проблему источников звездной энергии еще в конце тридцатых годов нашего столетия. Таким источником являются термоядерные реакции синтеза, происходящие в недрах звезд при господствующей там очень высокой температуре (порядка десяти миллионов градусов).

В результате этих реакций, скорость которых сильно зависит от температуры, протоны превращаются в ядра гелия, а освобождающаяся энергия медленно «просачивается» сквозь недра звезд и в конце концов, значительно трансформированная, излучается в мировое пространство. Это исключительно мощный источник. Если предположить, что первоначально Солнце состояло только из водорода, который в результате термоядерных реакций целиком превратился в гелий, то выделившееся количество энергии составит примерно 1052 эрг. Таким образом, для поддержания излучения на наблюдаемом уровне в течение миллиардов лет достаточно, чтобы Солнце «израсходовало» не свыше 10% своего первоначального запаса водорода.

Мы можем представить картину эволюции какой-нибудь звезды следующим образом. По некоторым причинам (их можно указать несколько) начало конденсироваться облако межзвездной газово-пылевой среды. Довольно скоро (разумеется, по астрономическим масштабам!) под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется сравнительно плотный непрозрачный газовый шар. Строго говоря, этот шар еще нельзя назвать звездой, так как в его центральных областях температура недостаточна для того, чтобы начались термоядерные реакции. Давление газа внутри шара не в состоянии пока уравновесить силы притяжения отдельных его частей, поэтому он будет непрерывно сжиматься.

Обычно одновременно образуется не одна протозвезда, а более или менее многочисленная группа их. В дальнейшем эти группы становятся звездными ассоциациями и скоплениями, хорошо известными астрономам. Весьма вероятно, что на этом самом раннем этапе эволюции звезды вокруг нее образуются сгустки с меньшей массой, которые затем постепенно превращаются в планеты.

При сжатии протозвезды температура ее повышается и значительная часть освобождающейся потенциальной энергии излучается в окружающее пространство. Так как размеры сжимающегося газового шара очень велики, то излучение с единицы его поверхности будет незначительным. Чтобы пройти эту самую раннюю стадию своей эволюции, протозвездам нужно сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды больше солнечной, нужно всего лишь несколько миллионов лет, если меньше - несколько сот миллионов лет. Так как время эволюции протозвезд сравнительно невелико, эту самую раннюю фазу развития звезды обнаружить трудно. Все же звезды в такой стадии, по-видимому, наблюдаются. Мы имеем в виду очень интересные звезды типа Т Тельца, обычно погруженные в темные туманности.

Оказавшись на главной последовательности и перестав сжиматься, звезда длительно излучает практически не меняя своего положения на диаграмме «спектр - светимость». Ее излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в центральных областях. Таким образом, главная последовательность представляет собой как бы геометрическое место точек на диаграмме «спектр - светимость», где звезда (в зависимости от ее массы) может длительно и устойчиво излучать благодаря термоядерным реакциям. Место звезды на главной последовательности определяется ее массой.

Что же произойдет со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее ядре «выгорит»? Так как выделение энергии в центральных областях звезды прекращается, температура и давление не могут поддерживаться там на уровне, необходимом для противодействия силе тяготения, сжимающей звезду. Ядро звезды начнет сжиматься, а температура его будет повышаться. Образуется очень плотная горячая область, состоящая из гелия (в который превратился водород) с небольшой примесью более тяжелых элементов. Газ в таком состоянии носит название «вырожденного». Он обладает рядом интересных свойств, на которых мы здесь останавливаться не можем. В этой плотной горячей области ядерные реакции происходить не будут, но они будут довольно интенсивно протекать на периферии ядра, в сравнительно тонком слое. Вычисления показывают, что светимость звезды и ее размеры начнут расти. Звезда как бы «разбухает», и начнет «сходить» с главной последовательности, переходя в области красных гигантов. Далее, оказывается, что звезды-гиганты с меньшим содержанием тяжелых элементов будут иметь при одинаковых размерах более высокую светимость. При переходе звезды в стадию красного гиганта скорость ее эволюции значительно увеличивается.

Мощное ультрафиолетовое излучение звезды - ядра планетарной туманности - будет ионизовать атомы в оболочке, возбуждая их свечение. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеется и останется только небольшая очень горячая плотная звезда. Постепенно, довольно медленно остывая, она превратится в белый карлик.

Таким образом, белые карлики как бы «вызревают» внутри звезд - красных гигантов - и «появляются на свет» после отделения наружных слоев гигантских звезд.

После "выгорания" термоядерного топлива в звезде, масса которой сравнима с массой Солнца, в центральной её части (ядре) плотность вещества становится настолько высокой, что свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется вырожденным, а звёзды, из него состоящие, - вырожденными звёздами.

После образования вырожденного ядра термоядерное горение продолжается в источнике вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звезда переходит в область красных гигантов на диаграмме Герцшпрунга - Ресселла. Оболочка красного гиганта достигает колоссальных размеров - в сотни радиусов Солнца - и за время порядка 10-100 тыс. лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка иногда видна как планетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает и превращается в белый карлик, в котором силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа, обеспечивая тем самым устойчивость звезды. При массе около солнечной радиус белого карлика составляет всего несколько тысяч километров. Средняя плотность вещества в нём часто превышает 109 кг/м³ (тонну на кубический сантиметр!).

Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счёт медленного остывания. Основной запас тепловой энергии белого карлика содержится в колебательных движениях ионов, которые при температуре ниже 15 тыс. кель-винов образуют кристаллическую решётку. Образно говоря, белые карлики - это гигантские горячие кристаллы. Постепенно температура поверхности белого карлика уменьшается и звезда перестаёт быть белой (по цвету) - это скорее уже бурый или коричневый карлик.

Масса белых карликов не может превышать некоторого значения - это так называемый предел Чанд-расекара (по имени американского астрофизика, индийца по происхождению, Субрахманьяна Чандрасека-ра), он равен примерно 1,4 массы Солнца. Если масса звезды больше, давление вырожденных электронов не может противостоять силам гравитации и за считанные секунды происходит катастрофическое сжатие белого карлика - коллапс. В ходе коллапса плотность резко растёт, протоны объединяются с вырожденными электронами и образуют нейтроны (это называется нейтро-низацией вещества), а освобождаемую гравитационную энергию уносят в основном нейтрино. Чем же заканчивается этот процесс? По современным представлениям, коллапс может либо остановиться при достижении плотностей порядка Ю'7 кг/м3, когда нейтроны сами становятся вырожденными, - и тогда образуется нейтронная звезда; либо выделяемая энергия полностью разрушает белый карлик - и коллапс по сути дела превращается во взрыв.

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

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.

Главную реакцию фотосинтеза, идущего с выделением кислорода, можно записать в следующем виде:  ВОДА + Неорганические вещества + свет = Органические вещества + Кислород[5]

К органическим веществам относятся все соединения углерода за исключением его оксидов и нитридов. В наибольшем количестве образуются при фотосинтезе такие органические вещества, как углеводы (в первую очередь сахара и крахмал), аминокислоты (из которых строятся белки) и, наконец, жирные кислоты (которые в сочетании с глицерофосфатом служат материалом для синтеза жиров). Из неорганических веществ для синтеза всех этих соединений требуются вода (Н2О) и диоксид углерода (СО2). Для аминокислот требуются, кроме того, азот и сера. Растения могут поглощать эти элементы в форме их оксидов, нитрата (NO3–) и сульфата (SO42–) или в других, более восстановленных формах, таких, как аммиак (NH3) или сероводород (сульфид водорода H2S). В состав органических соединений может включаться при фотосинтезе также фосфор (растения поглощают его в виде фосфата) и ионы металлов – железа и магния. Марганец и некоторые другие элементы тоже необходимы для фотосинтеза, но лишь в следовых количествах.

Водные растения добывают все необходимые им питательные вещества из воды, в которой живут. СО2 и ион бикарбоната (HCO3–) тоже содержатся и в морской, и в пресной воде. Водоросли и другие водные растения получают их непосредственно из воды.

Свет в фотосинтезе играет роль не только катализатора, но и одного из реагентов. Значительная часть световой энергии, используемой растениями при фотосинтезе, запасается в виде химической потенциальной энергии в продуктах фотосинтеза. Для фотосинтеза, идущего с выделением кислорода, в той или иной мере пригоден любой видимый свет от фиолетового (длина волны 400 нм) до среднего красного (700 нм). При некоторых видах бактериального фотосинтеза, не сопровождающегося выделением O2, может эффективно использоваться свет с большей длиной волны, вплоть до дальнего красного (900 нм).

Выяснение природы фотосинтеза началось еще во времена зарождения современной химии. Работы Дж.Пристли (1772), Я.Ингенхауза (1780), Ж.Сенебье (1782), а также химические исследования А.Лавуазье (1775, 1781) позволили сделать вывод, что растения превращают диоксид углерода в кислород и для этого процесса необходим свет. Роль воды оставалась неизвестной до тех пор, пока на нее не указал в 1808 Н.Соссюр. В своих очень точных экспериментах он измерял прирост сухого веса растения, растущего в горшке с землей, а также определял объем поглощенного диоксида углерода и выделенного кислорода. Соссюр подтвердил, что весь углерод, включенный растением в органические вещества, происходит из диоксида углерода. В то же время он обнаружил, что прирост сухого вещества растения был больше, чем разность между весом поглощенного диоксида углерода и весом выделенного кислорода. Поскольку вес почвы в горшке существенно не изменялся, единственным возможным источником увеличения веса следовало считать воду. Так было показано, что одним из реагентов в фотосинтезе является вода.

Значение фотосинтеза как одного из процессов превращения энергии не могло быть оценено до тех пор, пока не возникло само представление о химической энергии. В 1845 Р.Майер пришел к выводу, что при фотосинтезе световая энергия переходит в химическую потенциальную энергию, запасаемую в его продуктах.

У растений дыхание в основе своей - процесс, противоположный фотосинтезу. Молекула сахара глюкозы окисляется кислородом воздуха до углекислого газа и воды с выделением заключенной в углеводах энергии. Эта энергия идет на осуществление и поддержку всех жизненных процессов: поглощение и испарение воды и минеральных солей, рост и развитие растений.

Именно в освобождении энергии и направлении ее на нужды растений и заключается главный смысл дыхания, которое происходит во всех живых клетках растений.

По сути, дыхание поддерживает саму жизнь на Земле! Но как именно это происходит? За счет какой формы энергии? Не вдаваясь в подробности, скажем лишь, что весь смысл дыхания состоит в образовании аденозинтрифосфорной кислоты или сокращенно АТФ - органического вещества, в состав которого входят азотистое основание аденин, пятиуглеродистый сахар рибоза (вместе они составляют аденозин) и три остатка фосфорной кислоты, соединенные между собой фосфатной связью, при распаде которой и освобождается энергия, необходимая для всего живого на Земле.

Образно это можно сравнить с работой аккумуляторной батареи, которая отдает энергию по потребности и снова заряжается у растений за счет солнечной энергии при фотосинтезе.

Фотосинтез идет только в листьях и только днем на свету, тогда как дышат растения круглые сутки, а накопление органических веществ (основы урожая) возможно лишь при условии, что фотосинтез намного превышает дыхание.

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

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.

Есть основания утверждать, что концепция дальнодействия более последовательна и даже более соответствует теории относительности, чем концепция близкодействия. Последняя, по-существу, опирается на нерелятивистское понятие пространственного контакта, означающего, что взаимодействие осуществляется, когда расстояние между частицами i и j равно (стремится к) нулю (r_ij = 0). Частица взаимодействует с полем, находящимся в этой же точке, затем последовательно передает воздействие от одной точки пространства к другой, бесконечно близкой, по цепочке пока не достигнет положения второй частицы. В релятивистской теории, как известно, время и пространство объединяются в одно 4-мерное многообразие. Релятивистски неинвариантное понятие расстояния r_ij следует заменить на релятивистски инвариантное понятие интервала s_ij = (c2t_ij2 – r2_ij)1/2. Тогда релятивистское понятие контакта означает s_ij = 0, что соответствует взаимодействию (контакту) частиц на изотропных конусах с вершинами в местах расположения частиц. Расстояние же между частицами может быть сколь угодно большим.

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 kg. 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.

Если нет нужды в переносчиках взаимодействий, то ставится вопрос о том, насколько необходимо постулировать существование континуума промежуточных точек. В теориях прямого межчастичного взаимодействия пространственно-временной фон использовался лишь для описания взаимного положения частиц. Однако в таких теориях не видно как избавиться от этой последней функции классической геометрии.

В связи с отсутствием полей переносчиков взаимодействий как самостоятельных сущностей нужно вспомнить выводы общей теории относительности и многомерных геометрических моделей физических взаимодействий типа теории Калуцы-Клейна [15]. В них физические поля описываются через метрику (многомерного) искривленного пространства-времени, то есть трактуются как свойства пространства-времени. Другими словами, понятия пространства-времени и полей переносчиков взаимодействий объединяются в единую сущность.

Другой урок многомерных геометрических моделей физических взаимодействий состоит в том, что существование различных полей, а, следовательно, и видов взаимодействий, трактуется через наличие дополнительных размерностей пространства-времени (или того, что должно составлять его прообраз в искомой теории).

Третий урок многомерных теорий Калуцы-Клейна состоит в том, что такие важные для описания физических взаимодействий понятия, как электрический и другие заряды, в ней трактуются через дополнительные компоненты импульсов взаимодействующих частиц (см., например, [16]).

В 1831, в год рождения Максвелла, М.Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такие ученые, как А.М.Ампер и Ф.Нейман, придерживались концепции дальнодействия, рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены в работе Фарадеевы силовые линии (Faraday's Lines of Force, 1857). В 1860–1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е – магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е – закон сохранения количества электричества; 4-е – вихревой характер магнитного поля.

Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3Ч1010 см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А.Физо. В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет – это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн. Этот завершающий этап исследований изложен в работе Максвелла Динамическая теория электромагнитного поля (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый Трактат об электричестве и магнетизме (1873).

Скорость света определил Фуко с использованием вращающегося зеркала. Для получения нужного числа оборотов он впервые применил миниатюрную паровую турбину, сконструированную по принципу сирены. В 1862 году Фуко измерил скорость света в воде и получил около 2,23 * 10⁸ м/с (примерно ¾ с в воздухе). Позднее Майкельсон измерил скорость света в сероуглероде и получил 1,71 * 10⁸ м/с. Проведенные повторно в 1904 г. опыты по определению скорости света окончательно установили ее величину равную 300000 км/с.

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

Элементарными частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. В соответствии с этим определением атомы и молекулы не являются элементарными частицами. Термин "элементарные частицы" не следует воспринимать слишком буквально. Элементарными частицами следует считать электроны, протоны, нейтроны, фотоны и нейтрино. Нейтрино - это частица была предсказана в 1930 г. физиком Пауэлем. Она уникальна, подвержена действию только слабых сил, ее взаимодействие с веществом ничтожно, поэтому эта частичка может легко проходить сквозь землю. Античастицы отличаются от соответствующих им частиц только зарядом. Античастицы - элементарные частицы, имеющие те же значения масс, спинов и других физических характеристик, что и их "двойники" - "частицы", но отличающиеся от них знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, например знаком электрического заряда). Все остальные характеристики подобны им. Из этого следует, что в системе частиц и античастиц сумма зарядов равна нулю. Когда говорят о частицах, выделяют стабильные (указанные выше фотоны, нейтрино и т.п.) и нестабильные. В 1932 г. в составе космических лучей был открыт позитрон, имеющий такую же массу как электрон, но противоположный по знаку заряда. В 1936 г. были открыты частицы - мюоны, с положительным и отрицательным зарядом. По своим свойствам они похожи на электроны, но в 200 раз тяжелее. В 1947 г. в космических лучах обнаружены положительные и отрицательные частицы п-мезоны, они в 280 раз тяжелее электрона. С 1949-52 были открыты к-мезоны и гипероны - эти частицы получили название странных частиц, поскольку оказалось, что прямого отношения к образованию вещества эти частицы не имеют.

С 1950-х гг. началась новая эра в изучении элементарных (субъядерных) частиц. Это было связано с тем, что удалось создать ускорители заряженных частиц, на которых было получено очень большое число так называемых неустойчивых частиц. Их еще назвали резонансами, т.к. у них очень малое время жизни. Открытие странных частиц внесло определенный вклад в понимание эволюции Вселенной в начальный период. Предполагается, что эти странные частицы существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной.

Всем элементарным частицам присущи две основные черты:

-               все частицы пока существуют остаются неизменными. Все частицы одного сорта остаются абсолютно одинаковыми, т.е. они неразличимы;

-               все частицы могут рождаться и исчезать, эти процессы, как правило, происходят при взаимодействии частиц. При столкновении двух и более энергетических частиц могут рождаться множество новых. Теоретики при рассмотрении взаимодействия частиц исходят из закона сохранении энергии и закона сохранения импульса при прогнозировании процессов.

Появившееся столь значительное количество элементарных частиц потребовало классификации, все частицы разбиты на 2 класса:

-               Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, такие частицы назвали адронами.

-               Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях - лептоны.

Количество адронов оказалось столь большим, что многие физики сделали предположение, что они имеют сложную структуру. На сегодняшний день можно предположить, что адроны состоят из кварков. Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как самостоятельно существующие частицы. Получается, что обычно частицы определяли путем взаимодействия, использования ускорительной техники, что бы можно было выделить из ядра ту или иную субъядерную составляющую, здесь процесс сложнее. Здесь теоретические модели оказались впереди теории, и теоретики поступили по-другому, они решили определить кварки по наличию самостоятельного заряда. Если нет частиц в протоне (адроне), то будет равномерное отклонение, так направили электрон на протон и электрон значительно отклонился, из этого следует, что заряд в протоне распределен неравномерно. Другой вывод сделали из закона сохранения энергии. Когда провели изменение импульса протона, движущегося с высокой скоростью, обнаружили что полный импульс кварков не равен импульса протона. Это привело к мысли о том, что помимо кварков в ядре есть еще частицы (суммарные количество энергии кварков около 50% от протона), которые не обладают зарядом. Эти частицы названы глюоны, посчитали, что именно они осуществляют взаимодействие между кварками.

Между кварками существуют хромоэлектрические силы. Направление физики, которое их изучает, называется хромодинамикой. При удалении заряженных частиц где-то на 10 в минус 13 см. силовые линии между ними искажаются. Оказалось, что сила взаимодействия между кварками с увеличением расстояния между ними не уменьшается, а возрастает. И при расположении кварков на расстоянии порядка 1-го метра, эти хромоэлектрические силы преобразуются в тонкую так называемую глюоннить (одна, единая связь). Если пойти дальше, то можно представить что эти частицы и нити формируют пространство, и можно предположить, что пространство многомерно. Подобные соображения легли в теорию суперструн. Понятие элементарных частиц неразрывно связано с понятием поля, следуя традициям сложившимся в физике, различают вещество и поле. Поле - это особая форма материи, которая наделена реальными физическими свойствами, такими как энергия. К наиболее известным относятся электромагнитное и гравитационное поля. В классической физике эти два вида материи - вещество и поле, противопоставляются друг другу. На том основании, что вещество это дискретное, а поле это непрерывная субстанция. В микромире полевые и корпускулярные аспекты объединяются и представляют собой различные проявления единой, принципиально новой в сущности микрочастиц. Иначе говоря, на микроуровне электромагнитное поле проявляет корпускулярные свойства и наоборот, частица, напр., электрон может проявлять волновые свойства. Макромир характеризуется, прежде всего, огромными массами и относительно малыми скоростями движения, в микромире малые массы, но высокие скорости движения. Для макромира характерны большие расстояния вплоть до бесконечности, а взаимодействие в микромире имеют размеры сопоставимые с размером ядер. Время, в макромире порядок времени, единицы измерения известны, но в микромире мы имеем дело с планковскоми временами, которые очень малы, коротки. Когда рассматривают здесь времена надо рассматривать с позиции квантовой механики.

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 - неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения или радиацией.[6]

Радиация, или ионизирующее излучение - это частицы и гамма-кванты, энергия которых достаточно велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы разных знаков. Радиацию нельзя вызвать с помощью химических реакций.

Мерой радиоактивности служит активность. Измеряется в Беккерелях (Бк), что соответствует 1 распаду в секунду. Содержание активности в веществе часто оценивают на единицу веса вещества (Бк/кг) или объема (Бк/куб.м). Также встречается еще такая единица активности, как Кюри (Ки). Это - огромная величина: 1 Ки = 37000000000 Бк. Активность радиоактивного источника характеризует его мощность. Так, в источнике активностью 1 Кюри происходит 37000000000 распадов в секунду. При этих распадах источник испускает ионизирующее излучения. Мерой ионизационного воздействия этого излучения на вещество является экспозиционная доза. Часто измеряется в Рентгенах (Р). Поскольку 1 Рентген - довольно большая величина, на практике удобнее пользоваться миллионной (мкР) или тысячной (мР) долями Рентгена.

Действие распространенных бытовых дозиметров основано на измерении ионизации за определенное время, то есть мощности экспозиционной дозы. Единица измерения мощности экспозиционной дозы - микроРентген/час.

Мощность дозы, умноженная на время, называется дозой. Мощность дозы и доза соотносятся так же как скорость автомобиля и пройденное этим автомобилем расстояние (путь)..

Для оценки воздействия на организм человека используются понятия эквивалентная доза и мощность эквивалентной дозы. Измеряются, соответственно, в Зивертах (Зв) и Зивертах/час. В быту можно считать, что 1 Зиверт = 100 Рентген. Необходимо указывать на какой орган, часть или все тело пришлась данная доза. Можно показать, что упомянутый выше точечный источник активностью 1 Кюри (для определенности рассматриваем источник цезий-137) на расстоянии 1 метр от себя создает мощность экспозиционной дозы приблизительно 0,3 Рентгена/час, а на расстоянии 10 метров - приблизительно 0,003 Рентгена/час. Уменьшение мощности дозы с увеличением расстояния от источника происходит всегда и обусловлено законами распространения излучения. Теперь абсолютно понятна типичная ошибка средств массовой информации, сообщающих: «Сегодня на такой-то улице обнаружен радиоактивный источник в 10 тысяч рентген при норме 20». Во-первых, в Рентгенах измеряется доза, а характеристикой источника является его активность. Источник в столько-то Рентген - это то же самое, что мешок картошки весом в столько-то минут. Поэтому в любом случае речь может идти только о мощности дозы от источника. И не просто мощности дозы, а с указанием того, на каком расстоянии от источника эта мощность дозы измерена. Далее можно высказать следующие соображения. 10 тысяч рентген/час - достаточно большая величина. С дозиметром в руках ее вряд ли можно измерить, так как при приближении к источнику дозиметр прежде покажет и 100 Рентген/час, и 1000 Рентген/час! Весьма трудно предположить, что дозиметрист продолжит приближаться к источнику. Поскольку дозиметры измеряют мощность дозы в микроРентгенах/час, то можно предполагать, что и в данном случае речь идет о 10 тысяч микроРентген/час = 10 миллиРентген/час = 0,01 Рентгена/час. Подобные источники, хотя и не представляют смертельной опасности, на улице попадаются реже, чем сторублевые купюры, и это может быть темой для информационного сообщения. Тем более что упоминание о "норме 20" можно понимать как условную верхнюю границу обычных показаний дозиметра в городе, т.е. 20 микроРентген/час.