Контрольная работа по "Естествознанию"

   1. Задача 105. ₉₀Th²³⁰® ₈₈Ra²²⁶  +   ?

   Решение.

    По  закону сохранения электрического  заряда (закон сохранения числа  р) 

   90=88+х,  откуда х=2 => элемент находится  на втором месте в Таблице  Менделеева – Не.

   По  закону сохранения массового числа  (нуклонов)

   230=226+у, откуда у=4 => неизвестным элементом является изотоп ₂He⁴

   Ответ:

   ₉₀Th²³⁰® ₈₈Ra²²⁶  + ₂He⁴ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   2. Задача 115. Нейтронные звезды как окончание эволюции звезд. Теория и эксперимент.

   При нагревании железный прут краснеет. Если продолжить нагревание, он может раскалиться добела. Если же нагреть прут еще сильнее, он начнет плавиться, а в очень мощной печи превратится в газ: атомы железа начнут отрываться и убегать из кипящего металла. При достаточно сильном нагреве все вещества на Земле, в конечном счете, превращаются в газ. Именно по этой причине астрономы называют звезды газовыми шарами — температура их поверхности столь высока, что вещество не может находиться в жидком или твердом состоянии. Поверхность звезды должна состоять из газа — это утверждение нам, на Земле, представляется бесспорным. Но астрономы обнаружили, что плотность вещества в природе может достигать таких больших значений, что газ как бы замораживается и снова переходит в твердое состояние. И хотя это не то твердое состояние, к которому мы привыкли, следуя земному определению твердого тела, подобное высокоплотное вещество следует рассматривать как твердое тело.

   Возможно, это звучит несколько загадочно, но кропотливые теоретические изыскания  ученых и долгие, утомительные исследования показывают, что представление о твердом теле — единственный способ описать состояние вещества при определенных условиях.

   Как известно, достаточно массивные звезды не могут заканчивать свою жизнь обычным путем — медленно угасая в течение длительного времени. Для большинства массивных звезд избыток массы вещества препятствует такому ходу эволюции: для поддержания равновесия звезды от нее должна отделиться оболочка, содержащая значительную часть первоначальной массы. Сбросив излишнюю массу, звезда может «удалиться на покой», но при этом она принимает странный вид. Если родительская звезда, начиная свой жизненный путь, имела массу в два раза больше, чем масса Солнца, она может превратиться в нейтронную звезду, свойства которой устрашают и поражают воображение. Любопытно отметить, что некоторые нейтронные звезды обладают массой, составляющей около 1/5 солнечной, но даже в этих случаях масса родительской звезды первоначально была не менее чем вдвое больше массы Солнца.

   Говоря  о нейтронных звездах, следует учитывать, что их физические характеристики установлены теоретически и весьма гипотетичны, так как физические условия, существующие в этих телах, не могут быть воспроизведены в лабораторных экспериментах. Несколько утешает тот факт, что подобный аналитический метод с успехом был применен для предсказания поведения и характеристик других небесных объектов. Следовательно, хотя в большинстве случаев экстраполяция фактически является крайним и весьма смелым методом, тем не менее, есть основание считать, что она в определенной степени отвечает реальности. Ученый по мере возможности проверяет правильность экстраполяции, делая на ее основе те или иные предсказания. Если они оказываются верными, ученый знает, что экстраполяция, какой бы дикой она ни казалась, является правильной, и это может служить отправной точкой для дальнейших исследований.

   Концепция нейтронных звезд не нова: первое предположение  о возможности их существования  было сделано талантливыми астрономами  Фрицем Цвикки и Вальтером Бааде  из Калифорнии в 1934 г. В конце 30-х годов она снова стала предметом исследований других американских ученых Оппенгеймера и Волкова. Интерес этих физиков к данной проблеме был вызван стремлением определить конечную стадию эволюции массивной сжимающейся звезды. Так как роль и значение сверхновых вскрылись примерно в то же время, было высказано предположение, что нейтронная звезда может оказаться остатком взрыва сверхновой.

   В начале 60-х годов открытие космических  источников рентгеновского излучения  весьма обнадежило тех, кто рассматривал нейтронные звезды как возможные источники небесного рентгеновского излучения. К концу 1967 г. был обнаружен новый класс небесных объектов — пульсары, что привело ученых в замешательство. Это открытие явилось наиболее важным событием в изучении нейтронных звезд, так как оно вновь подняло вопрос о происхождении космического рентгеновского излучения. Открытие пульсаров ознаменовало потрясающий скачок в изучении нейтронных звезд: оказалось, что некоторые особенности пульсаров связаны с нейтронными звездами.

   Методом исключения было установлено, что единственным механизмом, объясняющим регулярное излучение пульсарами импульсов, может  быть только вращающаяся нейтронная звезда. Тем самым гипотетический космический объект — плод чисто  теоретических изысканий — стал реальностью и предметом интенсивного исследования. Сначала мы остановимся на физических свойствах нейтронных звезд, а в качестве пульсаров подробнее рассмотрим их в другой главе.

   Решающее  влияние на свойства нейтронных звезд  оказывают гравитационные силы. Вслед за взрывом сверхновой родительская звезда, гравитационное сжатие которой вызвало взрыв, уменьшается в диаметре до десятков километров. По различным оценкам, диаметры нейтронных звезд составляют примерно 10—200 км. И этот незначительный по космическим понятиям объем «набит» таким количеством вещества, которое может составить небесное тело, подобное Солнцу, диаметром около 1,5 млн, км, а по массе почти в треть миллиона раз тяжелее Земли. Естественное следствие такой концентрации вещества — невероятно высокая плотность нейтронной звезды. Фактически она оказывается настолько плотной, что может быть даже твердой.

   Чтобы полностью определить физические характеристики вещества нейтронных звезд, требуется  знать уравнение состояния. Последнее  представляет собой сложное математическое выражение, описывающее общее физическое состояние вещества звезды. Уравнение учитывает такие важные параметры, как температура, давление, плотность, жесткость, в их сложной взаимосвязи. Единственная проблема состоит в том, что все они недостаточно хорошо известны. Теоретики считают, что если бы они знали эти параметры, то смогли бы дать полное описание звезды. Но так как параметры не известны, физические характеристики звезды, в частности нейтронной, могут получаться весьма различными в зависимости от того, каким уравнением состояния воспользуется тот или иной ученый. Мы рассмотрим две концепции нейтронной звезды.

   Начнем  с исследования недр нейтронной звезды, чтобы выяснить, какого типа частицы  находятся в ее центре и какие новые процессы возникают при плотностях, характерных для такой звезды. Следует учесть, что вырожденный газ присутствует и в нейтронных звездах. Как мы уже видели ранее, электроны в таком состоянии не могут двигаться как угодно. В противном случае они вторглись бы в области, занимаемые другими электронами, которые уже расположены настолько тесно, насколько это возможно. Электроны могут менять свои скорости и местоположение только тогда, когда другие электроны уйдут с их пути.

   При плотностях, характерных для центральной части, или ядра, белого карлика, вещество состоит из ядер атомов и вырожденного электронного газа. В случае если какая-либо звезда получит возможность сжаться до больших плотностей, электронам придется двигаться еще быстрее, чтобы не нарушался закон, согласно которому никакие два электрона с точно одинаковой энергией не могут одновременно занимать одно и то же место пространства. С увеличением скорости возрастает энергия электронов, и теперь они могут проникать в ядро атомов, где вступают в реакции с протонами, порождая нейтроны. Это приводит к появлению особых ядер, которые могут быть стабильными в веществе, обладающем высокой плотностью, но они были бы неустойчивы и распадались бы в земных условиях.

   Дальнейший  рост плотности вызывает такое увеличение скорости электронов, что они без труда захватываются ядрами: отношение числа нейтронов к числу протонов возрастает. Когда скорости электронов становятся достаточно большими, нейтроны, прежде связанные в ядрах, могут их покидать. Они становятся несвязанными. При этом нейтроны сами образуют вырожденный газ! Нейтроны, так же как и электроны, подчиняются специфическим законам, которые делают невозможным их проникновение в области, занимаемые соседями. При достаточно высокой плотности «несвязанные» нейтроны оказываются в равновесии с нейтронами в ядрах. Это равновесие было бы устойчивым, если бы не безграничное увеличение плотности. При дальнейшем увеличении плотности допустимое число нейтронов, находящихся в равновесии, может оказаться в тысячу раз больше, чем число ядер. Но плотность продолжает возрастать!

   Наконец возникает новая ситуация. Протоны, которые ранее были локализованы в ядрах, начинают покидать их, так  что все ядра как таковые исчезают или, точнее, распадаются. Образовавшееся вещество обладает очень простым составом: это всего-навсего смесь протонов, нейтронов и электронов. Протоны и электроны составляют 3 % смеси, а нейтроны — остальные 97 %.

   При дальнейшем возрастании плотности наступает  новая фаза. Рождаются особые частицы, более тяжелые, чем нейтрон и протон. Эти частицы — гипероны — появляются, когда плотность примерно в три раза превысит обычную плотность атомного ядра. Однако здесь мы имеем дело с очень большим числом неизвестных и не можем определенно сказать, что же представляет собой ядро нейтронной звезды.

   При таких  невероятно больших плотностях давление вырожденных нейтронов и их взаимное отталкивание на малых расстояниях  приводят к тому, что нейтронная жидкость становится фактически несжимаемой. М. А. Рудерман из Колумбийского университета, отмечает, что «сопротивление звезд сжатию оказывается в 10 000 млрд. млрд. раз сильнее сопротивления обычной стали». Обладая таким сопротивлением, нейтронная звезда может обеспечить давление, необходимое, чтобы уравновесить силы тяготения в ее ядре.

   Если  бы удалось разрезать нейтронную звезду, нашему взору открылась бы сравнительно простая структура, однако объяснить, что представляет собой  эта структура, по существу, невозможно. Нейтронная звезда имеет невырожденную  атмосферу, то есть атомы в ее верхних слоях подобны тем, которые мы находим на Земле. Если бы в поверхностных слоях атмосферы нейтронной звезды присутствовали атомы водорода или гелия, они быстро продиффундировали бы в более глубокие, слои, где из-за высокой температуры тотчас же выгорели бы в термоядерных реакциях. Вероятнее всего, в атмосферах нейтронных звезд преобладает железо.

   На  поверхности нейтронной звезды плотность  равна нулю, но с глубиной плотность  очень быстро растет, и на расстоянии около метра под поверхностью 1 см³ вещества должен весить около 100 т. У основания атмосферы электроны переходят в вырожденное состояние, и, поскольку проводимость вырожденного электронного газа высока, температура растет с глубиной незначительно. Следует ожидать, что у типичной нейтронной звезды температура поверхности составляет около 1% (или меньше) от температуры в ядре и, вообще говоря, зависит от наличия магнитных полей.

   Действие  сильного гравитационного поля на поверхности  нейтронной звезды можно проиллюстрировать  следующим примером. Вообразим человека, который вертикально опускается к поверхности звезды. Приливные силы, обусловленные разностью гравитационного притяжения, действующего между головой и ногами, растягивая этого несчастного, разорвали бы его на куски. Действительно, его ноги будут притягиваться сильнее, чем голова, но лишь до тех пор, пока ступни не коснутся поверхности. Встав на поверхность, человек оказался бы смятым притяжением до толщины следа, оставляемого почтовым штемпелем.

   При наличии  магнитного поля температура может  сильно измениться, так как поле влияет на движение электронов. Когда звезда сжимается до размеров нейтронной звезды, то первоначальное магнитное поле, будучи «вмороженным» в нее, возрастает. Согласно оценкам, магнитное поле нейтронной звезды может достигать 1 млн. млн. гаусс, тогда как на Земле оно составляет 1 гаусс. Хотя об этих магнитных полях известно немного, тем не менее, ученые считают, что большая часть космических лучей Млечного Пути может испускаться с поверхностей нейтронных звезд, где частицы ускоряются такими мощными магнитными полями.

   Очень сильные магнитные поля не могут  быть такими однородными, как, например, поле подковообразного магнита. Взрыв  сверхновой представляет собой такой  чудовищный катаклизм, что связанное  с ней магнитное поле как бы завязывается узлами, скручивается, деформируется. Относительно тонкая поверхностная кора нейтронной звезды, пронизанная мощным деформированным магнитным полем, подвергается таким чудовищным напряжениям, что в ней могут возникнуть разломы. Дайсон из Института высших исследований в Принстоне предположил, что через эти разломы в коре могло бы поступать на поверхность сверхплотное вещество из незакристаллизовавшихся областей нейтронной звезды. Это дает начало «звездотрясениям»: на поверхности звезды появляются гейзеры или вулканы, выбрасывающие вещество из недр звезды на поверхность. Под тяжестью выброшенного вещества возникают новые разломы коры, которые способствуют дальнейшему поступлению вещества из недр звезды на поверхность.