КСЕ 1 курс (Тулинов-старший)

Билет №13

Квантовые постулаты Бора 

 Модель атома Резерфорда была дополнена рядом положений, автором которых является датский физик Бор.

В 1913 году Бор показал, что несовпадение с экспериментом выводов, основанных на модели Резерфорда, возникла потому, что поведение микрочастиц нельзя описывать теми же законами, что и макроскопических тел. Бор предположил, что величины характеризующие микромир, должны квантоваться, т.е. они могут принимать только определенные дискретные значения. Законы микромира - квантовые законы! Эти законы в начале 20 столетия еще не были установлены наукой. Бор сформулировал их в виде трех постулатов. дополняющих атом Резерфорда.

Первый постулат:  Атомы имеют ряд стационарных состояний соответствующих определенным значениям энергий: Е₁, Е₂...E_n. Находясь в стационарном состоянии, атом энергии не излучает, несмотря на движение электронов.

Второй постулат: В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам, для которых выполняется квантовое соотношение:                                                m·V·r = n·h/2· (1) где m·V·r =L - момент импульса, n=1,2,3..., h-постоянная Планка.

Третий постулат: Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или поглощается порция энергии (квант), равная разности энергий стационарных состояний, между которыми происходит переход:                                                 = h·= E_m-E_n (2)

Билет №14

Корпускулярно-волновой дуализм, лежащее в основе квантовой механики положение о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты.

  По представлениям классической (неквантовой) физики, движение частиц и распространение волн различаются принципиально. Однако опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект), изучение рассеяния света на электронах и ряд др. экспериментов убедительно показали, что свет — объект, имеющий, согласно классической теории, волновую природу, — ведёт себя подобно потоку частиц. Световая «частица» (фотон) имеет энергию Е и импульс р, связанные с частотой  и длиной волны  света соотношениями: E=h, p=h/, где h — Планка постоянная. С другой стороны, оказалось, что пучок электронов, падающих на кристалл, даёт дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на основе волновых представлений. Позже было установлено, что это явление свойственно вообще всем микрочастицам.

  Таким образом, характерной особенностью микромира является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят в рамках классической физики. Так, возникновение дифракционной картины при рассеянии частиц несовместимо с представлением о движении их по траекториям. Естественное истолкование К.-в. д. получил в квантовой механике.

Билет №15

Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны, входящие в состав ядра, несут положительный заряд.

В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом - нейтральная частица, не несущая заряда.

Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот - захватить чужые электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом.

Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, так как масса электрона составляет всего лишь 1/1836 часть массы протона. Плотность вещества в ядре фантастически велика - порядка 10¹³ - 10¹⁴ г/см³. Спичечный коробок, наполненный веществом такой плотности, весил бы 2,5 миллиарда тонн!

Внешние размеры атома - это размеры гораздо менее плотного электронного облака, которое примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.

Кроме протонов, в состав ядра большинства атомов входят нейтроны, не несущие никакого заряда. Масса нейтрона практически не отличается от массы протона.

Электроны, протоны и нейтроны являются главными "строительными деталями" атомов и называются субатомными частицами.

Билет №15(продолжение)

Дефе́кт ма́ссы — разность между массой покоя атомного ядра данного изотопа, выраженной в атомных единицах массы, и суммой масс покоя составляющих его нуклонов (массовым числом). Обозначается дельта m=сумма масс протона +сумма масс нейтрона – масса ядра

Образовавшаяся масса обладает энергией Е=m*c^2

Дефект массы характеризует устойчивость ядра.

Дефект массы, отнесённый к одному нуклону, называется упаковочным множителем.

Энергия связи ядра – минимальная энергия, необходимая для того, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны). Ядро – система связанных нуклонов, состоящая из Z протонов (масса протона в свободном состоянии m_p) и N нейтронов (масса нейтрона в свободном состоянии m_n). Для того, чтобы разделить ядро на составные нуклоны, нужно затратить определенную минимальную энергию W, называемую энергией связи. При этом покоящееся ядро с массой М переходит в совокупность свободных покоящихся протонов и нейтронов с суммарной массой Zm_p + Nm_n. Энергия покоящегося ядра Мс². Энергия освобождённых покоящихся нуклонов (Zm_{p +} Nm_n)с². В соответствии с законом сохранения энергии Мс² + W = (Zm_p + Nm_n)с². Или W = (Zm_p + Nm_n)с² - Мс². Поскольку W > 0, то М < (Zm_p + Nm_n), т.е. масса, начального ядра, в котором нуклоны связаны, меньше суммы масс свободных нуклонов, входящих в его состав.     W растёт с увеличением числа А нуклонов в ядре (А = Z + N). Удобно иметь дело с удельной энергией связи = W/A, т.е. средней энергией связи, приходящейся на один нуклон. Для большинства ядер 8 МэВ (1 МэВ = 1.6^.10^-13 Дж). Для разрыва химической связи нужна энергия в 10⁶ раз меньше.

Билет №18

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА, состоит из центрального светила - Солнца и 9 больших планет, обращающихся вокруг него, их спутников, множества малых планет, комет и межпланетной среды.

Солнечная система, система космических тел, включающая, помимо центрального светила - Солнца - девять больших планет, их спутники, множество малых планет, кометы, мелкие метеорные тела и космическую пыль, движущиеся в области преобладающего гравитационного действия Солнца. Согласно господствующим научным представлениям, образование Солнечной системы началось с возникновения центрального тела - Солнца; поле тяготения Солнца привело к захвату налетевшего газово-пылевого облака, из которого в результате гравитационного расслоения и конденсации произошло формирование Солнечной системы. Давление излучения Солнца вызвало неоднородность ее химического состава: более легкие элементы, в первую очередь, водород и гелий, преобладают в периферийных (т. н. внешних, или далеких) планетах. Наиболее достоверно определен возраст Земли: он примерно равен 4,6 млрд. лет.

Общая структура Солнечной системы была раскрыта в середине 16 в. Н. Коперником, который обосновал представление о движении планет вокруг Солнца. Такая модель Солнечной системы получила название гелиоцентрической. В 17 в. И. Кеплер открыл законы движения планет, а И. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. Изучение физических характеристик космических тел, входящих в состав Солнечной системы, стало возможным только после изобретения Г. Галилеем в 1609 телескопа. Так, наблюдая солнечные пятна, Галилей впервые обнаружил вращение Солнца вокруг своей оси.

Билет №18(продолжение)

Размеры и строение Солнечной системы.

Наблюдаемые размеры Солнечной системы определяются расстоянием от Солнца до самой далекой от него планеты - Плутона (около 40 а. е.; 1 а. е. = 1,49598Ч1011 м).

Однако сфера, в пределах которой возможно устойчивое движение небесных тел вокруг Солнца, занимает гораздо более обширную область пространства, простирающуюся на расстояние порядка 230 000 а. е. и смыкающуюся со сферами влияния ближайших к Солнцу звезд.

Большие планеты, движущиеся вокруг Солнца, образуют плоскую подсистему и разделяются на две заметно различающиеся группы. В одну из них, внутреннюю (или земную), входят Меркурий , Венера , Земля и Марс. К внешней группе, которую составляют планеты-гиганты, относятся Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун. Девятую планету, Плутон, обычно рассматривают обособленно, так как по своим физическим характеристикам она заметно отличается от планет внешней группы.

В центральном теле системы - Солнце - сосредоточено 99,866% всей ее массы, если не учитывать космическую пыль в пределах Солнечной системы, общая масса которой сравнима с массой Солнца. Солнце на 76% состоит из водорода; гелия примерно в 3,4 раза меньше, а на долю всех остальных элементов приходится около 0,75% всей массы. Похожий химический состав имеют и планеты-гиганты. Планеты земной группы по химическому составу, по-видимому, близки к Земле.

Билет №19

Галактики – гигантские звездные острова, находящиеся за пределами нашей звездной системы (нашей Галактики).

Галактиками называют гравитационно связанные звездные системы, содержащие миллиарды звезд. Наше Солнце входит в одну из таких систем - Галактику. Звезды Галактики образуют плоский диск. Солнечная система находится на краю диска. Земной наблюдатель видит диск "с ребра", и огромное количество удаленных звезд сливается для него в одну светящуюся полосу, которая видна на ночном небе как Млечный Путь. Отсюда и название "галактика": galactikos - молочный, млечный. Было установлено, что большинство туманностей - это внегалактические звездные системы, т. е. галактики. Сейчас для измерения расстояний до галактик используют не только цефеиды. В качестве "стандартных свечей", по ослаблению блеска которых можно оценить расстояние, используют взрывающиеся звезды (в максимуме блеска их светимость примерно одинакова), огромные светящиеся облака ионизованного водорода. Изучение свойств галактик имеет решающее значение для понимания эволюционных процессов в наблюдаемой Вселенной, так как именно галактики и их скопления - основные элементы ^е структуры. Например, измерив лучевые скорости у нескольких десятков галактик, Хаббл в 1929 г. обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, и скорость удаления прямо пропорциональна расстоянию между галактиками. Это было открытием расширения Вселенной. Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием теперь называют постоянной Хаббла. Она зависит только от возраста Вселенной, и ее современное значение 50-100 км/(с•Мпк).

Билет №20

Белые карлики и нейтронные звёзды

Вскоре после гелиевой вспышки «загораются» углерод и кислород; каждое из этих событий вызывает сильную перестройку звезды и её быстрое перемещение по диаграмме Герцшпрунга — Рассела. Размер атмосферы звезды увеличивается ещё больше, и она начинает интенсивно терять газ в виде разлетающихся потоков звёздного ветра. Судьба центральной части звезды полностью зависит от её исходной массы: ядро звезды может закончить свою эволюцию как белый карлик (маломассивные звёзды), в случае, если её масса на поздних стадиях эволюции превышает предел Чандрасекара — как нейтронная звезда (пульсар), если же масса превышает предел Оппенгеймера — Волкова — как чёрная дыра. В двух последних случаях завершение эволюции звёзд сопровождается катастрофическими событиями — вспышками сверхновых. Подавляющее большинство звезд, и Солнце в том числе, заканчивают эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденных электронов не уравновесит гравитацию.

Билет №20(продолжение)

В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности воды, звезду называют белым карликом. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится тёмной и невидимой.

У звёзд более массивных, чем Солнце, давление вырожденных электронов не может сдержать сжатие ядра, и оно продолжается до тех пор, пока большинство частиц не превратится в нейтроны, упакованные так плотно, что размер звезды измеряется километрами, а плотность в 100 млн. раз превышает плотность воды. Такой объект называют нейтронной звездой; его равновесие поддерживается давлением вырожденного нейтронного вещества.

Чёрные дыры

У звёзд более массивных, чем предшественники нейтронных звезд, ядра испытывают полный гравитационной коллапс. По мере сжатия такого объекта сила тяжести на его поверхности возрастает настолько, что никакие частицы и даже свет не могут её покинуть, — объект становится невидимым. В его окрестности существенно изменяются свойства пространства-времени; их может описать только общая теория относительности. Такие объекты называют чёрными дырами.

Квазар

Это объект, выделяющий гигантское количество энергии (пример: равносильно энергии около 100 галактик).

Существует предположение о том, что квазары находятся в центре отдалённых галактик. Так же предполагается, что в центре квазаров находятся сверхмассивные чёрные дыры. Обычно излучение квазаров является столь мощным, что затмевает собой окружающую галактику. Кроме оптического, инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучения они рождают потоки быстрых элементарных частиц – космических лучей, которые, распространяясь в магнитных полях, создают радиоизлучение квазара. Потоки космических лучей обычно покидают квазар в виде двух противоположно направленных струй, создавая два «радиооблака» по разные стороны от квазара. Модель квазара, позволяющая объяснить его наблюдаемые свойства, такова: вокруг массивного компактного объекта (вероятно, черной дыры) вращается газовый диск. Его центральная горячая часть является источником электромагнитного излучения и быстрых космических частиц, которые могут вылетать только вдоль оси диска и поэтому формируют два противоположно направленных потока

Пульсары

Это пульсирующий источник радиоизлучения, быстро вращающаяся вокруг своей оси нейтронная звезда. Издаваемые ей радиосигналы ловятся и на Земле.

Билет №21

Существует точка отсчёта. За неё принимают момент большого взрыва. До него, как предполагается, не было ни чего. Вселенная представляла собой точку 10-35 м. В момент начала своего образования вселенная была такой горячей, что материя не могла принять определённой формы. Вселенная охлаждалась по мере своего расширения . Это позволило дать начало формированию материи. Понижение температуры достигло такого уровня, при котором стало возможно объединение частиц и образование атомов. Формирование первых нейтральных атомов - очень важен, так как материя стала прозрачной для излучения. До этого времени фотоны постоянно сталкивались с частицами, воздействуя на них. Сначала образовались самые простые атомы - атомы водорода, - и только потом в ходе ядерных реакций - атомы гелия. Согласно современным научным теориям, доисторическая Вселенная содержала исключительно водород и гелий (предположительно с небольшим количеством лития). Соотношение было четким - на каждый атом гелия приходилось примерно восемь атомов водорода. В настоящее время гелия больше, кроме того, внутри звезд имеются и тяжелые элементы. После образования первых элементов в течение некоторого(доли секунды) времени во Вселенной не происходило ничего нового. Затем по мере расширения Вселенной и понижения температуры материя начала сгущаться - стали образовываться звезды и более сложные структуры, которые теории о Большом Взрыве вписывается в рамки галопирующего расширения Вселенной и позволяет нам объяснить многие данные: реликтовое теорию относительности, соотношение водорода с гелием,, плотность материи Вселенной,.Существует теория о иерархии миров. Эта теория подразумевает, что наш мир может быть составляющей частью другого. Быть “подмиром” или включать в себя множество других. Возможно так оно и есть, но из– за несовершенства нашей техники мы не можем их увидеть.

Рели́ктовое излуче́ние (или космическое микроволновое фоновое излучение) — космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой ~3 К.Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать температуру реликтового излучения, остались неизменны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Билет №22

Время излучения звезд за счет гравитационного сжатия не превышает 5·10⁹ лет для всех звезд в наблюдаемом интервале масс. Процесс гравитационного сжатия звезды с повышением температуры будет продолжаться до тех пор пока температура в центре звезды не поднимется до 10⁷ K. При сгорании водорода температура ядра звезды остается относительно постоянной и составляет примерно 10⁷ K. Звезда находится в состоянии квазистатического равновесия, при котором энергия, высвобождаемая в термоядерных реакциях, компенсирует потери энергии на излучение с поверхности звезды. Звезда будет устойчива, когда уравновешиваются противодействующие эффекты гравитации и стремления горячих газов к расширению.     Рассмотрим, что будет происходить со звездой, если температура внутри неё внезапно начнет увеличиваться или уменьшаться. Если температура в центре звезды начнет увеличиваться, то там будет вырабатываться больше энергии, чем излучается с поверхности. При этом давление внутри звезды повышается и она начнет расширяться. Увеличение размеров звезды приведет к тому, что скорость протекания термоядерных реакций уменьшится и температура в центре звезды начнет падать. И, наоборот, если поверхность звезды охлаждается быстрее, чем вырабатывается энергия в звезде, то звезда начнет сжиматься и скорость протекания ядерных реакций увеличивается. Процесс стабилизации температуры звезды на этой стадии её эволюции происходит таким образом, что вырабатываемая в результате термоядерных реакций энергия, излучается без каких-либо резких изменений.

Билет 23

Биология

Совокупность наук о живой природе. Б. изучает все формы живых организмов от вирусов до человека, их строение, функции, развитие, происхождение, связь друг с другом и окружающей средой. Система биол. наук сложна, что определяется многообразием форм жизни на Земле, методов и целей их исследования. Раздел Б., посвященный изучению животных организмов, носит название зоология, а растительных — ботаника. Самостоятельные разделы Б. посвящены изучению строения живых организмов (анатомия, гистология, цитология), их функций (фи- зиология), закономерностей наследования признаков и их изменчивости (генетика), образа жизни животных и растений и их взаимоотношений с окружающей средой, особенностей поведения (этология) и индивидуального развития (Б. развития). Применение новых физ. и хим. методов исследования привело к выделению таких дисциплин, как биохимия и биофизика, являющихся основой нового направления в Б. — молекулярной биологии. Практическое значение биол. исследований чрезвычайно велико для всех отраслей народного хозяйства и особенно для медицины. Изучение жизнедеятельности бактерий, вирусов, грибков и других возбудителей инф. болезней человека, а также животных, являющихся их переносчиками, позволило разработать эффективные меры предупреждения многих инф. заболеваний. Электронная микроскопия, радиоактивные изотопы, современные биохим. и биофиз. методы исследования позволяют изучать структуры и реакции, лежащие в основе биол. процессов в организме, на молекулярном уровне исследовать субклеточные структуры и их роль в жизнедеятельности клетки, изучать тонкие механизмы иммунитета и преодоления тканевой несовместимости. Открытие антибиотиков вызвало переворот в лечении инф. заболеваний. Успехи генетики позволяют диагностировать болезни, связанные с изменением числа хромосом и другими нарушениями генетического аппарата у человека. Задачи Б. на современном этапе велики и чрезвычайно разнообразны. Широкое развитие получила молекулярная Б. Первоочередной задачей раздела общей Б. — Б. развития — является выяснение механизмов дифференцировки клеток, закономерностей их объединения в ткани и органы и затем — в целостный организм. Происхождение жизни, последовательное реконструирование этапов ее возникновения, процесс появления биол. видов — эти проблемы Б. продолжают быть актуальными и на современном этапе ее развития. Внимание многих биологов приковано к изучению продуктивности природных сообществ живых организмов и биосферы в целом, влияния быстро увеличивающегося населения земного шара на нормальное функционирование биосферы и поиски путей ее сохранения и повышения ее продуктивности. Эта проблема включает научные исследования по охране природы и разработке рациональных способов ведения народного хозяйства.

Билет №24

Расширение Вселенной — явление, предсказываемое общей теорией относительности и состоящее в однородном и изотропном расширении космического пространства в масштабах всей Вселенной. Экспериментально расширение Вселенной наблюдается в виде выполнения закона Хаббла(чем дальше от нас звезда, тем быстрее она удаляется.)

Другими словами, между расстояниями D до галактик и скоростями их удаления V_r (разбегания) наблюдается линейная зависимость: Чем дальше от наблюдателя космический объект (галактика, квазар), тем быстрее он удаляется.

На каждый миллион парсек расстояния до объекта его скорость убегания увеличивается приблизительно на 100 км/с.). Началом расширения Вселенной наука считает так называемый Большой взрыв.

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника или приёмника.

Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука) нужно принимать во внимание движение как источника так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приёмника.

Эффект был впервые описан Кристианом Доплером в 1842 году

Сущность явления

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается. Если удаляется — длина волны увеличивается.

Наличие красного смещения у галактик позволяет с большой точностью определять расстояния до них. Чем сильнее смещены линии в спектре галактик, тем дальше галактика. Этот метод определения расстояний до галактик основан на хорошо известном в физике эффекте Доплера, впервые внедренном в астрономическую практику известным русским астрономом А. А. Белопольским. Допустим, имеется какой-либо источник электромагнитных колебаний. Если этот источник движется относительно наблюдателя, то частота колебаний в системе координат наблюдателя будет меняться согласно этому принципу на величину, зависящую от отношения скорости движения источника к скорости света. При удалении источника частота его излучения (колебаний) уменьшается, при приближении увеличивается. Если пользоваться не частотой, а длиной волны, то в системе координат наблюдателя излучение источника будет