Контрольные вопросы
Почему относительные массы большинства элементов в Периодической системе – дробные числа?
Можно ли разложить атом на более мелкие части с помощью химических реакций?
Литература
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. – М., 2000.
Пиментел Дж., Кунрод Дж. Возможности химии сегодня и завтра. – М., 1992.
Поллер З. Химия на пути в третье тысячелетие. – М., 1982.
Практическая работа 24 Элементы космологии Вводная часть
Из астрономических наблюдений за удаленными галактиками следует, что наша Вселенная расширяется. Закон Хаббла (1929) гласит: все галактики во Вселенной удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними:
v = H · rr
где v – скорость разлета; r r – расстояние между галактиками; Н – постоянная Хаббла (одна из мировых констант).
Величина Н рассчитана очень приблизительно и колеблется в пределах 50 – 100 км/с · Мnк. При расчете обычно используют среднее значение равное:
Н = 75 км/с · Мnк.
Постоянная Хаббла Н =1/Т, где Т – время жизни нашей Вселенной. Таким образом, Н – величина, обратная времени. В связи со значительными колебаниями Н возраст Вселенной оценивают в 10 – 20 млрд. лет. Чаще используют среднюю цифру – 15 млрд. лет.
Определение скорости удаления галактик в астрономических наблюдениях основано на эффекте Доплера и измерении красного смещения всех линий в спектре излучения объекта. Значения длин волн, которые принимает наблюдатель в случае покоящегося (λ0) или движущегося (λ) излучающего источника, различны, их разность дает т.н. доплеровское смещение волны:
Δλ = λ - λ0
При скорости объектов, значительно меньшей скорости света, справедливо выражение:
(λ - λ0)/ λ0 = z = v/c
где z – относительное смещение спектральной линии («красное смещение»); v – скорость объекта, излучающего свет.
Сдвиг линий в красную область спектра (красное смещение) дает z > 0 и соответствует удалению объекта.
Когда v приближается к скорости света (с), пользуются формулой специальной теории относительности:
Эта формула показывает, что, если v стремится к с, красное смещение может становиться сколь угодно большим.
Дополнительная информация. Суть эффекта Доплера – зависимость частоты волнового импульса при движении источника волн относительно наблюдателя. Это явление иллюстрирует изменение звука предупреждающего сигнала проходящего мимо поезда. Эффект Доплера можно не только «услышать», но и увидеть, периодически погружая палец в воду и равномерно перемещая его в одном направлении. Следуя друг за другом, гребни волн будут сгущаться в направлении движения пальца и становиться более разреженными с другой стороны. Таким образом, длина в направлении вперед станет меньше, в направлении назад – больше обычной. Эффект Доплера имеет место для всех типов волн – звуковых в атмосфере, упругих в твердом теле, световых и волн на воде.
Пример решения задач
Задача. Относительное красное смещение для одной из галактик составляет 0,001. Определите смещение для голубой линии водорода (λ0 = 486,1 нм). Какова скорость движения галактики по лучу зрения в направлении наблюдателя? Каково расстояние до излучающего источника?
Решение. По условию z >0, т.е. галактика удаляется. Смещение длины волны Δλ определяют по формуле:
Δλ/λ0 = z
Δλ= z · λ0 = 0,001·486,1 нм = 0, 486 нм.
Скорость движения галактики:
v = z · c = 0,001 · 3 ·108 м/с = 300 км/с.
Расстояние до галактики (на момент получения данных):
r = v/H = (300 км/с)/(75 км/с∙Мпк) = 4 Мпк.
Задачи
Определите скорость удаления галактики, если принятая для нее длина волны спектральной линии кальция составляет λ = 447 нм (λ0 = 395 нм).
Определите линейную скорость вращения точек на солнечном экваторе, если для зеленой линии водорода с λ0 = 500 нм доплеровское смещение равно 0,0035 нм.
При годичном движении Земли линии в спектрах звезд, к которым в данный момент направлено движение планеты, смещены в фиолетовую сторону. Определите скорость движения Земли, если для зеленой линии λ0 = 500 нм смещение составляет 0,05 нм.
При измерении красного смещения в спектре одного из квазаров установлено, что оно равно 0,16. Определите скорость по лучу зрения, с которой изменяется его расстояние от Земли. Каково расстояние до излучающего источника на момент получения данных?
С какой скоростью летит космический корабль, если красный луч лазера, посланный с Земли, кажется космонавту зеленым? Длины волн красного и зеленого цвета составляют 620 и 550 нм. соответственно.
Определите скорость, с которой удаляются друг от друга галактики, разделенные расстоянием 10 Мпк.
Резюме
Спектральный анализ позволяет достаточно точно определить характер движения излучающего объекта (приближение или отдаление), его скорость и расстояние от нашей Галактики на момент получения исходных данных. Кроме того, пользуясь законом Хаббла, можно определить радиус Вселенной, т.е. расстояние до ее горизонта, привязывая последний к краевым галактикам, удаляющимся с наибольшей скоростью.
Контрольные вопросы
В каком направлении по отношению к наблюдателю движется космический источник, если регистрируется голубое смещение спектральных линий?
Определите значение Мпк в системе СИ.
Литература
Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. – М.: Наука, 1988.
Силк Дж. Большой взрыв. – М.: Мир, 1982.
Практическая работа 25 Вода на земле
Вводная часть
В связи с повсеместным распространением воды на нашей планете ее часто рассматривают как «безобидную», инертную жидкость, занимающую большую часть поверхности Земли и пространство внутри живых организмов. Однако вода на Земле существует не в одном, а в трех состояниях – твердом, жидком и газообразном. Гидросфера (водная оболочка планеты) объединяет атмосферную влагу в парообразном состоянии, воду на поверхности земной коры (водоемы и ледники) и в ее толще (грунтовые воды), а также воду в живых организмах. На дне атмосферы и в гидросфере зародилась и протекает жизнь. Вода – не инертное, но в высшей степени реакционноспособное вещество, обладающее необычными свойствами и очень сильно отличающееся от большинства других жидкостей. Вода является наиболее распространенным на нашей планете соединением водорода и кислорода и выполняет ряд уникальных функций.