Гравитация влияет на течение времени.

В 1900г. Планк установил связь между энергией фотона (“элементарной частицей света”) Е и его частотой :

E=h

Но E=mc²,

m=E/c²=h/c².

Пусть луч света удаляется от Земли. Фотоны по мере удаления от Земли теряют свою кинетическую энергию, т.к. гравитационное поле Земли “тормозит” фотоны. Но скорость движения с фотонов измениться не может и согласно формуле Планка (E=h ), уменьшение энергии уменьшает и частоту луча света. А уменьшение  автоматически означает увеличение периода Т (=1/T), что эквивалентно замедлению времени.

Свет от источника, расположенного на равнине, придет к космонавту с меньшей частотой, чем свет от такого же источника, находящегося на горе. Космонавт сделает вывод, что в долине время течет медленнее, чем на вершине горы.

Вывод:

Сильные гравитационные поля существенно замедляют время.

Чтобы легче запомнить полученный вывод, воспользуемся следующей аналогией (это не доказательство!!!). Массивное тело “искривляет” путь – он удлиняется, т.е. требуется больше времени, время замедляется (см. рисунок).

Во Вселенной существуют огромные космические объекты, где указанные эффекты заметны.

Пульсары – объекты с плотностью =10 млн тонн/см³. Для этих объектов задержка времени - 10%, а вторая космическая скорость - 100 000 км/сек. (На Земле вторая космическая скорость-11 км/сек.)

(Детский вопросик:Что в них пульсирует?

Пульсары – переменные источники космического электромагнитного излучения. Это компактные (D20 км) вращающиеся нейтронные звезды с дипольным магнитным полем, излучающим заряженные частицы в области полюсов.

“Черные дыры” – объекты, для которых вторая космическая скорость = 300 000 км/сек, т.е. световой луч не может покинуть “черную дыру”. Задержка времени на черных дырах - 100%, это означает, что течение времени остановилось.

22. Теория относительности. Геометрия пространства-времени.

Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна

создание теории стало возможным только после открытия неэвклидовой геометрии Н.И. Лобачевским, венгрским математиком Я. Больай,

немецкими математиками К. Гауссом, Б. Риманом

Геометрия пространства-времени.

	Представим двумерный мир (плоскость), в котором живут люди (ученые).
(Детский вопросик: что скажут люди, если мы поставим стакан на эту плоскость?) Если в этом мире идти по компасу на север, то траектории движения будут представлять собой параллельные прямые.

И вот однажды эти ученые оказались на Земле, на экваторе в точках А и В откуда ученые начали путешествие на север по параллельным дорогам. Они обнаружили, что S2<S1. Вывод: их притягивает друг к другу некая "сила" - "гравитация".

В общей теории относительности все эффекты гравитации приписываются неевклидову характеру геометрии Вселенной - Эйнштейн ввел понятие о четырехмерной геометрии пространства-времени.

23. Основные «эффекты» и парадоксы теории относительности.

Сильные гравитационные поля существенно замедляют время

Понятие кривизны пространства

Легко представить искривление двумерного пространства в трехмерном, как это показано на рисунке.

24. Открытая и закрытая модели Вселенной.

Если во Вселенной плотность материи больше критической плотности, >_крит, то из ОТО следует:

Пространство нашей Вселенной оказывается конечным, замкнутым. Хотя по-прежнему Вселенная безгранична, но она конечна по объему.

Такая модель Вселенной называется закрытой.

Если =_крит, то геометрия пространства оказывается евклидовой и пространство называют плоским. Оно простирается во все стороны до бесконечности, и объем его бесконечен.

Наконец, если <_крит, то пространство также неограниченно простирается во все стороны и не замыкается. Его объем бесконечен. Такую модель Вселенной называют открытой.

25. Какова роль Хаббла в познании законов развития Вселенной?

И здесь на помощь приходит еще один гений - американский астроном Хаббл

В 1929 г. Хаббл измерял скорости движения галактик. Для этого он определял так называемое “красное смещение” - наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн по сравнению с их нормальными спектрами.

И он получил следующую картину:

Наблюдаемое Хабблом красное смещение означает, что объект удаляется от наблюдателя.

Скорость (V) удаления галактик в зависимости от их расстояния (R) от нашей Галактики описывается простым выражением :

V=HR

Постоянная Н называется постоянной Хаббла и ее современное значение составляет 66 км/с Мпк.

Итак, существующая Вселенная нестационарна, галактики убегают от нас.

26. Охарактеризуйте основные этапы развития эволюционирующей Вселенной.

Эволюция Вселенной - основные этапы. (Как возникла Вселенная - до сих пор ученые не знают, поэтому далее рассматривается процесс развития Вселенной).

1. В период времени от 0 до 10^-35 с - рассматривается теория раздувающейся (инфляционной) Вселенной, согласно которой Вселенная мгновенно раздулась до огромных размеров, а затем обратно сжалась. Т~10²⁷ К, единый тип взаимодействий и новые элементарные частицы - скалярные Х-бозоны.

2. 10^-33с - разделение кварков и лептонов на частицы и античастицы. Асимметрия между числом частиц и античастиц (античастиц < частиц ~10^-10). Таким образом, вещество во Вселенной преобладает над антивеществом.

3. 10^-10 c - T=10¹⁵ K. Разделение сильного и слабого взаимодействий.

4. 10^-2 с - стандартная модель развития Вселенной. Число фотонов = числу позитронов.

5. 1 сек. Т=10¹⁰ К. Вселенная остыла. Остались только фотоны (кванты света), нейтрино и антинейтрино, электроны и позитроны и маленькая примесь нуклонов.

При эволюции Вселенной происходят процессы взаимного преобразования вещества в излучение и наоборот.

Пример - процесс рождения и аннигиляции элементарных частиц:

процессы рождения пар электрон-позитрон при столкновении гамма-квантов и аннигиляции пар электрон-позитрон с превращением в фотоны:

 +  e⁺ + e^-

e⁺ + e^-  +

Для рождения пары электрон-позитрон надо затратить энергию около 1 Мэв, значит, такие процессы могут идти при температуре выше десяти миллиардов градусов (напомним, что температура Солнца около 10⁸ К)

6. 3 мин. Т=10⁹ К. Нуклоны участвуют в термоядерных реакциях: происходит космологический нуклеосинтез легких элементов (в основном ядра гелия), и, конечно, в наибольшем количестве остается основной элемент Вселенной - водород.

Вещество - гелий - 22-28%, остальное - протоны. Основная энергия - в излучении - фотоны - 69%, нейтрино - 31%.

6. Миллион лет спустя Вселенная остывает настолько, что электроны и ядра рекомбинируют, образуя нейтральные атомы водорода, которые составляют 90% всех атомов, гелия -10%. Фотоны (кванты электромагнитного излучения - света) перестают взаимодействовать с веществом и остаются в виде фона - так называемого реликтового излучения.

27. Структура вселенной и процесс образования звёзд.

Во Вселенной произошел скачок, и возникли разномасштабные структуры. Скачкообразный переход в новое состояние с разными подсистемами - от звезд и планет до сверхскопления Галактик.

Однородная и изотропная модель Вселенной - это первое приближение, справедливое лишь в достаточно больших масштабах, превышающих 300-500 млн. световых лет.

В меньших масштабах вещество распределено очень неоднородно: звезды собраны в галактики, галактики - в скопления.

Ячеистая структура Вселенной.

Размер этих ячеек около 100-200 млн. световых лет. Сжатые облака, находящиеся на стенках ячеек - это место, где в дальнейшем образуются галактики.

Образование звезд.

Вселенная представляла газовое облако.

Под действием гравитации - части облака сжимаются и одновременно разогреваются.

При достижении высокой температуры в центре сжатия начинают протекать термоядерные реакции с участием водорода - родилась звезда.

Далее водород превратился в гелий, и в желтых карликах типа нашего Солнца больше ничего не происходит. В массивных звездах (красные гиганты) водород быстро сгорает, звезда сжимается и разогревается до температур несколько сотен миллионов градусов.

Протекают сложные термоядерные реакции - например, три ядра гелия объединяются и образуют возбужденное ядро углерода. Затем углерод с гелием образуют кислород и так далее вплоть до образования атомов железа. Более тяжелые элементы требуют участия в реакциях заряженных частиц и нейтронов, а самые тяжелые элементы образуются при взрыве звезды - вспышка Сверхновой.

Во Вселенной существуют газопылевые облака, из которых возможно образование звезд следующих поколений.

28. Объекты Вселенной: галактики, звёзды, планеты; чёрные дыры, квазары, пульсары.

Нейтронные звезды

Нейтронные звезды (состоящие, в основном, из нейтронов) - очень компактные космические объекты размером около 10 км, с огромным магнитным полем (10¹³ гаусс). Нейтронные звезды обнаружены в виде пульсаров (пульсирующие источники радио- и рентгеновского излучений), а также барстеров (вспышечные источники рентгеновского излучения).

Черная дыра

В черной дыре большая масса вещества заключена в малом объеме (например, чтобы Солнце стало черной дырой, его диаметр должен уменьшиться до 6 км). По современным представлениям, массивные звезды, заканчивая свою эволюцию, могут сколлапсировать в черную дыру.

Квазары - квазизвезды - ядра галактик – представляют собой сверхмассивные черные дыры.

29. Будущее Вселенной. Видимая и скрытая масса Вселенной.

Будет ли разлет галактик продолжаться всегда или расширение сменится сжатием?

Для этого необходимо рассчитать, хватит ли сил гравитации остановить расширение (расширение идет по инерции, действуют лишь силы тяготения).

Рассчитанное критическое значение плотности составляет =10^-28 г/см³, а экспериментальное значение =310^-29 г/см³, т.е меньше критического значения.

Но... оказалось, что все не так просто, поскольку мы не знаем точно плотность (массу) Вселенной.

В галактиках много темной, скрытой массы. Этой массы почти в 10 раз больше (90 %), чем "видимой массы".

Что же это за невидимое вещество?

• Это масса черных дыр.

• Необходимо учитывать массу элементарных частиц, которых очень много. Например, нейтрино, масса которых очень мала (составляет одну тридцатимиллионную массы протона) - и в этом случае 90-99% всей массы Вселенной скрыто в виде массы нейтрино.

Однако сегодня ученые говорят о новейшей революция в космологии. 1. Во Вселенной доминирует вакуум; по плотности энергии он превосходит все "обычные" формы космической энергии, вместе взятые. 2. Динамикой космологического расширения управляет антигравитация.

Относительная плотность Вакуума («пустота», содержащая молекулы газа):

ρ(В)≈0.7

Относительная плотность Темного Вещества (скрытой массы)

ρ(ТВ)≈0.3

Относительная плотность Светящегося Вещества (звезды и галактики)

ρ(СВ)≈0.02

Относительная плотность Излучения

ρ(И)≈10^-5

Наблюдательные исследования далеких вспышек сверхновых звезд указывают на присутствие во Вселенной космического вакуума.

Согласно новым представлениям, вакуум есть особое состояние вечно движущейся, развивающейся материи. На исходных стадиях Вселенной интенсивное гравитационное поле может порождать частицы из вакуума.

Необъяснимую аналогию этим представлениям современного знания находим мы у древних. О переходе вещества в иное состояние, даже об "исчезновении материи" в момент гибели Вселенной упоминал философ и богослов Ориген (II-III в.н.э.). Когда Вселенная возникает опять, "материя, - писал он, - вновь получает бытие, образуя тела ".

Вакуум создает поле антигрантигравитации, которое вызывает ускорение космологического расширения.

 Вывод- Вселенная будет расширяться неограниченно долго

30. В чём суть корпускулярно-волнового механизма элементарных частиц?

Многие явления в нашем мире связаны с процессами, протекающими в атомах, иными словами, мы вторгаемся в явления микромира. Но в микромире законы обычной механики уже «не работают», нужно было разработать новый подход.

Частица или волна?

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

В классической (неквантовой) физике движение частиц и распространение волн – принципиально различные виды движения.

Однако опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект), изучение рассеяния света на электронах (эффект Комптона) и ряд других экспериментов убедительно показали, что свет — объект, имеющий, согласно классической теории, волновую природу, — ведёт себя подобно потоку частиц.

Таким образом, характерной особенностью микромира является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят в рамках классической физики.

Почему?

• возникновение дифракционной картины при рассеянии частиц несовместимо с представлением о движении их по траекториям.

пучок электронов, падающих на кристалл, даёт дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на основе волновых представлений.

31. Как используется корпускулярно-волновая природа элементарных частиц для изучения строения и структуры материи?

Дифра́кция во́лн (лат. diffractus — буквально разломанный, переломанный) — явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн.

Первоначально понятие дифракции относилось только к огибанию волнами препятствий, но в современном, более широком толковании, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве волн. Дифракция тесно связана с явлением интерференции. При этом само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции (интерференция вторичных волн).

Дифракция волн наблюдается независимо от их природы и может проявляться:

• в преобразовании пространственной структуры волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях — как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определенном направлении;

• в разложении волн по их частотному спектру;

• в преобразовании поляризации волн;

• в изменении фазовой структуры волн.

Дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны. Наиболее сильно они проявляются при размерах неоднородностей сравнимых с длиной волны. При размерах неоднородностей существенно превышающих длину волны (на 3-4 порядка и более), явлением дифракции, как правило, можно пренебречь. Наиболее хорошо изучена дифракция электромагнитных (в частности, оптических) и акустических волн, а также гравитационно-капиллярных волн (волны на поверхности

32. Элементарные частицы. Суть и следствия принципов неопределенности и дополнительности.

Гейзенберг в 1927 г. сформулировал принцип неопределенности:

частица не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс р, а неопределенность координаты (х) и импульса (р) связаны соотношением неопределенностей (Гейзенберга):

33. (х)(р) h

Попробуйте сами обсудить проблему: частица находится в точке с координатой х₀ (т.е. х=0), поэтому ….

Принцип неопределенности говорит о том, что не следует пытаться вычислить точную траекторию электрона вокруг ядра. Можно лишь указать вероятность нахождения электрона в том или ином участке пространства около ядра в любой момент времени. Эта вероятность поддается вычислению с помощью математических методов.

В 1927г. Н. Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополняющих первые.

Пример 1: исследуя движение электрона с помощью микроскопа (если бы такое было возможно), мы бы наблюдали отраженные от электрона волны света, энергия которой по величине сопоставима с энергией самих исследуемых частиц. Поэтому при выполнении измерений нами неизбежно вносились бы изменения в состояние электрона (местоположение, скорость, направление движения и т.д.). Значит, на основании наших измерений бессмысленно говорить о точном местоположении электрона в каждый момент времени.

Пример 2: Попытка получить дополнительную информацию о наноструктуре мембраны приводит к разрушению образца (энергия воздействия на образец сопоставима с энергией химических связей)

34. Элементарные частицы. Сходства и различия волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора.

В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Например, видимый нашими глазами свет представляет собой электромагнитные волны. Ряд свойств таких волн есть и у электрона.

Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений он предложил рассчитывать не траекторию движения электронов внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра.

Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях.

В остальном эти модели не похожи друг на друга.

Волновая модель: орбиталь - это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%.

В волновой модели

существуют орбитали разных видов: s-орбитали (сферической формы), p-орбитали (похожие на веретено или на объемные восьмерки), а также d-орбитали и f-орбитали еще более сложной формы. Все эти фигуры очерчивают область 95%-ной вероятности найти s-, p-, d- или f-электроны именно в том месте электронного облака, которое ограничено этими сложными фигурами.

Области вероятности нахождения разных электронов могут пересекаться. К этому свойству волновой модели следует отнестись спокойно, поскольку она является не столько физической, сколько абстрактной математической моделью электронной оболочки. Однако, как мы увидим в дальнейшем, такая модель обладает хорошей предсказательной силой в отношении химических свойств атомов и молекул.

35. Строение ядра атома.

• Ядро представляет собой центральную часть атома.

• В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома.

• По сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10^–15–10^–14 м.

• Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд.

• Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме.

• Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром

Протон и нейтрон –

силы взаимодействия – ядерные, связывают вместе протоны и нейтроны, называемые нуклонами.

Водород - из электрона и ядро из одного протона.

Уран - из 92 электронов, вращающихся вокруг ядра из 92 протонов и 143 нейтронов.

36. Механизмы деления ядра атома.

Налетающая частица, например, нуклон, может войти в ядро и вылететь из него под другим углом, но с той же энергией.

• Нуклон может непосредственно столкнуться с нуклоном ядра.

• Если один или оба нуклона имеют энергию большую, чем необходимая для вылета из ядра, то они могут покинуть ядро без взаимодействия с другими его нуклонами (прямой процесс).

• Если энергия, внесенная влетевшей частицей, постепенно распределится между многими нуклонами ядра, образуется неустойчивое «составное» ядро. Это ядро через короткое время распадается.

При энергиях возбуждения составного ядра меньших, чем необходимо для отделения от него частиц, единственный путь его распада – испускание -квантов (8-10 квантов на один акт деления).

Если же энергия сосредотачивается в некоторых группах частиц, существующих в составном ядре короткое время, то возможно испускание -частиц, тритонов, дейтронов и др. (-частица - это ядро атома гелия, содержащее 2 протона и 2 нейтрона; обладает большой ионизирующей способностью, образуя на пути пробега сотни тысяч пар ионов).

Если энергия одного из нуклонов окажется достаточной для его выброса из состава ядра, то составное ядро распадается с испусканием нуклона (один элемент превращается в другой - -распад).

Ядерные реакции подчиняются законам сохранения энергии, импульса, электрического заряда.

Они могут протекать с поглощением и выделением энергии Q, которая примерно в 10⁶ раз превышает энергию, выделяемую при обычных химических реакциях.

Поэтому в ядерных реакциях можно заметить изменение масс взаимодействующих ядер: согласно закону сохранения энергии, энергия Q, выделяемая или поглощаемая при ядерной реакции, равна разности сумм масс частиц (в энергетических единицах) до и после ядерной реакции.

37. Квантовые числа, характеризующие состояние электрона в атоме.

Принцип Паули запрещает существование в атоме электронов в одинаковом квантовом состоянии.

Состояние электрона в атоме определяется 4 квантовыми числами:

• главным квантовым числом n=1, 2, 3…;

• орбитальным квантовым числом l=0,1,…, n-1;

• магнитным квантовым числом m_l=0, 1, 2,  l;

• спиновым квантовым числом m_s 1/2.

Каждому значению l соответствует (2l+1) значений m_l,

а каждому значению m_l два возможных значения m_s.

Окружающие ядро электроны распределены по различным орбитам n (1, 2, 3…), каждая из которых характеризуется своим энергетическим уровнем. Чем меньше число n, тем меньше энергия распределенных в ней электронов.

38. Чем определяются свойства материалов?

Структура или атомное строение тел. Различные состояния вещества.

Пять основных состояния вещества:

плазменное,

газообразное,

жидкое,

твердое

и конденсат. Конденсат - новое состояние вещества при сверхнизких температурах - меньше 0.1 К (!!!).

 

Структура (расположение атомов в пространстве) химического соединения кардинальным образом меняет свойства материала.

39. Структурные элементы материалов: атом, молекула, вещество, материал.

Атом (от греч. atomos — неделимый), частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая всеми свойствами этого вещества.

Материал – обладает некоторыми общими свойствами, по которым его можно распознать. Изменение свойств, отличающих один материал от другого, обычно невелико. Химический состав материала тоже может быть непостоянным, но его изменения обычно незначительны (дерево, пластик, кожа).

Вещество – обладает совокупностью свойств, по которым его можно распознать. Эти свойства постоянны для всех образцов вещества (поваренная соль, полиэтилен).

Состоит из одного или нескольких химических элементов.

Химический элемент – вещество, все атомы которого имеют одинаковый положительный заряд ядра; мельчайшая частица простого вещества, которая не поддается дальнейшему разложению с помощью химических реакций (кислород, кремний, платина).

40. Типы химических связей.

Химическая связь обусловлена обменным взаимодействием электронов (обобщение валентных электронов).

Различают четыре вида химической связи:

1. Ионная связь

2. Ковалентная связь

3. Металлическая связь

4. Водородная связь

41. Атомное строение тел. Различные состояния вещества.

Пять основных состояния вещества:

плазменное,

газообразное,

жидкое,

твердое

и конденсат. Конденсат - новое состояние вещества при сверхнизких температурах - меньше 0.1 К (!!!).

Структура (расположение атомов в пространстве) химического соединения кардинальным образом меняет свойства материала.

42. Современные подходы к синтезу новых материалов.

Организация химических процессов в производстве материалов

Катализаторы

Криохимия (синтез материалов при низких температурах жидкого азота)

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) тугоплавких материалов (основан на реакции горения одного металла в другом, или металла в азоте, углероде, кремнии).

43. Самоорганизация материи. Обратимые и необратимые процессы.

Образование упорядоченных структур, происходящее не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией.

Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.