Вселенная и образование изотопов химических элементов




НазваниеВселенная и образование изотопов химических элементов
страница1/7
Дата13.03.2013
Размер0.95 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4   5   6   7
Глава 1. Вселенная и образование изотопов химических элементов

1.1 Вселенная

Со времен первобытного человека и до первой четверти XX века Вселенная осознавалась как пространство, в которое механически включены те или иные образования. За все время существования человека, предложено множество идей, гипотез, теорий происхождения и устройства Вселенной. Это время можно разделить на несколько периодов.

Первый созерцательный период имел продолжительность более 40 тысяч лет до начала новой эры (палеолит, неолит, бронзовый век…). Первые систематические астрономические наблюдения возникли, вероятно, одновременно в четырех регионах: междуречье Тигра и Евфрата, долина Нила, междуречье Инда и Ганга и долина Хуанхэ и привели к составлению первого известного в настоящее время реестра звезд, созданию календаря. В это же время была установлена продолжительность года, который равен 365 дням, 6 часам, 15 минутам, 41 секунде. Представления о Вселенной были наивными, основанными на умозрительных заключениях. В качестве примера можно привести следующие имена: Нума Помпилий (716-673 лет до новой эры); Фалес Милетский (~ 640/624-548/545 лет до новой эры) и Лао Цзы (VI в. до новой эры), которые пропагандировали – материалистическое представление о Вселенной, основанное на визуальных эффектах. Левкипп (около 500-400 лет до новой эры) рассматривал Вселенную как беспредельное множество, различающихся размером и формой атомов, движущихся в пустоте и составляющих видимые тела, основатель античного атомистического учения. Демокрит (470/457-370/357 лет до новой эры) развивал атомистическое учение Левкиппа. По его мнению, Вселенная состоит из движущихся элементов материи, подчиняющихся строгим механическим законам. Движение происходит в абсолютном однородном, изотропном пространстве. Демокрит допускал сосуществование вселенных с локально анизотропным пространством, которые различаются структурой и возрастом. Платон (429-347 лет до новой эры) предложил идею рождения времени с рождением Вселенной – единственной, конечной, невечной. Аристотель (384-322 лет до новой эры) построил первую целостную логически завершенную и опиравшуюся на наблюдения космофизическую картину мира: Вселенная материальна, конечна, замкнута, единственная (охватывает всю существующую материю), а потому вечна. Эпикур (341-270 лет до новой эры) развивал идеи Демокрита: материальная беспредельная Вселенная, подчиняющаяся механическим законам. Архимед (около 287-212 лет до новой эры) произвел первую известную умозрительную оценку колоссальных размеров звездной Вселенной. Он придерживался (наиболее ранней?) гелиоцентрической идеи Аристарха Самосского (около 310-230 лет до новой эры). Лю Ань (II век до новой эры) утверждал, Вселенная родилась из пустоты. Ван Чунь (I век до новой эры) наоборот настаивал, Вселенная родилась из вечной материальной субстанции… и т. п. и т. д. (Еремеева, А.И., 1984; Еремеева, А.И., Цицин, Ф.А., 1989; Бочкарева, Т.С., 2007; http://astronomer.nfrod.ru/Library/History/h_table.htm; http://naturalhistory.narod.ru/Page_5.htm).

Второй период продолжался около 2-х тысяч лет: от начала новой эры до начала XX века. В этот период начинают использовать более совершенный математический аппарат и простейшие оптические приборы. Сюда, прежде всего, следует отнести имена и гипотезы таких мыслителей как К. Птолемей (около 87-165 лет новой эры), который предложил первую математическую геоцентрическую модель движений Солнца, Луны, планет.

Выдающимся достижением Улугбека (Мухаммед Тарагай Улугбек, 1394-1449) и самаркандских астрономов стал новый каталог, содержавший положения на небе 1018 звезд. Это был следующий каталог, составленный после каталога Птолемея (через 13 веков). Положения для 700 звезд были определены заново. Каталог был закончен к 1437 году и получил название «Новые астрономические таблицы». Каталог представлял огромную ценность для последующих поколений астрономов, так как позволял сравнивать положение звезд через огромные промежутки времени и улавливать происходящие в мире звезд изменения (http://spacetravell.narod.ru/ulugbek.htm).

Николай Кузанский (Кребс) (1401-1464) считал Вселенную бесконечной, однородной, изотропной, вещественно единой. Леонардо да Винчи (1452-1519) верил, что Вселенная материально едина. Николай Коперник (1473-1543) разработал полную логически и физически обоснованную и математически рассчитанную гелиоцентрическую систему мира. Тихо Браге (1546-1601) предложил полную гелио геоцентрическую систему мира и идею рождения звезд из диффузной материи, якобы составляющей Млечный Путь. Датский астроном-наблюдатель до телескопной эры Тихо Браге посвятил жизнь выстраиванию точнейших карт звездного неба. В этом ему не было равных. Бессмертные законы движения планет, установленные его учеником Иоганном Кеплером (1571-1630), родились во многом благодаря научному наследству, оставленному Тихо Браге. Правда, поработать вместе Браге и Кеплеру удалось всего ничего: полный планов датчанин, только что нашедший себе замечательного помощника, неожиданно умер в возрасте 54 лет. Бог весть от чего... (15.11.2010, Прага 14:19:39 Международная группа ученых проводит эксгумацию останков средневекового датского астронома Тихо Браге в храме Девы Марии перед тыном в Праге, чтобы пролить свет на тайну смерти исследователя, сообщает агентство Associated Press, результаты экспертизы будут опубликованы в 2011 году). Дж. Бруно (1548-1600) развивал идеи гелиоцентризма, бесконечности, ацентричности Вселенной. Г. Галилей (1564-1642) впервые в мире произвел наблюдения звездного неба с использованием физических приборов, обосновал и пропагандировал идеи гелиоцентризма. Р. Декарт (1596-1650) возродил вихревую космогонию, бесконечность Вселенной, предсказал множественность солнечных систем, отрицал абсолютную пустоту. И. Ньютон (1643-1727) предложил завершенную физическую и астрономическую картину мира на основе созданной им же механики (сейчас классическая механика Ньютона) и закона всемирного тяготения. Он же предположил неизбежность бесконечности гравитирующей звездной Вселенной и абсолютные независимые пространство и время, не зависящие от наличия материи. Т. Райт (1711-1786) считал, что млечные туманности – это самостоятельные вселенные, а Млечный путь – это визуальный эффект наблюдения звездного слоя. И. Кант (1724-1804) представил первую универсальную эволюционную космологическую гипотезу холодного образования Солнечной системы из пылевой материи. И. Кант впервые предложил рассматривать Млечный Путь как реальную динамическую систему звезд, а Вселенную как иерархическую структуру с общим центром вращения. В. Томсон (лорд Кельвин) (1824-1907) является автором «контрактационной гипотезы» Вселенной и идеи ее тепловой смерти, ввиду действия второго начала термодинамики (роста энтропии). Л. Больцман (1844-1906) предложил флюктуационную космологическую гипотезу, в которой парадокс тепловой смерти Вселенной снимается (Еремеева, А.И., 1984; Еремеева, А.И., Цицин, Ф.А., 1989; Бочкарева, Т.С., 2007; http://astronomer.nfrod.ru/Library/History/h_table.htm; http://naturalhistory.narod.ru/Page_5.htm).

Третий период связан с научной революцией в физике, появлении новых методологических и технологических подходов, создании новых телескопов, коллайдеров…, базирующихся на современных достижениях науки и техники.

На развитие космологии оказали влияние – создание учения об электромагнитном токе (Фарадей, М., 1832), предсказание электромагнитных волн (Максвелл, Дж., 1865), которые в дальнейшем позволили единым образом подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей, гамма-излучения и разработке шкалы электромагнитных колебаний (http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Электромагнитные%20волны/). В этих работах участвовали практически все естествоиспытатели XIX и начала XX веков. В связи с этими открытиями созданы и создаются в настоящее время приборы и оборудование для исследования космоса.

Густав Роберт Кирхгоф (G.R. Kirchhoff: 12.3.1824, Кенигсберг, – 17.10.1887, Берлин), немецкий физик, член Берлинской АН (1874), член-корреспондент Петербургской АН (1862) в 1854 году и Р.В. Бунзен начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены (1859) основы спектрального анализа, который в 1859-1860 годах был внедрен в практику химических исследований. С помощью нового метода ими были открыты цезий (1860) и рубидий (1861). В 1859 году Г.Р. Кирхгоф сформулировал один из основных законов теплового излучения и ввел в физику понятие абсолютно черного тела. В 1860 году Г.Р. Кирхгоф открыл правило обращения спектров и впервые правильно объяснил темные полосы в спектре Солнца (фраунгоферовы линии), высказав предположение о химическом составе солнечной атмосферы. Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен обнаружили на Солнце Na, Fe, Mg, Ca, Cr и некоторые другие металлы (Столетов, А.Г., 1941; Горнштейн, Т., 1960; Agassi, J., 1967).

Спектральный анализ, могучее средство, полученное астрофизиками во второй половине XIX века. Современная (гарвардская) спектральная классификация звезд, разработанная в Гарвардской обсерватории в 1890-1924 годах является температурной классификацией, основанной на относительной интенсивности линий поглощения и испускания спектров звезд. На основе созданной классификации Энной Кэннон (1863-1941, США) в 1918-1924 годах издан большой Henri Draper Catalogue каталог в 9 томах на 225330 звезд (HD-каталог). Дополнительным фактором, влияющим на вид спектра, является плотность внешних слоев звезды, зависящая, в свою очередь от ее массы и плотности, то есть, в конечном итоге, от светимости. Зависимость вида спектра от светимости отражена в более новой Йеркской классификации, разработанной в Йеркской обсерватории (Yerkes Observatory) У. Морганом, Ф. Кинаном и Э. Келман, называемой также МКК классификацией по инициалам ее авторов. В соответствии с Йерской классификацией (МКК) с учетом светимости звезде того или иного гарвардского спектрального класса (O, B, A, F, G, K и M) приписывают и класс светимости.

Э.П. Хаббл (1889-1953) открыл закон красного смещения в спектрах далеких галактик. Основные труды Э.П. Хаббла посвящены изучению галактик. В 1922 году Э.П. Хаббл предложил подразделять наблюдаемые туманности на внегалактические (галактики) и галактические (газопылевые). В 1924-1926 годах он обнаружил на фотографиях некоторых ближайших галактик звезды, чем доказал, что они представляют собой звездные системы, подобные нашей Галактике. В 1925 году Э.П. Хаббл начинает разрабатывать первую эволюционную морфологическую классификацию форм галактик и в том же году представил первую подробную морфологическую классификацию галактик. Все галактики (или внегалактические туманности, так их называли раньше) он разбил на три основных типа: спиральные (S), эллиптические (Е), неправильные (I) (Бронштейн, В.А., 1974).

Э.П. Хаббл доказал своими тщательными измерениями, что давно известные туманности, ранее считавшиеся всего лишь облаками газа (например, туманность Андромеды), являются галактиками, ничуть не меньшими нашей и удаленными порой на миллиарды световых лет, и что эти галактики движутся, «убегая» от нас со скоростями большими, чем дальше они отстоят от нашей планеты (http://www.peoples.ru/science/physics/gamow/history.html ). Э.П. Хаббл в 1929 году обнаружил зависимость между красным смещением галактик и расстоянием до них (http://ru.wikipedia.org/wiki/Эдвин_Хаббл).

Закон красного смещения Э.П. Хаббла в спектрах далеких галактик и доплеровская интерпретация его, подтверждает концепцию расширения Вселенной (Еремеева, А.И., 1984; Еремеева, А.И., Цицин, Ф.А., 1989; http://astronomer.narod.ru/Library/History/h_table.htm).

Ж. Леметр (1894-1966) создал теорию расширяющейся Вселенной в 1927 году, ознакомившись во время пребывания в США с исследованиями Э.П. Хаббла и Х. Шепли по красному смещению линий в спектрах галактик, истолковав наблюдаемые спектроскопические изменения как свидетельство разбегания, расширения Вселенной (http://bigbang.h10.ru/tablicalemetr.htm). Ж. Леметр в 1927 году выдвинул концепцию рождения и расширения всей Вселенной в качестве объяснения эффекта «красного смещения» (http://astronomer.narod.ru/Library/History/h_table.htm).

Несколько позже, Ж. Леметр на основе закона Э.П. Хаббла (1929) в этом же году предложил гипотезу возникновения Вселенной из сверхплотного состояния материи (Еремеева, А.И., 1984; Еремеева, А.И., Цицин, Ф.А., 1989; http://astronomer.nfrod.ru/Library/History/h_table.htm; http://naturalhistory.narod.ru/Page_5.htm; «Кабинет − История астрономии» - http://naturalhystory.narod.ru).

4 октября 2011 года, Нобелевский комитет присудил премию исследователям – американским ученым Солу Перлмуттеру, Адаму Райссу и австралийцу Брайану Шмидту. Они наиболее убедительно, чем другие, как считают члены Нобелевского комитета, доказали, на основе анализа сверхновых звезд, Вселенная расширяется с ускорением. Согласно последним научным данным, возраст Вселенной составляет 13,7±0,2 миллиарда лет. Термины «известная Вселенная», «наблюдаемая Вселенная» или «видимая Вселенная» часто используются для описания части Вселенной, которая доступна для наблюдений. Поскольку космическое расширение исключает значительные части Вселенной из наблюдаемого горизонта, большинство космологов считает, что наблюдение всего континуума невозможно и следует использовать термин «наша Вселенная» в отношении той части, которая известна человечеству. Существует также гипотеза о том, что Вселенная может быть частью мультивселенной – системы, содержащей множество других вселенных.


Тип радиоактивности ядер

Вид обнаруженного излучения

Год открытия

Авторы открытия

Радиоактивность атомных ядер

Излучение

1896

А. Беккерель

Альфа-распад

4Не

1898

Э. Резерфорд

Бета-распад

e-

1898

Э. Резерфорд

Гамма-распад

-Квант

1900

П. Виллард

Спонтанное деление ядер

Два осколка

1940

Г.Н. Флеров, К.А. Петржак

Протонный распад

p

1982

3. Хофман и др.

Кластерный распад

14C

1984

X. Роуз, Г. Джонс; Д.В. Александров и др.

Таблица 1.1.1 История открытия различных видов радиоактивности (Кадменский, С.Г., 1999, phys.web.ru)

Расстояния, доступные современным телескопам, составляют миллиарды световых лет. Вселенную на таких масштабах изучают астрономия и космология. Теоретической базой для космологии в этот отрезок времени была и теория относительности, в создании которой приняли участие в 1895-1904 годах Хенрик Лоренц и Анри Пуанкаре (Par Renard de la Taille, 1995). Хендрик Лоренц, лауреат Нобелевской премии по физике 1902 года (второй после Рентгена К.) писал об авторстве этого открытия: «Я не установил принципа относительности, как строго и универсально справедливого. Пуанкаре, напротив, получил полную инвариантность и сформулировал принцип относительности – понятие, которое он же первым и использовал». Теория относительности, открытая в 1904 году Анри Пуанкаре, была признана научным сообществом, начиная с 1915 года. Формула Е = mс2 принадлежит Анри Пуанкаре. Он первым в истории науки заметил в 1900 году, что энергия излучения обладает массой m, равной Е/с2 (Тяпкин, А.А.1934; 1935; http://bourabai.kz/tyapkin/noddack.htm; Тяпкин, А.А. УФН, 1972. т. 106, с. 617-659: Tyapkin, A.A. Lett. Nuovo Cimento, 1973, v.7, p. 760; Тяпкин, А.А., 2004; Par Renard de la Taille, 1995 и т.д,).

«Исследования законов микромира, которыми занимается ядерная физика, в последнее время помогли существенно расширить наши представления о явлениях, происходящих в макромире – нашей Вселенной, внесли огромный вклад в разработку астрофизических и космологических теорий. Прежде всего, это касается модели расширяющейся Вселенной, эволюции звезд и распространенности элементов, а также свойств различных звезд и космических объектов: «холодных», нейтронных, черных дыр, пульсаров и др.» (Пенионжкевич, Ю.Э., 1998; http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390).

Формирование современной атомно-ядерной астрофизики началось с открытия К.В. Рентгеном (1845-1923) в 1895 году икс-лучей (рентгеновских лучей). В 1896 году А. Беккерель (1852-1908) обнаружил, что сходные неизвестные ранее лучи испускает уран, которые, как оказалось позднее, частично состоят из электронов, открытых в 1897 году Дж. Томсоном. В 1897 году М. Кюри обнаружила подобное излучение у тория, а затем М. Кюри и П. Кюри открыли два новых химических элемента полоний и радий, также испускающих неизвестные ранее лучи. Позже это явление названо М. Кюри радиоактивностью (http://ru.wikipedia.org/wiki/Рентген,_Вильгельм_Конрад; http://www.alhimik.ru/teleclass/pril/ bekkerel.shtml).

Познание природы приобрело непрерывный каскадный характер (таблица 1.1.1). В 1898 году в Кембридже в Кавендишской лаборатории (руководимой Томсоном, Дж.Дж.) Э. Резерфорд обнаружил неоднородность излучения, испускаемого ураном. Э. Резерфорд доказал, неоднородность излучения связана с различными типами радиации: альфа- и бета-распадами (http://www.alhimik.ru/teleclass/pril/reserford.shtml).

С развитием знаний в физике и химии в космологии также происходят парадигмальные изменения. В 1908 году К. Шарье вернулся к модели иерархической структуры Вселенной. К. Шварцшильд в 1910 году начал разрабатывать теорию звездных атмосфер, Э. Герцшпрунг в 1910 году исследует зависимость «спектр-светимость» для звездных скоплений и обнаруживает различие звездных населений.

В начале XX столетия в 1905-1913 годах, выдающиеся астрономы датчанин Э. Герцшпрунг и американец Н. Ресселл эмпирически установили (независимо друг от друга), что существует зависимость между светимостью звезд и их спектральным классом. Так была открыта универсальная астрофизическая закономерность в мире звезд: диаграмма «спектр-светимость». Если нанести положения большого количества звезд на диаграмму, у которой по оси абсцисс отложены спектральные классы звезд, а по оси ординат – светимости, оказывается, что звезды отнюдь не располагаются беспорядочно, а образуют определенные группы. Положение звезды на диаграмме зависит от ее массы, возраста и химического состава. Со временем выявился глубокий физический смысл расположения звезд на диаграмме, и стали понятными передвижения звезд по диаграмме в зависимости от возраста (эволюционные треки). Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла названа по имени Э. Герцшпрунга, впервые обнаружившего указанную зависимость, и Г. Ресселла, детально её изучившего. Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла представляет собой своеобразную диаграмму состояния звезд. Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла для звезд является важным инструментом сравнения теоретических моделей звезд с наблюдениями.

Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла обычно приводится в следующих координатах:

1. Светимость – эффективная температура.

2. Абсолютная звездная величина – показатель цвета.

3. Абсолютная звездная величина – спектральный класс.

На приведенной диаграмме (рисунок 1.1.1) можно выделить следующие классы звезд: звезды главной последовательности; красные гиганты; звезды горизонтальной ветви; асимптотическую ветвь сверхгигантов; последовательность белых карликов. Наиболее населенной является главная последовательность, следующие группы – белые карлики и гиганты.

Эволюция звезд удовлетворительно объясняется соотношением зависимости – спектр – светимость. На диаграмме Герцшпрунга-Ресселла представлен жизненный цикл звезд (рисунок 1.1.1).

Основные наблюдаемые характеристики звезд – это светимость Ls и температура поверхности Ts. Если светимости звезд с известными расстояниями нанести на график (рисунок 1.1.1) в зависимости от их температур, то они распределятся, как показано на этом рисунке. Более 90 % всех звезд относится к звездам главной последовательности. Вторым по численности классом звезд – являются белые карлики, третьим – гиганты и сверхгиганты, которые встречаются гораздо реже. В зависимости от стадии развития, эволюции звезды, звезда может принадлежать к главной последовательности на одной стадии своей жизни и быть белым карликом, гигантом, нейтронной звездой – на другой. Так как фаза главной последовательности является самой продолжительной, большинство звезд принадлежат главной последовательности (рисунок 1.1.1).


  1   2   3   4   5   6   7

Похожие:

Вселенная и образование изотопов химических элементов iconРешение многих теоретических и практических проблем современного естествознания требует изучения вопроса о распространенности химических элементов в природе,
Количественное соотношение устойчивых и неустойчивых изотопов химических элементов
Вселенная и образование изотопов химических элементов iconРоль клеток крови в формировании гомеостатических показателей изотопов химических элементов
Целью настоящей работы является изучение роли форменных элементов в самоорганизации показателей метаболизма химических элементов...
Вселенная и образование изотопов химических элементов iconInorganic geochemistry
Рассмотрено влияние структурных, термодинамических, кинетических и кристаллохимических факторов на распределение химических элементов...
Вселенная и образование изотопов химических элементов iconУрок по химии Тема: «Атомы химических элементов»
Цель: применять полученные знания и умения о строении атомов химических элементов, на основании положения их в периодической системе...
Вселенная и образование изотопов химических элементов iconКак возникают, откуда берутся названия химических элементов?
В некоторых случаях на помощь приходит мифология. Что же удалось узнать учащимся школы №551 о греческой родословной некоторых химических...
Вселенная и образование изотопов химических элементов iconЗакон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых периодов и главных подгрупп в зависимости от атомного (порядкового) номера
Металлы, их положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, строение атомов (на примере натрия, алюминия)....
Вселенная и образование изотопов химических элементов iconПрограмма вступительных испытаний в магистратуру по направлению "Химия"
Периодический закон и Периодическая система элементов Д. И. Менделеева. Физическое обоснование периодичности свойств химических элементов....
Вселенная и образование изотопов химических элементов iconРеферат Этимология названий химических элементов Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева
Этимология названий химических элементов Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева
Вселенная и образование изотопов химических элементов iconПрограмма по химии для поступающих в Томский государственный университет
Стехиометрия: закон сохранения массы вещества, постоянства состава. Химический элемент, простое вещество, сложное вещество. Аллотропия....
Вселенная и образование изотопов химических элементов iconЗакон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Разработка плана-конспекта урока «Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева»
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница