Контрольная работа: История развития естественных наук в Средневековье
Размеры ядра очень малы: 10–12–10–13 см (ядро в 100 000 раз меньше атома). Несмотря на малые размеры ядра в нем сосредоточено 99,95% массы атома. Ввиду этого плотность ядерного вещества очень велика и составляет величину порядка 1017 кг/м3.
Заряд ядра, выраженный в элементарных единицах, численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Это дает возможность по порядковому номеру элемента Z определить число протонов в ядре данного атома.
Общее число нуклонов в ядре атома можно определить по так называемому массовому числу А. Массовое число – это округленный до целых единиц атомный вес элемента. Поскольку число протонов в ядре численно равно порядковому номеру элемента Z, то число нейтронов равно разности массового числа А и порядкового номера Z, т.е. N = А – Z. Например, гелий имеет Z = 2 и А = 4, значит, в ядре атома гелия два протона и два нейтрона.
Таким образом, место элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева и его атомный вес вскрывают не только строение атома, но и структуру его ядра.
Вид атомов с данными числами протонов и нейтронов называют нуклидом.
Значение атомного веса в таблице элементов почти всегда выражается дробным числом. Это объясняется тем, что почти каждый элемент в действительности состоит из нескольких разновидностей этого элемента, имеющих одинаковый электрический заряд, но различную массу, т.е. одинаковое количество протонов в ядре, но различное количество нейтронов. Разновидности химического элемента, имеющие в ядре атома одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов, называются изотопами.
Все изотопы данного элемента размещаются в одной клетке таблицы элементов периодической системы. Дробное значение атомного веса элемента и отражает в этом случае среднее значение атомного веса всех изотопов данного элемента. В настоящее время известно более 1500 изотопов, из них не более 300 стабильных (ядра которых в течение длительного промежутка времени не претерпевают изменений), остальные являются радиоактивными (ядра которых со временем распадаются).
Планетарную модель строения атома первым предложил Ж. Перрен, пытаясь объяснить наблюдаемые свойства орбитальным движением электронов. Но В. Вин посчитал ее несостоятельной. Во-первых, электрон при вращении согласно классической электродинамике должен непрерывно излучать энергию и, в конце концов, упасть на ядро. Во-вторых, из-за непрерывной потери энергии излучение атома должно иметь непрерывный спектр, а наблюдается линейчатый спектр.
Опыты по прохождению а – частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов провели сотрудники Э. Резерфорда Э. Марсден и Х. Гейгер (1908).
Они обнаружили, что почти все частицы проходят через пластинку свободно, и только 1/10 000 из них испытывает сильное отклонение – до 150°. Модель Томсона это не могла объяснить, но Резерфорд, его бывший ассистент, сделал оценки доли отклонений и пришел к планетарной модели: положительный заряд сосредоточен в объеме порядка 10-15 со значительной массой [5, с. 194].
Считая орбиты электронов в атоме закрепленными, Томсон в 1913 г. тоже пришел к планетарной модели строения атома.
Но, решая задачу на устойчивость такого атома с использованием закона Кулона, он нашел устойчивую орбиту лишь для одного электрона. Ни Томсон, ни Резерфорд не могли объяснить испускание а – частиц при радиоактивном распаде – выходило, что в центре атома должны быть и электроны?!
Об этом говорила и М. Склодовская-Кюри. Резерфорд принял это, но ему пришлось приписать электронам функцию склеивания ядер, чтобы кулоновское отталкивание не развалило ядро. Эти модели не позволяли получить количественные результаты, соответствующие опытам. В 1913 г. придали вес модели Резерфорда некоторые опытные данные по радиоактивным явлениям. Его ассистент Г. Мозли измерил частоту спектральных линий ряда атомов Периодической системы и установил, что «атому присуща некая характерная величина, которая регулярно увеличивается при переходе от атома к атому. Это количество не может быть ни чем иным, как только зарядом внутреннего ядра» [Цит. по: 5, с. 194].
Построение теории строения атома на основе планетарной модели наталкивалось на обилие противоречий.
Сначала датский физик Н. Бор пытался применить классическую механику и электродинамику к задаче о торможении заряженных частиц при движении через вещество, но при заданном значении энергии электрона появлялась возможность приписывать ему произвольные параметры орбиты (или частоты), что приводило к парадоксам.
Планетарная модель строения атома Резерфорда оказывалась несовместимой с электродинамикой Максвелла.
В феврале 1913 г. появились статьи по интерпретации спектров звезд Дж. Никольсона. Он, распространяя идею Планка на атомы, предложил квантовать проекции момента электрона. Так появился атом с дискретными орбитами, по которым вращались группы электронов, излучающие электромагнитные волны с частотой, равной частоте обращения. Такая модель годилась для сильно возбужденных атомов, и Никольсон объяснил некоторые особенности в спектрах звезд и туманностей исходя из модели атома – представления об электронном кольце, вращающемся вокруг положительно заряженного ядра.
Атом характеризовался, в первую очередь, своим спектром излучения. Он связал со спектральными частотами частоты специально постулированных механических колебаний электронов, перпендикулярных плоскости кольца.
3. Галактики. Основные характеристики галактик
Вскоре после изобретения телескопа внимание наблюдателей привлекли многочисленные светлые пятна туманного вида, – так и названные туманностями, – видимые неизменно в одних и тех же местах. С помощью сильных телескопов У. Гершель и его сын Дж. Гершель открыли множество таких туманных пятен, а к концу XIX в. было обнаружено, что некоторые из них имеют спиральную форму. Но долго оставалось загадкой, что представляют собой эти туманности.
Только в 1920-е гг. с помощью крупнейших в то время телескопов удалось разложить туманности на звезды. Стало ясно, что туманности – это не облака пыли, светящиеся отраженным светом, и не облака разреженного газа, а чрезвычайно далекие звездные системы галактики.
Галактики – это гигантские звездные системы (примерно до 1013 звезд) [6, с. 413]. Такого же порядка (n = 13) и массы галактик по отношению к массе Солнца.
Некоторые галактики можно разглядеть в хороший бинокль.
Галактику Андромеды, большую по размерам и находящуюся достаточно близко к Солнцу (всего в 1,5 млн. световых лет), в состоянии увидеть человек с хорошим зрением: это размытое пятно в созвездии Андромеды. Современные телескопы позволяют отыскать сотни миллионов и миллиарды галактик. В хорошо исследованной области пространства, на расстояниях 1500 Мпк, находится сейчас несколько миллиардов галактик [6, с. 414].
Таким образом, наблюдаемая нами область Вселенной – это, прежде всего, мир галактик.
Строение их различно.
Но наиболее характерна и примечательна одна форма – уплощенный диск с выпуклостью в центре, откуда исходят спиральные рукава.
Галактика Андромеды, как и наша собственная, принадлежит к спиральному типу галактик. Солнечная система расположена в одном из спиральных рукавов Галактики на расстоянии примерно двух третей ее радиуса от центра.
Следует помнить, что, наблюдая вселенную, мы видим галактики не такими, какие они есть теперь, а такими, какими они были в далеком прошлом. Свет от них приходит к нам через пространство в миллиарды и миллиарды километров, на преодоление которого он затрачивает миллионы лет. Свет от ближайшей к нам галактики Андромеды достигает Земли через 1,5 млн. лет. С помощью больших телескопов можно наблюдать еще намного более далекие галактики, и мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Расстояние до самых дальних из наблюдаемых в настоящее время галактик – свыше 10 млрд. световых лет [6, с. 415].