3 Природные объекты Классификация природных объектов Микро- макро-

3. Природные объекты Классификация природных объектов. Микро-, макро- и мегаобъекты, их пространственно-временные характеристики. Структурные уровни организации материи. Состояние как характеристика природного объекта. Изменение состояния. Проблемы и достижения субъядерной физики. Управляемый термоядерный синтез. Большой адронный коллайдер как инструмент исследования свойств материи. Особенности экспериментального изучения квантовых объектов. Методы описания сложных систем. Порядок и беспорядок в природе. Диссипативные структуры и условия их образования. Активные среды. Самоорганизация в сложных системах. Бифуркационная диаграмма как модель эволюции сложных систем: природа, человек, общество. Земля – наш дом. Концепции образования основных оболочек Земли. Геологическая эволюция Земли. Антропогенез. Архантропы, палеоантропы, неоантропы. Расы. Мегаобъекты. Вселенная. Галактики. Звёзды. Планеты. Особые объекты Вселенной: чёрные дыры, пульсары, карлики, сверхгиганты. Основные наблюдательные характеристики звёзд. 1

Микро-, макро-, мегамиры 2

Фундаментальная структура материи Материя ВЕЩЕСТВО ПОЛЕ ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ http: //nuclphys. sinp. msu. ru/spargalka/ 3

Физический вакуум Достаточно ль знаком ты с пустотой? И. В. Гёте «Фауст» Физический вакуум – это первичная субстанция, базовая форма материи, среда охватывающая всю Вселенную, среда с очень низким (но ненулевым!) энергосодержанием. Физический вакуум – это не пустота! Состоит из виртуальных частиц, но рождает реальные частицы. В нем отсутствуют реальные физические поля, имеются лишь нулевые колебания вакуума. Вакуумные флуктуации тем больше, чем меньше ее пространственно-временные размеры. 4

Классификация элементарных частиц 5

Гравитационное Относительная сила Участники взаимодействий Характер взаимодействия Частица-переносчик взаимодействия Сильное Электромагнитное Слабое 10 -39 1 -15 все адроны и их компоненты частицы с q≠ 0 Фермионы с фермионами притяжение, отталкивание меняет тип частиц гравитон глюоны фотон Промежуточные векторные бозоны 10 -17 W+, W- - 160000 me, Масса обменной частицы 0 0 0 Расстояние взаимодействия, м ∞ 10 -15 ∞ 10 -18 Время взаимодействия, с ? 10 -22 – 10 -24 10 -18 – 10 -21 10 -8 – 10 -10 Теория Взаимодействие определяет Z 0 - 180000 me классической и квантовой электро- квантовой теории поля динамики силы давления, распад и превращение структуру трения, элементарных частиц с адронов, связь сопротивления, глобальные процессы участием нейтрино, нейтронов и упругости, консолидации материи безнейтринный распад протонов в химические силы, в макро- и мегамире с большим временем атомных ядрах, свойства вещества и жизни распадающейся ядерные реакции электро-магнитных частицы излучений всемирного тяготения, квантовой относительности хромодинамики Примеры 6

Адроны Участвуют в сильном взаимодействии. Бывают электрически заряженные и нейтральные. Нестабильны (очень быстро распадаются). Барионы имеют барионный заряд (В=1). (протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы). Нуклоны – общее название для протонов и нейтронов. Мезоны – не имеют барионного заряда (В=0). (пионы или пи-мезоны, каоны или К-мезоны). Все барионы состоят из трех кварков, а мезоны – из кварка и антикварка. 7

Лептоны Участвуют преимущественно в слабом взаимодействии и не участвуют в сильном. Истинно элементарны (не состоят из других частиц). Бывают электрически заряженные и нейтральные. Несут лептонный заряд (L=1). Лептоны: электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им электронное, мюонное и тау-нейтрино. Лептонный заряд (аналогично барионному заряду) не связан ни с какими полями, а просто является средством учета количества лептонов в реакциях. 8

Частицы и античастицы Античастицы – это такие же частицы, имеющие те же значения масс, времен жизни, спинов и других физических характеристик, что и соответствующие им частицы. Главное отличие заключается в том, что заряды античастиц имеют знаки, противоположные соответствующим им частицам. 9

Реальные и виртуальные частицы Реальные частицы можно непосредственно зафиксировать с помощью приборов. Виртуальные – это частицы, о существовании которых можно судить лишь опосредованно, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты. Все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами. 10

ЧАСТИЦЫ СТАБИЛЬНЫЕ НЕСТАБИЛЬНЫЕ ФОТОН НЕЙТРОН ПРОТОН МЮОН ЭЛЕКТРОН ТАУ-ЛЕПТОН 3 ТИПА НЕЙТРИНО МЕЗОНЫ + ИХ АНТИЧАСТИЦЫ РЕЗОНАНСЫ + ИХ АНТИЧАСТИЦЫ …. ……. . 11

Фермионы и бозоны j=1/2, 3/2, … (дробный спин) – ФЕРМИОНЫ (распределение Ферми-Дирака, запрет Паули) Фермионы – это «кирпичики» , из которых состоит мир. j=0, 1, 2, … - БОЗОНЫ (распределение Бозе-Эйнштейна) Бозоны – это «полевые» частицы, обеспечивающие взаимодействие фермионов, это «раствор» для «кирпичей» . 12

Фундаментальные фермионы Кварки Название Масса, Покоаромата Гэ. В/с2 ление I u (up) d (down) 0, 33 0, 34 Электрический заряд, q/e Лептоны Название Масса, Электри. Гэ. В/с2 ческий заряд, q/e + 2/3 – 1/3 e (электрон ) νe (электронное нейтрино) 0, 511 < 17 э. В/с2 – 1 0 105, 7 < 0, 27 – 1 0 1784 < 35 – 1 0 II с (charm) s (strange) 1, 5 0, 45 + 2/3 – 1/3 μ (мюон ) νμ (мюонное нейтрино) III t (truth) b (beauty) 174 4, 9 + 2/3 – 1/3 τ (таон ) ντ (таонное нейтрино) 13

Фундаментальные бозоны Название, символ Тип переносимого взаимодействия Электрический заряд Масса, Гэ. В Спин Гравитон G Гравитационное 0 0 2 Фотон γ Электромагнитное 0 < 3· 10 -36 э. В 1 Слабое + 1 – 1 0 9· 10 -16 10, 3· 10 -16 1 1 1 Сильное 0 0 1 Векторные бозоны W+ W– Z 0 Глюоны g 1, …, gg 14

Большой адронный коллайдер http: //public. web. cern. ch/public/ «Большой» из-за размера: ~27 км. «адронный» – потому что ускоряет протоны и тяжелые ядра, которые являются адронами. «коллайдер» – потому что ускоряются эти частицы в двух пучках, циркулирующих в нём в противоположных направлениях, и в специальных местах сталкиваются друг с другом. Суммарная энергия двух пучков протонов 14 Тэ. В. 15

16

17

Атом гелия 18

График вероятности обнаружения электрона на разном расстоянии от ядра 19

Концепции квантовой механики невозможность точной локализации движущейся частицы в определенной точке пространства. Отсутствие понятия «траектория» 20

Соотношение неопределенностей Вернегер Гейзенберг, 1927 г. чем точнее определена какая-либо из координат частицы (т. е. чем меньше неопределенность x-координаты), тем больше неопределенность составляющей импульса рх в том же направлении, и наоборот. x· px 21

Волновая функция d. P=|Ψ|2·d. V Коэффициент пропорциональности |Ψ|2 – это квадрат амплитуды волновой функции – вероятность d. P обнаружения частицы в объеме d. V. Волновая функция это величина, которая в квантовой механике полностью описывает состояние микрообъекта (электрона, протона, атома и т. п. ) и вообще любой квантовой системы. Поведение элементарных частиц носит вероятностный характер, описываемый волновой функцией. 22

Уравнение Шрёдингера (1926) m – масса частицы; ћ – постоянная Планка; U – потенциальная энергия сил внешнего поля. Для квантового мира уравнение Шрёдингера играет ту же роль, что законы Ньютона для мира классического. 23

Корпускулярно-волновой дуализм Фотоэффект (вырывание светом электронов с поверхности металлов), Эффект Комптона (рассеяние света на электронах) и др. эксперименты Свет похож на поток частиц – фотонов E=ħν, p=ħ/λ Дифракция электронов на кристалле Электроны обладают волновыми свойствами 24

Запрет Паули и квантовые числа в любом атоме не может быть двух электронов, находящихся в одинаковых стационарных состояниях, которые определяются набором четырёх квантовых чисел: n, l, m, s. n – главное квантовое число l – орбитальное квантовое число l = 0, 1, 2, …, n-1 m – магнитное квантовое число m = 0, ± 1, ± 2, …, ±l s – спиновое квантовое число s = ±½ 25

Пример заполнения электронной конфигурации азота Разрешенная конфигурация электронов Три неразрешенные конфигурации электронов 26

Химические системы ВЕЩЕСТВА Простые Сложные образованы из атомов одного элемента образованы атомами разных элементов Атом – это наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. 27

Молекула – это наименьшая структурная единица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением. Виды молекул: • молекулы простых веществ (He, О 2, О 3) • молекулы сложных веществ (СО, Н 2 SO 4) • макромолекулы 28

Химический элемент – это совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра. Изотопы – это химические элементы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы. 29

Периодический закон Д. И. Менделеева Свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов. 30

Ионная связь Ø электрическое притяжение между противоположно заряженными ионами (частицами, несущими электрический заряд). • положительный ион – катион (Na+, Аg+) • отрицательный ион – анион ( Cl-, O- ) Модель кристаллической решетки хлорида натрия Na. Cl 31

Ионная связь Схема поведения кристаллической решетки Na. Cl под действием деформирующей силы 32

Ионная связь Иллюстрация процесса растворения соли в воде 33

Ковалентная связь Ø тип химической связи, образующийся при обобществлении двух электронов парой соседних атомов. Это самая прочная связь Примеры ковалентной связи: H 2, Cl 2, N 2, алмаз Схема ковалентной связи 34

Ковалентная связь Структура алмаза 35

Металлическая связь Кристаллическая решетка металла. Показана траектория одного из свободно движущихся электронов 36

Металлическая связь Действие деформирующей силы на кристаллическую решетку металла 37

Взаимодействие Ван-дер-Ваальса Ø всегда существует между близко расположенными атомами, но играет важную роль лишь в отсутствие более сильных механизмов связи. Самая слабая связь Схема диполь-дипольного притяжения 38

Водородная связь Ø связь, возникающая вследствие силы притяжения между атомом водорода и электроотрицательным атомом. Самая слабая связь Схема водородной связи в кристалле льда 39

Структура мегамира а. е. - астрономическая единица 1 а. е. = 1, 5 1011 м = 150 000 км Расстояние от Солнца до Земли пк - парсек 1 пк = 206265 а. е. = 3 1016 м 1 пк = 3, 259 световых лет световой год - расстояние, которое проходит луч света за 1 год 40

Название происходит от параллакс угловой секунды и обозначает расстояние до объекта, [четверть] годичный параллакс которого равен одной угловой секунде. Парсек — это расстояние, с которого средний радиус земной орбиты (равный 1 а. е. ), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду (1″). 41

Планета – небесное тело достаточно массивное, чтобы иметь сфероидальную форму, движущееся по орбите вокруг звезды. Критерии: • обращается вокруг звезды; • не является звездой; • обладает достаточной массой, чтобы иметь форму, близкую к сфере; • вблизи орбиты имеется «пространство, свободное от других тел» . Такое свободное пространство появляется в процессе формирования планет. 42

Звезда Звёзды представляют собой скопления вещества в виде сфер разной величины, находящихся в условиях высоких температур. Температура поверхности: 100 000 - 1 600 К Размеры различаются в сотни тысяч раз. 97% Космоса сосредоточено в звездах Далее мультик 43

ГАРВАРДСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЗВЁЗД S | O-B-A-F-G-K-M | R-N Каждой букве соответствует определённая температура и цвет поверхности звезды 44

Характеристики звезд ЦВЕТ ОВАF GК М- ГОЛУБОЙ ГОЛ. -БЕЛЫЙ ЖЕЛТЫЙ ОРАНЖЕВЫЙ КР. И ТЕМНОКР Т, 103 К ПРИМЕР ЗВЕЗДЫ 25 -30 15 -20 10 7, 5 6 5 3, 6 ВОЛЬФ-РАЙС ОРИОН СИРИУС ПОРЦИОН СОЛНЦЕ АРКТУР БЕТЕЛЬГЕЙЗЕ R и N – ПОЛОСЫ УГЛЕРОДА И ЦИАНА S – ПОЛОСЫ МОНООКИСИ ЦИРКОНИЯ ВО, В 1, В 2. …до В 9, А 0, А 1, … и т. д. 45

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела 2 T 4 L=4 R где - постоянная Стефана, = 5, 6 · 10 -5 Большие звезды имеют более высокую температуру! 46

47

Особые звезды • КОНЕЧНОЕ СОСТОЯНИЕ: - белый карлик (М< 1, 2 М ) где 1, 2 М - предел Чандрасекара - нейтронная звезда (1, 2 М <M< 2, 5 М ) - черная дыра (M> 2, 5 М ) • При M> 60 М звезды неустойчивы и стремятся избавиться от лишней массы путем истечения вещества, взрывов с рождением новых и сверхновых звезд 48

Звёздные системы группы звёзд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звёзд. • рассеянные звездные системы (>1000) • шаровые звездные скопления (~150) Солнечная система — это звёздная система, образованная одиночной звездой — Солнцем — и другими телами (планетами и др. ), обращающимися вокруг неё. 49

Галактики – совокупности звёздных скоплений. ЧИСЛО ЗВЁЗД: 106 -1013 СОСТАВ: - звезды различных типов - межзвездная среда: поля, космические лучи (частицы высоких энергий) ТИПЫ: - эллиптические - линзообразные - спиральные (например, Млечный путь) - неправильные 50

СПИРАЛЬНЫЕ ГАЛАКТИКИ 51

NGC 1365 типа SBa в созвездии Печи СПИРАЛЬНЫЕ ГАЛАКТИКИ С ПЕРЕМЫЧКОЙ NGC 1530 типа SBb в созвездии Жирафа NGC 4535 типа SВc в созвездии Девы 52

ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ ГАЛАКТИКИ 53

Линзообразная галактика NGC 5866 в созвездии Дракон. 54

Неправильная галактика NGC 3077 Неправильная галактика NGC 1313 типа II в созвездии Большой Медведицы с активным вездообразованием Взаимодействующие галактики NGC 5394 и 5395 55

Последовательность типов галактик 56

Млечный путь • РАЗМЕРЫ: - диаметр диска ~ 30 кпк; - балдж ~ 8 кпк; - расстояние от центра до Солнца – 9 кпк. • ЧИСЛО ЗВЁЗД: 1011 • ПЛОТНОСТЬ РАЗМЕЩЕНИЯ ЗВЁЗД: В центре ~ 106 на 1 пк 3, в окрестностях Солнца -1 на 8 пк 3 • В ЦЕНТРЕ - ЧЁРНАЯ ДЫРА 57

Метагалактика • Метагалактика – система галактик, включающая все известные космические объекты. Это та часть Вселенной, которая доступна наблюдениям астрономическими средствами. 58