Ядерный синтез. Образование планетных систем

19

Мошковская средняя общеобразовательная школа №1

Реферат по Биологии

Ядерный синтез. Образование планетных систем

Выполнила: Старостина Ирина 10 «Б» класс

Проверила: Паршина Людмила Ивановна

Мошково 2008г.

План

Введение

Спектральный анализ

Ядерный синтез

Происхождение солнечной системы

Развитие звезд

Цвет и светимость звезд

Солнце

Словарик

Заключение

Список использованных источников

1. Введение

Без ядерного синтеза было бы невозможно образование новых химических элементов, не происходила бы их эволюция; и вселенная состояла бы только из водорода и более простых частиц. В образовании звезд водород является основным элементом. Звезды, как гигантские преобразовательные машины, выделяют после взрывов сверхновых все другие вещества, которые мы сейчас знаем. Звезды рождаются и умирают, проходят стадии своего развития: от протозвезды до белого карлика. Самая наиболее изученная звезда для нас - это Солнце. Оно является основным источником энергии на нашей планете.

Спектральный анализ - метод, с помощью которого можно установить из анализа света качественный и количественный химический состав звезды, его температуру, наличие и напряженность магнитного поля и т.д.

Пытаясь объяснить возникновение Солнечной системы, ученые выдвигали много гипотез. Одно известно точно - планета Земля образовалась из холодного газопылевого облака.

Звезды бывают разные по цвету. Чем краснее звезда, тем она холоднее, и чем голубее, тем горячее. Они бывают разные по размеру: сверхгиганты, гиганты, карлики, субгиганты. Но чем больше звезда, тем меньше она живет. Дольше всего живут звезды среднего размера. И наше Солнце одно из них, хотя его относят к желтым карликам.

2. Спектральный анализ

Табл.1 Содержание во вселенной некоторых из наиболее распространенных элементов. [1]

Методом, дающим ценные и наиболее разнообразные сведения о небесных светилах, является спектральный анализ. Он позволяет установить из анализа света качественный и количественный химический состав светила, его температуру, наличие и напряженность магнитного поля и т. д.

Спектральный анализ основан на том, что сложный свет при переходе из одной среды в другую, например из воздуха в стекло, разлагается на составные части. Если пучок этого света пустить на боковую грань трехгранной призмы, то, преломляясь в стекле по-разному, составляющие белый свет лучи дадут на экране радужную полоску, называемую спектром. В спектре все цвета расположены всегда в определенном порядке.

Как известно, свет распространяется в виде электромагнитных волн. Каждому цвету соответствует определенная длина электромагнитной волны. Длина волны в спектре уменьшается от красных лучей к фиолетовым. За фиолетовыми лучами спектра лежат ультрафиолетовые лучи, не видимые глазом, но действующие на фотопластинку.

Еще более короткую длину волны имеют рентгеновские лучи, применяемые в медицине. Рентгеновское излучение небесных светил, важное для понимания их природы, атмосфера Земли задерживает. Только недавно оно стало доступно для изучения посредством запусков высотных ракет, поднимающихся выше основного слоя атмосферы. Наблюдения в рентгеновских лучах производят также автоматические приборы, установленные на космических станциях.

За красными лучами спектра лежат инфракрасные лучи. Они невидимы, но и они действуют на специальные фотопластинки. Под спектральными наблюдениями понимают обычно наблюдения в интервале от инфракрасных до ультрафиолетовых лучей.

Для изучения спектров применяют приборы, называемые спектроскопом и спектрографом. В спектроскоп спектр рассматривают, в спектрографе его фотографируют. Фотография спектра называется спектрограммой.

Существуют следующие виды спектров:

Сплошной, или непрерывный, спектр в виде радужной полоски дают твердые раскаленные тела (раскаленный уголь, нить электролампы) и находящиеся под большим давлением громадные массы газа. Линейчатый спектр излучения дают разреженные газы и пары при сильном нагревании или под действием электрического разряда. Каждый газ излучает набор ярких линий определенных цветов. Их цвет соответствует определенным длинам волн. Они находятся всегда в одних и тех же местах спектра. Изменения состояния газа или условий его свечения, например нагрев или ионизация, вызывают определенные изменения в спектре данного газа.

Составлены таблицы с перечнем линий каждого газа и с указанием яркости каждой линии. Например, в спектре натрия особенно ярки две желтые линии. Установлено, что спектр атома или молекулы связан с их строением и отражает определенные изменения, происходящие в них в процессе свечения.

Линейчатый спектр поглощения дают газы и пары, когда за ними находится яркий и более горячий источник, дающий непрерывный спектр. Спектр поглощения состоит из непрерывного спектра, перерезанного темными линиями, которые находятся в тех самых местах, где должны быть расположены яркие линии, присущие данному газу. Например, две темные линии поглощения натрия расположены в желтой части спектра.

Сказанное выше позволяет производить анализ химического состава паров, излучающих свет или поглощающих его, находятся ли они в лаборатории или на небесном светиле. Количество атомов или молекул, лежащих на нашем луче зрения, излучающих или поглощающих, определяется по интенсивности линий. Чем больше атомов, тем ярче линия или тем она темнее в спектре поглощения. Солнце и звезды окружены газовыми атмосферами. Непрерывный спектр их видимой поверхности перерезан темными линиями поглощения, возникающими при прохождении света через атмосферу звезд. Поэтому спектры Солнца и звезд -- это спектры поглощения.

Надо помнить, что спектральный анализ позволяет определять химический состав только самосветящихся или поглощающих излучение газов. Химический состав твердого или жидкого тела при помощи спектрального анализа определить нельзя.

Когда тело раскалено докрасна, в его сплошном спектре ярче всего красная часть. При дальнейшем нагревании наибольшая яркость в спектре переходит в желтую, потом в зеленую часть и т. д. Теория излучения света, проверенная на опыте, показывает, что распределение яркости "вдоль сплошного спектра зависит от температуры тела. Зная эту зависимость, можно установить температуру Солнца и звезд. Температуру планет и температуру звезд определяют еще при помощи термоэлемента, помещенного в фокусе телескопа. При нагревании термоэлемента в нем возникает электрический ток, характеризующий количество теплоты, приходящее от светила.

3. Ядерный синтез

Реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Ядерный синтез - это реакция, обратная делению атомов: в последней энергия выделяется за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие.

Согласно современным астрофизическим представлениям, основным источником энергии Солнца и других звезд является происходящий в их недрах термоядерный синтез. В земных условиях он осуществляется при взрыве водородной бомбы. Термоядерный синтез сопровождается колоссальным энерговыделением на единицу массы реагирующих веществ (примерно в 10 миллионов раз большим, чем в химических реакциях). Поэтому представляет большой интерес овладеть этим процессом и на его основе создать дешевый и экологически чистый источник энергии. Однако несмотря на то, что исследованиями управляемого термоядерного синтеза (УТС) заняты большие научно-технические коллективы во многих развитых странах, предстоит решить еще немало сложных проблем, прежде чем промышленное производство термоядерной энергии станет реальностью.

Современные атомные станции, использующие процесс деления, лишь отчасти удовлетворяют мировые потребности в электроэнергии. Топливом для них служат естественные радиоактивные элементы уран и торий, распространенность и запасы которых в природе весьма ограничены; поэтому для многих стран возникает проблема их импорта. Главным компонентом термоядерного топлива является изотоп водорода дейтерий, который содержится в морской воде. Запасы его общедоступны и очень велики (мировой океан покрывает ?71% площади поверхности Земли, а на долю дейтерия приходится ок. 0,016% общего числа атомов водорода, входящих в состав воды). Помимо доступности топлива, термоядерные источники энергии имеют следующие важные преимущества перед атомными станциями: 1) реактор УТС содержит гораздо меньше радиоактивных материалов, чем атомный реактор деления, и поэтому последствия случайного выброса радиоактивных продуктов менее опасны; 2) при термоядерных реакциях образуется меньше долгоживущих радиоактивных отходов; 3) УТС допускает прямое получение электроэнергии.

Успешное осуществление реакции синтеза зависит от свойств используемых атомных ядер и возможности получения плотной высокотемпературной плазмы, которая необходима для инициирования реакции.

Энерговыделение при ядерном синтезе обусловлено действующими внутри ядра чрезвычайно интенсивными силами притяжения; эти силы удерживают вместе входящие в состав ядра протоны и нейтроны. Они очень интенсивны на расстояниях ?10-¹³ см и чрезвычайно быстро ослабевают с увеличением расстояния. Помимо этих сил, положительно заряженные протоны создают электростатические силы отталкивания. Радиус действия электростатических сил гораздо больше, чем у ядерных, поэтому они начинают преобладать, когда ядра удалены друг от друга.

В нормальных условиях кинетическая энергия ядер легких атомов слишком мала для того, чтобы, преодолев электростатическое отталкивание, они могли сблизиться и вступить в ядерную реакцию. Однако отталкивание можно преодолеть «грубой» силой, например сталкивая ядра, обладающие высокой относительной скоростью.

4. Происхождение солнечной системы

Решение вопроса о происхождении солнечной системы встречает основную трудность в том, что другие подобные системы в других стадиях развития мы не наблюдаем. Нашу солнечную систему не с чем сравнивать.

Правда, около некоторых ближайших звезд, по-видимому, существуют планеты, ибо эти звезды обнаруживают еле заметные периодические обращения около некоторого центра масс. Их невидимый спутник имеет очень малую массу и является, очевидно, планетой или группой планет. Но больше этого пока ничего сказать нельзя. Однако это явление важно в том отношении, что говорит против исключительности солнечной системы и Земли в пространстве. Системы, подобные нашей солнечной системе, должны быть достаточно распространены, и их возникновение должно быть не делом случая, а закономерным явлением.

Исторически для развития материалистического мировоззрения огромную роль играли первые научные предположения о происхождении солнечной системы. Первой была гипотеза немецкого философа Канта. В середине XVIII в. он изложил идею о возникновении солнечной системы из облака холодных пылинок, находящихся в хаотическом движении. В 1796 г. французский ученый Лаплас подробно описал гипотезу образования Солнца и планет из уже вращающейся газовой туманности.

Лаплас учел основные характерные черты солнечной системы, которые должна объяснить всякая гипотеза о ее происхождении: основная масса системы сосредоточена в Солнце; орбиты планет и спутников почти круговые и лежат почти в одной плоскости; расстояния между ними правильно возрастают; почти все планеты не только обращаются вокруг Солнца, но и вращаются вокруг своих осей в одном направлении.

Позднейшее развитие науки добавило необходимость объяснить распределение момента количества движения в солнечной системе.

Момент количества движения Солнца слишком мал в сравнении с суммарным моментом количества движения планет. Это было наиболее серьезное среди возражений против гипотезы Лапласа. В настоящее время все ученые пришли к выводу о том, что Земля никогда не была ни газовой, ни огненно-жидкой, а возникла из холодной газопылевой массы.

По этой гипотезе, огромное холодное газопылевое облако, вращающееся вокруг Солнца, должно было сплющиваться. Это вызывалось столкновением частиц и обменом их энергией и количеством движения, что вело к распределению частиц по скоростям и по направлениям так, чтобы столкновения были возможно реже. Так, пыль распределилась в виде диска, имеющего толщину, в тысячу раз меньшую его диаметра. Орбиты частиц стали круговыми с движениями в одном направлении. Крупные частицы присоединяли к себе мелкие. Быстрее всего росла масса крупнейших частиц. Так возникло несколько крупных тел -- планет. Земля выросла до ее современной массы по расчетам за несколько сот миллионов лет. Земля, холодная на поверхности, стала разогреваться за счет радиоактивных элементов. Это привело к расплавлению земных недр. Тяжелые элементы опустились, образовав ядро, а легкие образовали кору. В окружавшем зародыши планет рое частиц повторялся процесс слипания частиц и возникли спутники планет. Удары падающих на планеты тел привели планеты во вращение. В частях газо-пылевого диска, удаленных от Солнца, царила низкая температура и водород при формировании больших планет не улетучился. Сильный нагрев облака вблизи Солнца ускорял рассеяние водорода, и в планетах земной группы его почти не сохранилось. Наибольшую трудность представляет объяснение того, как первоначальное газопылевое облако могло окружить Солнце и получить момент вращения, имеющийся сейчас у планет.

5. Развитие звезд

В пользу возникновения звезд путем гравитационной конденсации (т. е. взаимного тяготения частиц) из плотной газовой или газопылевой среды говорят два следующих факта. На фоне светлых туманностей были открыты очень маленькие, но крайне плотные пылевые туманности, названные глобулами. Возможно, что они являются зародышами звезд.

Наряду с этим Аро (Мексика) и Хербиг (США) в пылевых туманностях созвездия Ориона обнаружили крохотные, крайне слабые сгустки. В одном из них позднее появилась туманная звездочка, которой раньше здесь не видели. Может быть, это зародилась звезда. Зарождающиеся звезды называются протозвездами. Далее, проверяемая многими расчетами на основе теории внутреннего строения звезд и сравниваемая с диаграммой цвет -- светимость, построенной по наблюдениям, гипотеза рисует такую картину.

Протозвезды на этой диаграмме находятся правее главной последовательности, так как их температура еще ниже, чем у возникших звезд данной массы и соответствующей ей светимости. Сжимаясь, звезда «движется» горизонтально влево по диаграмме, пока в недрах звезды температура не поднимется до нескольких миллионов градусов. Тогда начнутся ядерные реакции с участием легких элементов и выделением тепла. Переменность блеска звезд -- знак того, что они еще не стали устойчивыми. Нагрев вводит в действие реакцию превращения водорода в гелий и уменьшение сжатия. Давление газа изнутри уравновешивает тяготение к центру. Звезда становится устойчивой и попадает на главную последовательность. Звезда с массой, такой, как у Солнца, сжалась и появилась на главной последовательности за 108 млн. лет.

Место прихода звезды на главную последовательность справа тем выше, чем ее масса больше. Чем массивнее звезда, тем температура в ее недрах выше и быстрее «выгорает» водород, превращаясь в гелий. Голубые звезды «сжигают» водород, находясь на главной последовательности, за 106--107 млн. лет, а Солнце лишь за 1,01 млрд. лет. Внутренней энергии Солнца хватит еще на десятки миллиардов лет.

С выгоранием водорода в ядре звезды начинается третья стадия эволюции в форме движения по диаграмме Цвет--Cветимость вправо и вверх уже в качестве красного гиганта. В конце этой стадии в красных гигантах идет реакция превращения гелия в углерод.

В третьей стадии она исчерпывается. Звезда, уплотнившись, приходит в состояние белого, крайне плотного карлика. При малой поверхности и скупом поэтому расходе энергии белый карлик опять может светить за счет сжатия очень долгое время.

Рис.1 Диаграмма Герцшпрунга-Рассела.

6. Цвет и светимость звезд

Звезды имеют разный блеск и цвет: белый, желтый, красный. Чем краснее звезда, тем она холоднее.

Наше Солнце относится к желтым звездам. Ярким звездам древние арабы дали собственные имена. Белые звезды: Вега в созвездии Лиры, Альтаир в созвездии Орла (они видны летом и осенью), Сириус -- ярчайшая звезда неба; красные звезды: Бетельгейзе в созвездии Ориона и Альдебаран в созвездии Тельца (видны зимой), Антарес в созвездии Скорпиона (виден летом). Звезды кажутся расположенными на небесной сфере везде от нас одинаково далеко.

Днем небо кажется голубым куполом оттого, что флуктуации плотности воздуха (из-за движения молекул) сильнее всего рассеивают голубые лучи солнечного света. Это и окрашивает небо в голубой цвет. Из кабины космического корабля, вне пределов земной атмосферы, небо кажется черным, и на нем видны звезды. Самые яркие из них можно видеть днем и с высоких гор, где воздух разреженнее и небо темнее, чем внизу. Яркие звезды днем можно видеть и в телескоп.

Самые яркие звезды еще в древности назвали звездами 1-й величины, а самые слабые, видимые на пределе зрения для невооруженного глаза, звездами 6-й величины. Эта старинная терминология сохранилась. К истинным размерам звезд термин «звездная величина» отношения не имеет, а характеризует световой поток, приходящий на Землю от звезды. Звезды 1-й величины ярче звезд 2-й величины в 2,512 раза. Звезды 2-й величины в 2,512 раза ярче звезд 3-й величины и т. д.

Звезды 1-й величины ярче звезд 6-й величины ровно в 100 раз. Наибольший телескоп регистрирует звезды до 23-й величины. После точных измерений блеска звезд пришлось ввести дробные и отрицательные звездные величины, например: Альдебаран 1,06, Вега 0,14, Сириус --1,58 звездной величины. Солнце при сравнении со звездами имеет звездную величину -- 26,80.

7. Солнце

Сомлнце -- центральная и единственная звезда нашей Солнечной системы, вокруг которой обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, карликовые планеты и их спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль. Масса Солнца составляет 99,8 % от суммарной массы всей Солнечной системы. Солнечное излучение поддерживает жизнь на поверхности Земли, участвуя в фотосинтезе, и влияет на земную погоду и климат. Солнце состоит из водорода (~74 % от массы и ~92 % от объёма), гелия (~25 % от массы и ~7 % от объёма) и следующих, входящих в его состав в микроскопических концентрациях, элементов: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома. По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V («жёлтый карлик»). Температура поверхности Солнца достигает 5780 K, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за поглощения части спектра атмосферой Земли у поверхности нашей планеты этот свет приобретает жёлтый оттенок.

Солнечный спектр содержит линии ионизированных и нейтральных металлов, а также ионизированного водорода. В нашей Галактике Млечный Путь насчитывается свыше 100 миллионов звёзд класса G2, тогда как 85 % звёзд нашей Галактики -- это звёзды, менее яркие, чем Солнце (в большинстве своём, это красные карлики, находящиеся в конце своего цикла эволюции). Как и все звёзды главной последовательности, Солнце вырабатывает энергию путём термоядерного синтеза гелия из водорода.

Солнце находится на расстоянии примерно 26 000 световых лет от центра Млечного Пути и вращается вокруг него, делая один оборот примерно за 225--250 миллионов лет. Орбитальная скорость Солнца равняется 217 км/с, таким образом оно проходит один световой год за 1400 лет, а одну астрономическую единицу за 8 суток.. В настоящее время Солнце находится во внутреннем крае Рукава Ориона нашей Галактики, между Рукавом Персея (англ.) и Рукавом Стрельца (англ.), в так называемом «Местном межзвёздном облаке» (англ.) -- области повышенной плотности, расположенной, в свою очередь, в имеющем меньшую плотность «Местном пузыре» (англ.) -- зоне рассеянного высокотемпературного межзвёздного газа. Из звёзд, принадлежащих 50 самым близким звёздным системам в пределах 17 световых лет, известным в настоящее время, Солнце является четвёртой по яркости звездой (его абсолютная звёздная величина +4,83.

Рис.2 Цикл Жизни Солнца

Солнце -- магнитно активная звезда. Она обладает сильным магнитным полем, напряжённость которого меняется со временем, и которое меняет направление приблизительно каждые 11 лет, во время солнечного максимума. Вариации магнитного поля Солнца вызывает разнообразные эффекты, совокупность которых называется солнечной активностью и включает в себя такие явления как солнечные пятна, солнечные вспышки, вариации солнечного ветра и т. д., а на Земле вызывает полярные сияния в высоких и средних широтах и геомагнитные бури, которые негативно сказываются на работе средств связи, средств передачи электроэнергии, а также негативно воздействует на живые организмы, вызывая у людей головную боль и плохое самочувствие (у людей, чувствительных к магнитным бурям). Предполагается, что солнечная активность играет большую роль в формировании и развитии Солнечной системы. Она также оказывает влияние на структуру земной внешней атмосферы.

8. Словарик

Пульсар -- космический источник радио-, оптического, рентгеновского, гамма- излучений, приходящих на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков (импульсов).

Квазар (англ. quasar -- сокращение от QUAsi stellAR radio source -- «квази звёздный радиоисточник») -- класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» -- звёзд.

Цефеимды -- класс пульсирующих переменных звёзд с довольно точной зависимостью период--светимость, названный в честь звезды д Цефея. Одной из наиболее известных цефеид является Полярная звезда.

Нейтромнная звездам -- астрономическое тело, один из конечных продуктов эволюции звёзд, состоит из нейтронной сердцевины и тонкой коры вырожденного вещества с преобладанием ядер железа и никеля.

Бемлые камрлики -- проэволюционировавшие звёзды с массами, сравнимыми с массой Солнца, но с радиусами в ~100 и, соответственно, светимостями в ~10 000 раз меньшими солнечной, лишённые собственных источников термоядерной энергии.

9. Заключение

Вселенная устроена более сложно, чем мы это себе представляем. И каждый год открывается что-нибудь новое, то, чего человечество еще не знало. Здесь приведены только некоторые факты о Вселенной. О ней можно рассуждать бесконечно, а количество твердых фактов относительно мало. Но все же этого количества информации хватит, чтобы написать сотни тысяч таких рефератов.

Итак, термоядерный синтез - получение из более легких атомов водорода атомов гелия с выделением огромного количества энергии.

Спектральный анализ - анализ света, испускаемого веществами, с целью получения определенных данных. Нельзя определить с помощью спектрального анализа химический состав твердых или жидких тел.

Солнце будет жить еще несколько миллиардов лет. Относится к классу G2V т.е. к желтым карликам.

Также я добавила Словарик, чтобы в случае встречи непонятного термина - названия класса звезды можно было обратиться к этому словарю.

10. Список использованных источников

1.Захаров В. Б. Общая биология; учеб. для 10 кл.- Дрофа, 2005. - 352с. Стр. 40.

2. http://ru.wikipedia.org

3. http://skywatching.net

4. http://ozhegov.ru

5. http://www.astrogalaxy.ru