Файл: УМК КСЕ ФГОС-3 для студентов.doc

Фундаментальные частицы составляют 1-й структурный уровень микромира. Из них состоят более сложные материальные системы. Следующий структурный уровень образуют нефундаментальные частицы, в частности, нефундаментальные адроны (протоны и нейтроны, состоящие из трёх кварков). Третий структурный уровень микромира – атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов. Прочность стабильных атомных ядер и относительная прочность радиоактивных обусловлена сильным взаимодействием ядерных частиц. Четвертый структурный уровень – атомы, состоящие из атомных ядер и электронов, обращающихся вокруг них. Устойчивость атомов обеспечивает электромагнитное взаимодействие ядра и электронов атома. Наконец, пятый структурный уровень микромира образуют молекулы, состоящие из атомов. Устойчивость молекул обусловлена электромагнитным взаимодействием ядер одних атомов с электронами других и наоборот.

Виды материи и структуры макромира

К макромиру относятся объекты и системы, наиболее хорошо известные человеку. Это вещественные объекты от едва различимых человеческим глазом песчинок и пылинок размером 10^-5- 10^-4 м до планеты Земля в целом размером по порядку 10⁷ м.

Материя в макромире представлена двумя видами – веществом и двумя физическими полями. В отличие от микромира, в котором вещество и поля дискретны и представлены частицами, в макромире вещественные объекты дискретны (отдельные тела), а поля (гравитационное и электромагнитное) – континуальны. Т.е. в любой точке пространства на Земле можно обнаружить гравитационное и электромагнитное поля. Гравитационное поле обеспечивает притяжение всех тел на Земле к её поверхности.

По определению, электромагнитное поле – это вид физического поля, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами. Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н – вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц, ЭМП "отрывается" от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне).

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны. Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуется частотой.

Жизнь на Земле возникла, развивалась и долгое время протекала в условиях относительно слабых электромагнитных полей (ЭМП), создаваемых естественными источниками. К ним относятся электрическое и магнитное поле Земли, космические источники радиоволн (Солнце и другие звезды), процессы, происходящие в атмосфере Земли, например, разряды молнии, колебания в ионосфере. Человек тоже источник слабого ЭМП. Являясь постоянно действующим экологическим фактором, эти поля имеют определенное значение в жизнедеятельности всех организмов, в том числе и человека.

Однако, за последние 50–60 лет возник и сформировался новый значимый фактор окружающей среды – электромагнитные поля антропогенного происхождения. Их создают 2 большие группы искусственных источников:

– изделия, которые специально создавались для излучения электромагнитной энергии: радио- и телевизионные вещательные станции, радиолокационные установки, физиотерапевтические аппараты, различные системы радиосвязи, технологические установки в промышленности;

– устройства, предназначенные не для излучения электромагнитной энергии в пространство, а для выполнения какой-то иной задачи, но при работе которых протекает электрический ток, создающий паразитное излучение ЭМП. В основном это системы передачи и распределения электроэнергии (ЛЭП, трансформаторные подстанции) и приборы, потребляющие ее (электроплиты, электронагреватели, холодильники, телевизоры, осветительные приборы и т. п.).

Излучаемые этими устройствами электромагнитные поля вместе с естественными полями Земли и Космоса создают сложную и изменчивую электромагнитную обстановку. В результате суммарная напряженность ЭМП в различных точках земной поверхности увеличилась по сравнению с естественным фоном в 100–10000 раз. Особенно резко она возросла вблизи ЛЭП, радио- и телевизионных станций, средств радиолокации и радиосвязи, различных энергетических и энергоемких установок, городского электротранспорта. В масштабах эволюционного прогресса этот колоссальный рост напряженности ЭМП можно рассматривать как одномоментный скачок с плохо предсказуемыми биологическими последствиями.

Виды материи и структуры мегамира

Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро- и мегамиры. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля представляет макромир. Но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.

В Солнечную систему входят 8 планет, их спутники, свыше 100 тыс. астероидов, множество комет и метеоритных тел. Различают планеты земной группы и планеты-гиганты. Планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля, Марс – сравнительно невелики и состоят из плотного вещества. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун относятся к гигантам, они гораздо массивнее, но в их состав входят легкие вещества и поэтому их плотность меньше. В отличие от атмосфер планет земной группы, четко отделенных от твердой поверхности, атмосферные газы планет-гигантов постепенно переходят в конденсированное состояние, в «тело» самих планет. У них нет привычной нам твердой или жидкой поверхности.

Входящие в Солнечную систему астероиды представляют собой малые планеты. Хотя их много, но суммарная их масса оказывается меньше 0,001 массы Земли. Самый крупный астероид – планета Церера – имеет поперечник около 1000 км. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты.

Своеобразными объектами Солнечной системы являются кометы. Они состоят из головы, небольшого плотного ядра и хвоста длиной в десятки миллионов километров. Ядра комет имеют размеры в несколько километров и состоят из каменных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Кометы обычно – самые дальние объекты Солнечной системы. Некоторые из них удаляются от Солнца на 10 000 млрд км – на расстояние одного светового года, т. е. расстояние, которое свет со скоростью 300 000 км/с проходит за один год (1 световой год = 10 000 млрд км = 10¹³ км). Считается, что на этом удалении от Солнца и проходит граница Солнечной системы. Далее начинается сфера влияния других звезд. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 мин, а от второй по близости к нам звезды (Проксима Центавра) свет идет к Земле более четырех лет. Эта звезда находится от нас в 100 000 раз дальше, чем Солнце.

Массы звезд составляют от 0,1 до 50 солнечных масс. Размеры диаметров звезд различаются очень сильно – от 10-20 км (нейтронные звезды) до сотен миллионов километров (красные сверхгиганты). Плотности вещества звезд колеблются от 1 г/см³ до 10¹⁴ г/см³ (нейтронные звезды). Светимости звезд колеблются от 0,001 до 1 млн солнечной светимости, т. е. различаются на 9 порядков (в миллиард раз). Атмосфера звезд на 98 % состоит из водорода и гелия.

Звезды образуют галактики, включающие сотни миллиардов звезд, туманности, межзвездную среду, космические лучи, электромагнитные волны. Наша галактика выглядит как двояковыпуклая линза (диск), толщина которого 1,5 тыс. световых лет, а диаметр – 100 тыс. световых лет. Полная масса галактики равна 150 млрд солнечных масс. Ближайшие к нам галактики, видимые невооруженным взглядом, – Магеллановы облака и Туманность Андромеды.

И самый большой объект в мире, включающий все известные современной науке, – это Метагалактика – наблюдаемая часть Вселенной. Размеры ее по современным оценкам 13,7 млрд световых лет.

Строение Галактики. Виды Галактик

Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют малую часть гигантского скопления звезд и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру. Существенная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс. и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звезд самых различных видов. Наше Солнце – одна из таких звезд, находящихся на периферии Галактики вблизи ее экваториальной плоскости.

Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом: они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения.

Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и практически изолированы друг от друга. Они практически не сталкиваются, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами Галактики.

Астрономы последние несколько десятилетий изучают другие звездные системы, схожие с нашей. Это очень важные исследования в астрономии. За это время внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов.

Число звезд в Галактике порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. В состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, – звездные скопления. Существуют рассеянные звездные скопления, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие скопления не имеют правильной формы; в настоящее время их известно более тысячи.

Наблюдаются шаровые звездные скопления. Если в рассеянных скоплениях содержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет.

В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые состоят в основном из газа и пыли, – это туманности. Они бывают неправильной, клочковатой формы – диффузные, и правильной формы, напоминающие по виду планеты, – планетарные.

Существуют еще светлые диффузные туманности, например Крабовидная туманность, названная за необычную сетку из ажурных газовых волокон. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения – пульса, у которого впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн.

Пространство в Галактике заполнено везде разрежённым межзвездным газом и межзвездной пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля – гравитационное и магнитное. Пронизывают межзвездное пространство космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые при движении в магнитных полях разогнались до скоростей, близких к скорости света, и приобрели огромную энергию.

Галактику можно представить в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, содержащими в основном наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена лишь небольшая часть звезд. Солнце находится на таком расстоянии от центра Галактики, где линейная скорость звезд максимальна. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн. лет.

По внешнему виду галактики условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

Пространственная форма эллиптических галактик – эллипсоиды с разной степенью сжатия. Среди них встречаются гигантские и карликовые. Почти четверть всех изученных галактик относится к эллиптическим. Это наиболее простые по структуре галактики – распределение звезд в них равномерно убывает от центра, пыли и газа почти нет. В них самые яркие звезды – красные гиганты.

Спиральные галактики – самый многочисленный вид. К нему относится наша Галактика и Туманность Андромеды, удаленная от нас примерно на 2,5 млн. световых лет.

Неправильные галактики не имеют центральных ядер, в их строении пока не обнаружены закономерности. Это Большое и Малое Магеллановы облака, являющиеся спутниками нашей Галактики. Они находятся от нас на расстоянии в полтора раза большем диаметра Галактики. Магеллановы облака значительно меньше нашей Галактики по массе и размерам.

Существуют и взаимодействующие галактики. Они обычно находятся на небольших расстояниях друг от друга, связаны «мостами» из светящейся материи, иногда как бы пронизывают одна другую.

Некоторые галактики обладают исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.