Главная » Бесплатные рефераты » Бесплатные рефераты по концепции современного естествознания »

Что такое вещество и его экстремальное состояние

Тема: Что такое вещество и его экстремальное состояние

Раздел: Бесплатные рефераты по концепции современного естествознания

Вуз: ВЗФЭИ

Год и город: Омск 2008

Под понятием вещество в современной физической науке принято подразумевать элементы периодической системы, либо их соединения, поскольку и первое, и второе имеют постоянный химический состав при наличии внешних условий воздействия на них. Совокупность данных элементов и их соединений во всех присущих им агрегатных состояниях образуют материю. Любое выбранное вещество и взаимодействующее с ним соседнее вещество (вещества) представляют систему.

В философии материя определяется как субстанция (основа) всех вещей и явлений в мире...несотворима и неуничтожима, всегда стабильна в своей сущности.

Материя существует в виде непрерывной субстанции, сплошной среды, в которой отсутствует какая бы то ни было дискретность и отсутствуют какие бы то ни было меры. Отсюда следует, что материя не может быть дана в ощущениях. Она бесструктурна. Ощущать можно вещественные, дискретные объекты, имеющие меры. Никакие средства наблюдения не могут "наблюдать" материю, поскольку она непрерывна, бесструктурна и не имеет никаких мер. Материя ненаблюдаема в принципе. Наблюдаемы вторичные производные материи - поле и вещество. Лишь они даются в ощущениях. В этой формулировке отражена генетическая связь материи и вещества и подчеркивается первичность и фундаментальность материи.

В современной физике считается, что роль фундаментальной материальной основы мира выполняет физический вакуум. Физический вакуум - непрерывная среда, в которой нет ни частиц вещества, ни поля. Вакуум физический является физическим объектом и не есть лишенное всяких свойств "ничто". Физический вакуум непосредственно не наблюдается, но проявление его свойств наблюдается в экспериментах. В результате поляризации вакуума электрическое поле заряженной частицы отличается от кулоновского. Это приводит к лембовскому сдвигу энергетических уровней и к появлению аномального магнитного момента у частиц. Физический вакуум в условиях информационно-энергетического возбуждения порождает вещественные частицы - электрон и позитрон. Вакуум есть физический объект, обладающий свойством непрерывности. Непрерывный вакуум порождает дискретное вещество. Вещество своим происхождением обязано физическому вакууму. Чтобы понять суть этой среды, надо оторваться от стереотипного, догматического понимания "состоять из". Осознание системной организации вещественного мира во Вселенной и материального единства мира, является величайшим достижением человеческой мысли.

Материя и вещество - это два главных участника всех событий во Вселенной. Они генетически взаимосвязаны и взаимообусловлены, в то же время субстанционно и функционально противоположны. Материя - первичный агент, обладает свойством непрерывности, а вещество - это производная материи, его основной признак - дискретность. Вещество существует в виде различной сложности объектов, которые занимают соответствующие уровни в иерархической системе мира: для вещества можно указать следующие типы систем и соответствующие им структурные уровни: электрон и позитрон, позитроний, элементарные частицы, атомы, молекулы, макроскопические тела различных размеров, геологические системы, Земля и другие планеты, звезды, внутригалактические системы (туманности, звездные скопления и др.), Галактика, система Галактик, Метагалактика. Для вакуума можно указать такие состояния: унитронный вакуум, обладающий динамической симметрией, континуум.

Существует предел делимости вещества. Этот предел представлен электроном и позитроном. Электрон и позитрон находятся на нижней границе вещественного мира. Часто электрон и позитрон считают объективно существующими частицами и рассматривают их как данность природы, считая их "не возникающими и не исчезающими". А они и возникают и исчезают. Возникают из физического вакуума и аннигилируют, порождая кванты энергии в непрерывной материи.

Граница между материей и веществом условна, так как предельное состояние первой является началом второго уровня организации - вещества.

Вещество в современной системе знаний определено как вид материи, который в отличие от поля физического, обладает массой покоя. И как видим, на главный вопрос: "что такое вещество?"- такое определение ответа не дает. На наш взгляд, основной недостаток этого определения состоит в том, что вещество представлено как одна из разновидностей материи. Дискретное вещество не может быть разновидностью непрерывной материи. Кроме того, эта формулировка не отражает генетической связи материи и вещества. Проблема происхождения вещества - генезис вещества, является одной из сложнейших нерешенных задач физики. Физика много внимания уделила синтезу вещества, но генезис остался вне поля зрения физики.

После таких уточнений мы даем следующее определение веществу:

Вещество - это дискретное информационно-энергетическое воплощение материи. Вещество представлено различными формами проявления материи в виде дискретных частиц, обладающих массой покоя. Вещество имеет дискретную структуру, но своим происхождением оно обязано непрерывной материи. Дискретность является главным признаком вещества. Вещество можно представить следующей обобщенной формулой:

Вещество = Материя+Энергия+ Информация

Таким образом, вещество представляет собой составную сущность, в которой материя является лишь одной из составляющих. Информационная составляющая наделяет вещество важнейшим признаком - дискретностью. Энергия проявляется как масса покоя.

2. Современные достижения и объективные ограничения в исследованиях экстремальных состояний вещества.

Свойства вещества в состояниях с необычно высокой концентрацией энергии (такие состояния и соответствующие им внешние условия и называют экстремальными) всегда представляли значительный интерес в различных разделах физики и смежных наук - астрофизики, геофизики, некоторых прикладных дисциплин. В последние годы исследования экстремальных состояний вещества приобрели особенно большое значение: возник ряд важных практических задач (таких, как осуществление контролируемого термоядерного синтеза или получение сверхтвердых материалов), экстремальные условия стали создавать новыми методами, в природе были открыты новые экстремальные состояния (нейтронное вещество в пульсарах).

Говоря об экстремальных состояниях вещества и экстремальных внешних условиях, о сверхвысокой концентрации энергии, имеют в виду, прежде всего, сверхвысокие температуры и сверхвысокие давления, которые действуют на вещество.

Нагревание и сжатие вещества можно изучать порознь. Каждый из процессов по-своему изменяет состояние вещества. Цель данной работы - дать общее представление об области экстремальных состояний в целом, а также рассмотреть результаты наиболее любопытных исследований экстремальных состояний вещества.

Целесообразно начать с рассмотрения диаграммы состояния вещества в координатах "температура - давление" (см. рис.1). К данной диаграмме мы будем возвращаться на протяжении всей работы, поскольку она представляет, хоть и весьма схематично, графическую квинтэссенцию всего того, что известно об области экстремальных состояний вещества на сегодняшний день.

Горизонтальную ось диаграммы отметим буквой T, означающей температуру в градусах Кельвина.

Нет нужды разъяснять, что, подводя энергию к веществу нагреванием, мы можем судить о концентрации энергии по температуре. Но о том, что мерой концентрации энергии может служить и давление, следует сказать несколько поясняющих слов.

Прежде всего, проделаем одну несложную манипуляцию. Возьмем отношение единицы силы к единице площади, то есть единицу давления. Умножим числитель и знаменатель этой дроби на единицу длины. В числителе тогда образуется единица энергии, в знаменателе - единица объема. В результате мы получаем меру концентрации энергии в веществе. Но дробь от умножения не изменилась, осталась единицей давления. Значит, концентрация энергии в веществе определяется также и приложенным к нему давлением. Сжатие - второй способ, которым можно насытить вещество энергией.

Вертикальную ось на диаграмме отметим буквой P, означающей давление.

Диаграмма состояния вещества как функция давления и температуры

Рис. 1. Диаграмма состояния вещества как функция давления и температуры

Теперь нам предстоит разметить каждую ось масштабными делениями. Пусть первые засечки соответствуют комнатным условиям - три сотни градусов по оси абсолютных температур и одна атмосфера по оси давлений. Вторые пусть отвечают экстремальным состояниям, которые достигаются на Земле в естественных и лабораторных условиях.

В естественных условиях экстремальные состояния возникают главным образом благодаря силам тяготения. Их действие слабо спадает с расстоянием, не экранируется. Эти силы сжимают вещество, а рост давления приводит к повышению температуры. В центре Земли давление достигает четырех миллионов атмосфер, температура - пяти тысяч градусов. Порядок этих величин определит положение новых отметок на осях координат.

Что касается лабораторных условий, то эти рубежи, еще не достигнуты, с одной стороны, и, с другой стороны, уже несколько превзойдены. Дело в том, что в лабораторных условиях экстремальные состояния можно создавать либо на краткий миг, либо на относительно долгое время. Статические методы, основанные на применении специальных механических устройств, дают возможность получать давления порядка миллиона атмосфер; одновременно можно осуществить нагрев вещества примерно до тысячи градусов. Динамические методы, основанные на использовании мощных ударных взрывных волн, позволяют достичь давлений в несколько десятков тысяч атмосфер; температура при этом возрастает до десятков и сотен тысяч градусов. Если же речь идет только о нагреве вещества, когда сжатие не требуется, то методы, которые можно использовать для этого, весьма разнообразны: мощные разряды в плазме, резонансный разогрев электромагнитным полем, инжекция в плазму предварительно ускоренных сгустков частиц, разогрев с помощью лазеров и т. д. К настоящему времени достигнуты температуры, измеряемые десятками миллионов градусов.

Вслед за первыми засечками сделаем на осях температур и давлений еще несколько, наращивая значения той и другой величины в геометрической прогрессии (на нашей диаграмме принят логарифмический масштаб). Оказывается, потребуется всего лишь четыре шага, чтобы выйти к границам области экстремальных состояний, которые определяются уровнем наших знаний, относящихся к физике высоких энергий.

Не известно, что будет происходить с веществом, когда в каждый нуклон будет вложена энергия, по порядку величины соответствующая его массе, согласно формуле Эйнштейна E=mc². Пока достоверно известно слишком мало информации, чтобы говорить о большей концентрации энергии; потому остановимся у порога рождения таких гипотетических частиц как кварки или промежуточные бозоны. При более высоких температурах и давлениях свойства вещества оказались бы радикально зависящими от того, существуют ли в действительности такие частицы.

Выбранная предельная концентрация энергии измеряется величиной 10³⁷ эрг/см³ и соответствует температуре порядка 10¹³ градусов и давлениям около 10³¹ атмосфер. Такими уровнями очерчена верхняя граница рассматриваемой нами области экстремальных состояний вещества. За этой границей остаются условия на самых ранних стадиях эволюции Вселенной, в ряде коллапсирующих или проходящих катастрофические этапы своей эволюции небесных тел, а также, возможно, в ядрах массивных пульсаров.

Теперь очертим рассматриваемую область состояний нижней границей. Пусть экстремальные состояния, достигнутые и изученные в лабораторных условиях, останутся за нею. Не отбросив их, невозможно было бы разобраться в том исключительном разнообразии форм и свойств, присущих веществу в холодном несжатом состоянии: электрических, химических, оптических и т. д. и т. п.

С ростом температуры и давления структура вещества упорядочивается и упрощается: разрушаются молекулы и молекулярные комплексы и вещество переходит в чисто атомарное состояние; электронные оболочки атомов перестраиваются, и заполнение электронных уровней становится все более регулярным; от ядер отрываются наружные электроны, определяющие химическую индивидуальность вещества, а затем коллективизируются, оголяя ядра, и все остальные электроны.

В конце концов, свойства вещества будут зависеть лишь от того, каким путем достигнута высокая концентрация энергии: с продвижением вдоль оси температур все вещества становятся плазмой, вдоль оси давлений - идеальными металлами с единой, наиболее плотной кристаллической решеткой - объемно-центрированной кубической (надо заметить, что твердое вещество приобретает ее лишь тогда, когда ядра атомов полностью оголены) (см. рис. 2).

Расположение ядер атомов в кристалле с объемно-центрированной кубической решеткой

Рис. 2. Расположение ядер атомов в кристалле с объемно-центрированной кубической решеткой.

Но для того, чтобы осуществились все упомянутые унифицирующие перестройки, нужна энергия, достаточная хотя бы для того, чтобы оторвать от атома наружные электроны. Соответствующая концентрация энергии составляет около 10¹⁴ эрг/см³. Отсюда уже нетрудно перейти к температурам (сотни тысяч градусов) и давлениям (сотни миллионов атмосфер). Только при достаточном удалении от этой границы возможно сколько-нибудь общее теоретическое описание свойств вещества.

Но здесь теоретические предсказания при нынешнем состоянии экспериментальной техники уже не допускают проверки путем экспериментов и наблюдений. Между тем возможности чисто теоретических исследований сильно ограничены: необходимо учитывать взаимодействия между частицами, а их надежный учет невозможен, особенно вблизи верхней границы рассматриваемой области, где современная физика не располагает последовательной теорией сильных взаимодействий. По этой причине в физике экстремальных состояний имеется еще немало проблем, ждущих своего окончательного решения.

И вместе с тем даже в свете сегодняшних наших знаний область экстремальных состояний предстает перед нами отнюдь не как сплошное белое пятно. Эта область достаточно уверенно делится по характеру агрегатного состояния вещества (здесь твердое тело, там плазма), по характеру протекания ядерных процессов (здесь идут термоядерные, там - пикноядерные реакции), по типу структурных единиц вещества (здесь существуют электроны и ядра, там вещество построено из нейтронов). Правда, переходы между различными состояниями, как правило, совершаются непрерывно, так что область экстремальных состояний трудно разбить на какие-либо районы четкими границами. Разделительные линии - маршруты наших будущих путешествий по этой области - будут носить весьма условный смысл. Весьма условным, дающим лишь представление о порядках величин, будет и расположение тех вех, по которым в данной работе будет даваться представление об отдельных районах: состояние вещества в центре Солнца и в сердцевине белого карлика, в коре и мантии пульсара.

3. Экстремальные состояния вещества.

Теперь проанализируем различия, существующие между разными состояниями вещества, чтобы в сравнении уяснить специфические особенности, характерные именно для экстремальных состояний вещества. Однако сначала необходимо привести основные сведения о том, что представляет собой плазма, поскольку это понятие будет одним из ключевых в дальнейшем описании экстремальных состояний.

3.1. Основные понятия и принципы физики плазмы.

Что же такое плазма? Плазмой называют газ, ионизированный до такой степени, что электрические силы притяжения, действующие между электронами и положительными ионами, препятствуют заметному разделению зарядов. Таким образом, плазма - это ионизированный газ, который электрически квазинейтрален в каждом малом объёме. Условие квазинейтральности означает, во-первых, малость суммарного заряда плазмы по сравнению с суммой зарядов одного знака; во-вторых, подразумевается электрическая нейтральность плазмы в среднем в достаточно больших объемах или за достаточно большие промежутки времени. Величины объемов и промежутков времени, в которых проявляется квазинейтральность, определяются пространственными и временными масштабами разделения зарядов.

Прежде чем перейти к рассмотрению масштабов разделения зарядов введем понятие равновесной и неравновесной плазмы. В процессе хаотического движения при столкновениях с ионами электроны отдают им долю своей энергии, так что в стационарном состоянии устанавливается некоторое равновесие между приобретаемой и отдаваемой энергией. Распределение электронов и ионов можно описать максвеловским законом распределения и характеризовать некоторой средней полной скоростью, так что средняя энергия электронов и ионов может характеризоваться некоторой температурой соответственно T_e и T₊:

В слабых полях и в установившихся режимах энергии электронной и ионной составляющих плазмы равны между собой и равны энергии нейтральных молекул Te=T+=T. Это состояние отвечает полному термодинамическому равновесию, а плазма называется соответственно равновесной.

В сильных полях, особенно в разреженной плазме, энергия приобретаемая электронами от поля оказывается существенно больше энергии ионов T_e>>T₊=T. Такое состояние называется неравновесным, а плазма неравновесной.

Рассмотрим теперь пространственный масштаб разделения зарядов. В некотором объёме плазмы с характерным размером d, который называется дебаевским радиусом экранирования, потенциальная и кинетическая энергии заряженной частицы равны между собой.

В равновесной плазме, когда T_e=T₊=T:

в резко неравновесной плазме, когда T_e>>T₊=T:

где: T_e - температура электронов; T₊ - температура ионов; T- температура газа; n - плотность электронов и ионов; e - заряд электрона; k - постоянная Больцмана.

Дебаевский радиус характеризует расстояния, на которых возможны сильные разделения зарядов в плазме. Например, при T_e =1 эВ и n=10¹⁴ 1/м³ дебаевский радиус d = 5,2×10^-4м.

Согласно определению Ленгмюра, ионизированный газ называется плазмой, если дебаевский радиус экранирования d намного меньше других характерных расстояний области занятой этим газом.

Временным параметром, определяющим разделение зарядов в плазме, является угловая частота гармонических колебаний заряженных частиц плазмы. Дело в том, что перемещение заряженных частиц в плазме приводит к появлению электростатических сил стремящихся вернуть частицы в первоначальное положение. Движение таких частиц представляет собой гармонические колебания вокруг положения равновесия:

d=Asin(w_pt+f₀) ,

где A - амплитуда колебаний; f₀ - начальная фаза колебаний; w_p- угловая частота, равная

Таким образом, плазменная частота - это резонансная или характеристическая частота системы, образующих плазму заряженных частиц, зависящих от их массы. Время отдельного микроскопического взаимодействия не может превысить период плазменных колебаний,

т.е. wp представляет собой нижний предел частоты микроскопического взаимодействия заряженных частиц.

Степень ионизации газа в зависимости от условий его существования может изменяться в широких пределах. Столб тлеющего разряда (например, в газоразрядных лампах) - это слабоионизированный газ со степенью ионизации порядка 10^-8-10^-6. Положительный столб дугового разряда при высоких (порядка атмосферного) давлениях газа имеет степень ионизации порядка 10^-3-10^-1.

Помимо степени ионизации, ионизированный газ характеризуется концентрацией электронов, которая в зависимости от характера ионизационных процессов и плотности газа также изменяется в очень широких пределах. Так, концентрация электронов в канале молнии может достигать 10-10^{2 1}/м³, в то время как в ионосфере 10¹¹ 1/м³.

3.2. Сравнительный анализ различных состояний вещества.

Пути, по которым можно подойти к рассмотрению нижней границы области экстремальных состояний, удобнее всего определить по хорошо знакомой из школьных курсов физики и химии диаграмме фаз (см. рис. 3).

От тройной точки, в которой существуют твердая, жидкая и газообразная фазы вещества, на три стороны расходятся три линии. Одна из них, разграничивающая твердую и газообразную фазы, уходит к абсолютному нулю. Другая, отделяющая твердую фазу от жидкой, взмывает вверх. Можно двинуться к высоким давлениям вдоль нее, но мы выберем третью линию - границу "жидкость - газ".

Фазовая диаграмма для области относительно малых давлений и температур

Рис. 3. Фазовая диаграмма для области относительно малых давлений и температур. При условиях, соответствующих точкам пограничных линий, фазы находятся в равновесии; при условиях, соответствующих тройной точке, система состоит из твердой, жидкой и газообразной фазы одновременно. В критической точке жидкость и пар становятся тождественными по своим физическим свойствам; за этой точкой эти две фазы неразличимы.

Рассмотрим границу «жидкость-газ». Она обрывается в критической точке, где теряется различие между жидкостью и газом. С дальнейшим ростом температуры пропадает нужда и в самих этих терминах: вещество переходит в свое четвертое состояние - плазму.

Это слово и ляжет первым обозначением на ту часть области экстремальных состояний, которая принадлежит к вертикальному участку ее нижней границы. Однако нелогично было бы предполагать, чтобы свойства плазмы были совершенно одинаковыми на обоих концах столь протяженной полосы.

Вспомним, чем отличаются друг от друга более привычные для нас состояния веществ - твердое, жидкое и газообразное (см. рис. 4).

Твердое тело - это идеальный порядок. Выяснив расположение нескольких атомов в каком-либо участке кристалла, можно предсказать местоположение сколь угодно далеких их соседей по кристаллической решетке. Ошибка в определении координат каждого атома не превысит амплитуды его хаотических колебаний близ положения равновесия, обусловленных температурой.

Газ - это "идеальный" беспорядок. Каждый атом газа движется совершенно независимо от прочих, временами сталкиваясь с ними.

Жидкость - это нечто среднее между порядком и беспорядком. В кругу своих близких соседей каждый атом занимает определенное положение и колеблется около него, как в кристалле. Но такой порядок физики не зря называют ближним: дальние соседи движутся друг относительно друга совершенно хаотически, как атомы газа, - время от времени каждый атом меняет своих соседей.

На ЭВМ удалось рассчитать движение частиц в плазме при больших давлениях. Оказалось, что частицы ведут себя совсем как жидкости: то и дело скачками меняя свое положение в пространстве, и на некоторое время оставаясь верными тому ближнему порядку, который связывает их с соседями.

Плазму, для которой характерно такое поведение частиц, называют жидкоподобной. Как уже говорилось, плазма становится такой при больших давлениях. Близ оси температур она похожа по свойствам на идеальный газ и называется идеальной. (Границы, позволяющие различать агрегатные состояния вещества, на рисунке обозначены белыми линиями, разделяющими цветные поля.)

Зона, где применим термин "жидкоподобная плазма", на диаграмме прилегает к тому месту, где нижняя граница области экстремальных состояний поворачивает к оси давлений. Теперь слегка изменим направление анализа: не прекращая наращивать давление, несколько снизим температуру.

С падением температуры уменьшится скорость хаотического движения частиц, рост давления заставит оголенные ядра теснее сблизиться друг с другом. Роль кулоновского взаимодействия между положительно заряженными ядрами возрастет. По этой причине ядрам будет энергетически выгодно выстроиться в определенном порядке, образовать кристаллическую решетку.

Итак, мы пришли к линии раздела твердой и жидкой фаз. Рассмотрим теперь понятие и явление плавления.

Известно, что в привычных земных условиях плавление обычно вызывается повышением температуры. С ее ростом увеличивается амплитуда шатаний атомов близ узловых точек кристаллической решетки; она становится сравнимой с расстоянием между узлами, а когда составит от этого расстояния примерно четверть (к такой цифре приводит теоретическая оценка; в нормальных комнатных условиях оценку подтверждают эксперименты с нормальными металлами), начнется переход в жидкую фазу.

Можно провести то же рассуждение в обратном порядке: чем ниже температура, тем меньше амплитуда хаотических колебаний атомов, тем точнее определяется их положение в узлах решетки.

Однако обратный ход нашего рассуждения сдерживается закономерностями квантовой механики. Согласно законам квантовой механики, нельзя определить одновременно со сколь угодно высокой точностью и положение и скорость частицы, и, следовательно, нельзя говорить о том, что частица замирает с нулевой (точно определенной!) скоростью в каком-либо (строго определенном!) положении равновесия. Так что даже при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, атомы кристалла будут совершать колебания близ положений равновесия - нулевые колебания, как принято их называть в отличие от тепловых.

В соответствии с тем же принципом неопределенности амплитуда нулевых колебаний становится тем больше, чем сильнее стеснены движения атома, чем строже задано положение равновесия. Давление как раз и служит таким стесняющим обстоятельством. Растет давление - растет и амплитуда нулевых колебаний. И вот она становится сравнимой со все уменьшающимся расстоянием между узлами кристаллической решетки. При температуре, близкой к абсолютному нулю, наступает момент холодного плавления твердого тела.

Таким образом, существуют предельные значения температуры, плотности и давления, выше которых кристаллическое состояние невозможно, и, чтобы убедиться в этом, можно было и не отправляться в область экстремальных состояний: именно квантовым эффектом холодного плавления объясняется существование жидкого гелия при низких температурах и атмосферном давлении.

Впрочем, многие вопросы, связанные с холодным плавлением, до сих пор остаются открытыми.

Любопытным вопросом являются процессы, которым подвергаются электроны в области экстремальных состояний (до сих пор, применительно к атомам, речь шла в основном о ядрах). За нижней ее границей электроны отрываются от ядер, пополняя собой самостоятельную электронную компоненту вещества.

О ее структуре рассказывают тонкие черные штрихи, прочеркивающие пестрое поле диаграммы. Линия, идущая углом вдоль нижней границы, выше и правее ее, указывает условия, в которых коллективизируется большинство электронов, следующая линия - условия, в которых электроны обобществлены полностью, следующая за ней - условия, при которых скорости электронов приближаются к скорости света: температура и давление делают то, ради чего в земных условиях строятся ускорители заряженных частиц.

По скругленным вершинам трех этих ломаных линий и дальше вправо и вверх идет еще одна. Правее и ниже ее электроны можно рассматривать как классический газ. Левее и выше лежит так называемая область вырождения - тут вступает в силу знаменитый принцип запрета Паули: если какие-либо электроны в данной порции вещества находятся в одном и том же состоянии с одинаковой энергией, то таких электронов может быть только два. Прибегнув к физическому термину, скажем так: в каждом состоянии может находиться лишь пара электронов, при этом их спины направлены в противоположные стороны.

Чем больше объем тела, чем больше в нем электронов, тем гуще сетка энергетических уровней - ведь каждой паре электронов нужно отвести свой уровень, а энергия частиц, очевидно, ограничена.

А если уменьшить объем тела, например, сжав его? Концентрация энергии в веществе повысится, каждый электрон получит дополнительную энергию, стопка уровней приподнимется, зазоры между ними расширятся. Повышение энергии всегда требует приложения определенной силы - тело будет сопротивляться сжатию. Если же давление снять, энергетические уровни сползут вниз, вернутся в прежнее низшее положение, соответствующее большему объему (см. рис. 5)

За этим рассуждением нетрудно увидеть описание общеизвестного механического феномена - упругости твердых тел. В его основе лежит принцип Паули, которому подчиняются электроны твердого тела, будь то кристалл кварца или стальная пластинка.

Несколько слов необходимо сказать о точках, которые стоят близ границ раздела "кристалл - жидкоподобная плазма - идеальная плазма". Эти границы, как уже говорилось, обозначены белыми линиями. Среди них есть сплошные и пунктирные. Такое разнообразие объясняется тем, что единой для всех элементов диаграммы фаз вычертить нельзя.

Сплошные линии соответствуют углероду. По ним можно судить, что происходит, к примеру, в сердцевине белого карлика, состоящей в основном из углерода. Здесь звездное вещество близко к кристаллизации.

Чем тяжелее ядро элемента, чем больше его заряд, тем сильнее смещаются линии раздела фаз к оси температур. Поэтому точка, отвечающая условиям, к примеру, в коре пульсара (состоящей из железа), оказывается высоко над границей "кристалл - жидкоподобная плазма": кора пульсара твердая. Напротив, мантия пульсара, состоящая из нейтронов, протонов и элекронов, жидкая.

Пунктиром вычерчена диаграмма фаз для водорода. Водород - преобладающая компонента солнечного вещества. Из диаграммы видно, что в недрах Солнца он находится в состоянии идеальной плазмы. Атомы водорода полностью ионизированы; атомы более тяжелых элементов могут еще сохранять некоторую долю электронов.

4. «Черные дыры» как объекты, состоящие из вещества в экстремальном состоянии.

Весьма любопытным явлением с точки зрения исследования экстремальных состояний вещества являются так называемые «черные дыры». Очевидно, что в работе, посвященной экстремальным состояниям вещества, невозможно избежать хотя бы краткого обзора этих астрономических объектов, несмотря на их малую изученность и в большой мере теоретический и гипотетический характер сведений о них.

Для начала следует дать понятие о том, что же, собственно, представляет из себя черная дыра.

В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.

Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет – это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще несколько лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, «убежавшего» на бесконечно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой:

*V =*	√	2G	M	,
			R

где M – масса космического объекта, R – его радиус, G – гравитационная постоянная.

Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название «гравитационный радиус r_g»), при котором скорость убегания равна скорости света:

*r_g =*	2G	M	,
		*c ²*

Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r_g < 2GM/c ², перестанет излучать - свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.

Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2·10³³ г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10¹⁶ г/см³. Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.

Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем‑то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.

Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварцшильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r_g.

Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или, то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело – звезду или планету – можно представить как материальную точку). А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом rg, образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярной сферой Шварцшильда или горизонтом событий (почему – станет ясно в дальнейшем).

Уже на примере знакомых нам объектов – Земли и Солнца – ясно, что черные дыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющие дело с веществом при экстремальных значениях температуры, плотности и давления, считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не все верили в их существование. Однако первые указания на возможность образования черных дыр содержались уже в общей теории относительности А.Эйнштейна, созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первых интерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30‑х годах вывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из них следует, что звезда находится в равновесии под действием противоположно направленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движением частиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегося в его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар, в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии. Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнца составляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономических измерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Это позволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре «зажигается» термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщики того времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком «холодно»: температура там недостаточна, чтобы реакция «пошла». На это взбешенный теоретик отвечал: «Поищите местечко погорячее!».

И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идет термоядерная реакция (другое дело, что так называемая «стандартная солнечная модель», основанная на представлениях о термоядерном синтезе, по‑видимому, оказалась неверной – см., например, «Наука и жизнь» №№ 2, 3, 2000 г.). Но, тем не менее, реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение, которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вот ядерное «горючее» в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучение гаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существует ограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимо сжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышает две‑три массы Солнца.

5. Заключение.

Изложенная в работе информация позволяет прийти к заключению о том, что экстремальные состояния вещества, главным образом, вследствие сложности и подчас недоступности требующихся для проведения исследований технических средств, являются одной из наименее разработанных областей естествознания. Тем не менее, те сведения об экстремальных состояниях, которые уже получены исследователями, указывают на огромный прикладной и теоретический потенциал данного научного направления. Наиболее перспективной и интересной с практической точки зрения в последние десятилетия задачей считается холодный термоядерный синтез, достижение которого вполне способно решить энергетические проблемы человечества. Изучение экстремальных состояний вещества в телах звезд и планет дает возможность углубить фундаментальные познания о строении вещества в целом.

В этом обзоре нам пришлось рассмотреть широкую область экстремальных условий вплоть до давлений, на 30 порядков больше атмосферного, и температур, на 10 порядков больше температуры человеческого тела. Такое различие в масштабах, конечно, поражает воображение. Нужно, однако, помнить, что, как сказал Вольтер, "... в природе это явление совершенно естественное и заурядное. Владения некоторых государей Германии и Италии, которые можно объехать в какие-нибудь полчаса, при сравнении их с империями Турции, Московии или Китая дают лишь слабое представление о тех удивительных контрастах, которые заложены во все сущее".

6. Список литературы.

1. Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. Статьи и выступления. М.: Наука, 2002.

2. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1992.

3. Лукьянов С.Ю. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. М., 2000.

4. Физическая энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998-2000.

5. Чен Ф. Введение в физику плазмы. М., 2007.

6. Бугаенко Л.Т., Кульмин М.Г., Полак Л.С. Химия высоких энергий. М., 1998.

7. Наука и жизнь. №3,5; 2002.

8. Косинов Н.В., Гарбарук В.И. Вакуумное происхождение электрона. Физический вакуум и

природа, N1/1999.

9. Косинов Н.В. Проблема вакуума в контексте нерешенных проблем физики. Физический вакуум

и природа, N3/2000.

Внимание!

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы

Бесплатная оценка

Размер: 63.48K

Скачано: 269

Скачать бесплатно

11.11.09 в 15:45 Автор:

Понравилось? Нажмите на кнопочку ниже. Вам не сложно, а нам приятно).

Чтобы скачать бесплатно Контрольные работы на максимальной скорости, зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Важно! Все представленные Контрольные работы для бесплатного скачивания предназначены для составления плана или основы собственных научных трудов.

Друзья! У вас есть уникальная возможность помочь таким же студентам как и вы! Если наш сайт помог вам найти нужную работу, то вы, безусловно, понимаете как добавленная вами работа может облегчить труд другим.

Добавить работу

Если Контрольная работа, по Вашему мнению, плохого качества, или эту работу Вы уже встречали, сообщите об этом нам.

Добавление отзыва к работе

Добавить отзыв могут только зарегистрированные пользователи.