Осветительные и проекционные приборы.

Прожекторы.

Диаскоп.

Спектральные приборы.

Основным элементом спектрального прибора может быть дисперсионная призма либо дифракционная решетка. В таком приборе свет сначала коллимируется, т.е. формируется в пучок параллельных лучей, затем разлагается в спектр, и, наконец, изображение входной щели прибора фокусируется на его выходную щель по каждой длине волны спектра.

Спектрометр.

В этом более или менее универсальном лабораторном приборе коллимирующая и фокусирующая системы могут поворачиваться относительно центра столика, на котором расположен элемент, разлагающий свет в спектр. На приборе имеются шкалы для отсчетов углов поворота, например дисперсионной призмы, и углов отклонения после нее разных цветовых составляющих спектра. По результатам таких отсчетов измеряются, например, показатели преломления прозрачных твердых тел.

Спектрограф.

Так называется прибор, в котором полученный спектр или его часть снимается на фотоматериал. Можно получить спектр от призмы из кварца (диапазон 210–800 нм), стекла (360–2500 нм) или каменной соли (2500–16000 нм). В тех диапазонах спектра, где призмы слабо поглощают свет, изображения спектральных линий в спектрографе получаются яркими. В спектрографах с дифракционными решетками последние выполняют две функции: разлагают излучение в спектр и фокусируют цветовые составляющие на фотоматериал; такие приборы применяют и в ультрафиолетовой области.

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Фотоэффект

М. Планк решил задачу о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела в рамках существующих теорий невозможно. Эта задача была успешно решена на основе новой идеи, чуждой классической физике.

Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света: E = hν,

где h – так называемая постоянная Планка.

h = 6,626·10^–34 Дж·с.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что

фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. I_н1 и I_н2 – токи насыщения, U_з – запирающий потенциал

Измеряя U_з, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

Основные закономерности фотоэффекта:

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.

2. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота ν_min, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

3. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

4. Фотоэффект практически безинерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > ν_min.

Эйнштейн на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что свет имеет прерывистую (дискретную) структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

Работа выхода A:

где c – скорость света, λ_кр – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта.

У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10^–19 Дж).

2. Физика атома

Модель атома Томсона
1897 г.- Дж. Томсоном выдвинута модель строения атома.
Атом имеет форму шара. По всему объему атома с постоянной плотностью распределен положительный заряд. Внутри (как изюм в кексе) расположены электроны.
В целом атом электрически нейтрален.
Когда электроны колеблются относительно центра сферы, атом излучает свет.
Модель атома Резерфорда
- это положительно заряженное ядро в центре атома и электроны на орбитах вокруг ядра
- характер движения электронов определяется действием кулоновских сил со стороны ядра
- заряд ядра по модулю равен сумме зарядов электронов, поэтому атом в целом нейтрален.

Модель атома водорода по Бору
Свои постулаты Н. Бор применил для построения теории строения простейшего атома (атома водорода).
Согласно этой теории Бор смог вычислить для атома водорода:
- возможные радиусы орбит электрона и размеры атома
- энергии стационарных состояний атома
- частоты излучаемых и поглощаемых электромагнитных волн.

Распределение энергетических уровней при излучении (испускании) и поглощении атомом водорода электромагнитных волн:
....
При (n = 1) - основное энергетическое состояние, ему соответствует радиус орбиты электрона r = 0,5 • 10 -11 м.
При (n больше 1) - возбужденные состояния.
При поглощении атомом кванта энергии (фотона) атом переходит в возбужденное состояние, при этом электрон переходит на более отдаленную орбиту и его связь с ядром слабеет.
Переходы в первое возбужденное состояние (Е₂) с верхних уровней соответствует частотам видимой части (кр з с с) спектра водорода.

Физика атомного ядра

ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Естественной радиоактивностью называется самопроизвольное превращение атомных ядер одного химического элемента в ядра атомов другого химического элемента, сопровождаемое радиоактивным излучением.
Все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.
Естественная радиоактивность химических элементов не зависит от внешних условий.

Три вида радиоактивного излучения
В 1899 г. Э. Резерфорд обнаружил, что радиоактивное излучение состоит из двух компонентов, которые он назвал "альфа-лучи" и "бета-лучи". В результате опыта Э.Резерфорд доказал, что радиоактивное излучение является неоднородным.

В 1900г. французский физик Ф. Вилард установил, что в состав излучения входят еще и гамма-лучи.

Свойства радиоактивных лучей

Альфа-излучение (альфа лучи) - это поток полностью ионизированных ядер атомов гелия.

Бета-излучение (бета-лучи) - это поток электронов.

Гамма-излучение (гамма-лучи) - это электромагнитное излучение.

Электромагнитные кванты гамма-излучения не имеют массы покоя и электрического заряда, поэтому при прохождении через вещество они очень слабо взаимодействуют с ядрами и электронами. Их энергия почти не меняется, поэтому гамма-излучение обладает большой проникающей способностью. Защитой от гамма-излучения является толстый слой свинца.

ВИДЫ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

Явление радиоактивности сопровождается превращением ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента, а также выделением энергии, которая "уносится" с альфа- бета- и гамма-излучениями.
Все радиоактивные элементы подвержены радиоактивным превращениям.
Испускание радиоактивных частиц называется радиоактивным распадом.
Различают альфа-распад ( с испусканием альфа-частиц), бета-распад (с испусканием бета-частиц), термина "гамма-распад" не существует.
Альфа- и бета-распады – это естественные радиоактивные превращения.

Альфа - распад

Альфа-частицы испускаются только тяжелыми ядрами, т.е. содержащими большое число протонов и нейтронов. Прочность тяжелых ядер мала. Для того, чтобы покинуть ядро, нуклон должен преодолеть ядерные силы, а для этого он должен обладать достаточной энергией.
В результате альфа-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, теряя положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы, т.е. порядковый номер на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, меньше.

Процесс радиоактивного распада происходит до тех пор, пока не появится стабильное ядро, чаще всего ядро свинца или висмута.

Бета-распад

Явление бета-распада состоит в том, что ядра некоторых элементов самопроизвольно испускают электроны и элементарную частицу очень малой массы - антинейтрино. Так как электронов в ядрах нет, то появление бета-лучей из ядра атома можно объяснить способностью нейтронов ядра распадаться на протон, электрон и антинейтрино. Появившийся протон переходит во вновь образующееся ядро. Электрон, вылетающий из ядра, и является частицей бета-излучения. Такой процесс распада нейтронов характерен для ядер с большим количеством нейтронов.
В результате бета-распада образуется новое ядро с таким же массовым числом, но с большим на единицу зарядом, т.е. порядковый номер больше на 1 единицу.

СТРОЕНИЕ ЯДРА АТОМА

Протонно-нейтронная модель ядра атома:
- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов
- заряд ядра обусловлен только протонами
- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента
- число нейтронов равно разности между атомным числом и числом протонов (N=A-Z)
Условное обозначение ядра атома химического элемента:

X – символ химического элемента
А – массовое число, которое показывает массу ядра в целых атомных единицах массы (а.е.м.) (1а.е.м. = 1/12 массы атома углерода); число нуклонов в ядре
A = N + Z , где N – число нейтронов в ядре атома
Z – зарядовое число, которое показывает заряд ядра в элементарных электрических зарядах (э.э.з.) ( 1э.э.з. = заряду электрона = 1,6 х 10 -19 Кл); число протонов; число электронов в атоме; порядковый номер в таблице Менделеева
Масса ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных протонов и нейтронов, его составляющих. Это объясняется тем, что протоны и нейтроны в ядре очень сильно притягиваются друг к другу. Чтобы разъединить их требуется затратить большую работу. Поэтому полная энергия покоя ядра не равна энергии покоя составляющих его частиц. Она меньше на величину работы по преодолению ядерных сил притяжения.
Разность между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов называется дефектом масс.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

В состав ядра входят протоны и нейтроны. Между одинаково заряженные протонами действуют электростатические силы отталкивания, однако ядро не "разлетается" на отдельные частицы. Между протонами и нейтронами внутри ядра действуют ядерные силы - силы притяжения, намного превосходящие электростатические.
Ядерные силы по величине в 100 раз превосходят электростатические и называются сильным взаимодействием.
Ядерные силы проявляются лишь на расстояниях внутри ядра, поэтому считаются короткодействующими, в то время как электростатические силы - дальнодействующими.
Энергия взаимодействия нуклонов велика; она называется внутриядерной, или ядерной.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР

Ядра атомов представляют собой сильно связанные системы из большого числа нуклонов. Для полного расщепления ядра на составные части и удаление их на большие расстояния друг от друга необходимо затратить определенную работу А.
Энергией связи называют энергию, равную работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на свободные нуклоны.
Е_связи = - А
По закону сохранения энергия связи одновременно равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных свободных нуклонов.

ДЕФФЕКТ МАСС

Измерения масс ядер показывают, что масса ядра (М_я) всегда меньше суммы масс покоя слагающих его свободных нейтронов и протонов.
При делении ядра: масса ядра всегда меньше суммы масс покоя образовавшихся свободных частиц.
При синтезе ядра: масса образовавшегося ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных частиц, его образовавших.

Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра.
Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

где М_я – масса ядра (из справочника)
Z – число протонов в ядре
m_p – масса покоя свободного протона (из справочника)
N – число нейтронов в ядре
m_n – масса покоя свободного нейтрона (из справочника)

РАСЧЕТ ЭНЕРГИИ СВЯЗИ ЯДРА

Энергия связи ядра численно равна работе, которую нужно затратить для расщепления ядра на отдельные нуклоны, или энергии, выделяющейся при синтезе ядер из нуклонов.
Мерой энергии связи ядра является дефект массы.

Формула для расчета энергии связи ядра - это формула Эйнштейна:
если есть какая-то система частиц, обладающая массой, то изменение энергии этой системы приводит к изменению ее массы.

В ядерной физике массу частиц выражают в атомных единицах массы (а.е.м.)

Энергию связи можно рассчитать в Джоулях, подставляя в расчетную формулу массу в килограммах.

Однако, в ядерной физике принято выражать энергию в электронвольтах (эВ):

Просчитаем соответствие 1 а.е.м. электронвольтам:

Расчетная формула энергии связи:

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА

Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов, например, урана.

Ядро урана - 235 имеет форму шара. Поглотив нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться. При делении ядра образуются еще 2 или 3 нейтрона.
Появление нейтронов объясняется тем, что число нейтронов в осколках оказывается больше, чем это допустимо.

Имеющие огромную скорость разлетающиеся осколки тормозятся окружающей средой.
Кинетическая энергия осколков превращается во внутреннюю энергию среды, которая нагревается.

Деление ядер урана сопровождается выделением большого количества энергии.

ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ

- это процесс, в котором одна проведенная реакция вызывает последующие реакции такого же типа.
При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно.

Отношение числа образовавшихся нейтронов в одном акте деления к числу таких нейтронов в предыдущем акте деления называется коэффициентом размножения нейтронов k.
При k меньше 1 реакция затухает, т.к. число поглщенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся.
При k больше 1 почти мгновенно происходит взрыв.
При k равном 1 идет управляемая стационарная цепная реакция.

Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР

Ядерный реактор – это устройство на атомной электростанции для получения атомной энергии.
Назначение ядерного реактора: преобразование внутренней энергии атомного ядра в электрическую энергию.
В ядерном реакторе осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер (при k = 1).

Ядерными реакторами оснащены все АЭС (атомные электростанции).

Основные элементы ядерного реактора:
- топливо (уран-235, уран-238, плутоний-239) в виде стержней
- замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит)
- теплоноситель (вода, жидкий натрий)
- устройство для регулирования реакции (кадмий, бор)
- защита (оболочка из бетона и железа).

Работа реактора:

Преимущества АЭС:

- ядерные реакторы не потребляют кислород и органическое топливо
- не загрязняют окружающую среду золой и вредными для человека продуктами органического топлива
- биосфера надежно защищена от радиоактивного воздействия при нормальном режиме эксплуатации АЭС.

Недостатки АЭС:

- необходимость захоронения радиоактивных отходов и демонтаж отслуживших свой срок реакторов
- опасность радиоактивного заражения местности при аварийных выбросах
- опасность экологических катастроф.

ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Эффект Доплера

Эффе́кт До́плера— изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается:

где — частота, с которой источник испускает волны, — скорость распространения волн в среде, — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

Аналогично, если приёмник движется навстречу волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот. Для неподвижного источника и движущегося приёмника

где — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Формула для общего случая:

Использование эффекта Доплера:

По смещению линий спектра определяют лучевую скорость движения звёзд, галактик и других небесных тел. С помощью эффекта Доплера по спектру небесных тел определяется их лучевая скорость. Изменение длин волн световых колебаний приводит к тому, что все спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону длинных волн, если лучевая скорость его направлена от наблюдателя (красное смещение), и в сторону коротких, если направление лучевой скорости — к наблюдателю (фиолетовое смещение).

По увеличению ширины линий спектра определяют температуру звёзд

С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей и газов. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется помещать датчики непосредственно в поток. Скорость определяется по рассеянию ультразвука на неоднородностях среды (частицах взвеси, каплях жидкости, не смешивающихся с основным потоком, пузырьках газа).

Охранные сигнализации. Для обнаружения движущихся объектов

Определение координат. В спутниковой системе Коспас-Сарсат координаты аварийного передатчика на земле определяются спутником по принятому от него радиосигналу, используя эффект Доплера.

Основными экспериментальными основаниями теории Большого Взрыва являются следующие:

· Наблюдаемое "разбегание" далеких галактик, подчиняющееся закону Хаббла .

· Открытие в 1964 году Р. Пензиасом и А. Вильсоном космического фона "реликтового излучения", по интенсивности и спектральному составу эквивалентного излучению черного тела с температурой около 3 K (градусы Кельвина).

· Наблюдаемый химический состав Вселенной, состоящей приблизительно из 3/4 (по массе) водорода и 1/4 гелия с небольшой (порядка одного процента) примесью прочих элементов.

Расширение вселенной

По данным современной наблюдательной астрономии звезды во Вселенной группируются в галактики, которые, в свою очередь, также образуют скопления. Представление о порядках величин дают следующие цифры: наша Галактика содержит ~ 10¹¹ звезд и имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной ~ 30 тысяч световых лет. Данные наблюдений показывают, что в крупных масштабах Вселенная однородна и изотропна. Грубо говоря, это означает, что в любой сфере с фиксированным достаточно большим диаметром (достаточным считается число ~ 300 миллионов световых лет) содержится приблизительно одинаковое число галактик. Утверждение об однородности и изотропности Вселенной в больших масштабах принято называть Космологическим Принципом.

Закон Хаббла, сформулированный в 1929 году, "закон разбегания", согласно которому все галактики (в среднем) удаляются от нас и скорость этого разбегания приблизительно пропорциональна расстоянию до рассматриваемой галактики:

Коэффициент пропорциональности называют постоянной Хаббла.

СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ

По данным наблюдений Вселенная состоит в основном из водорода (3/4 по массе) и гелия (1/4), прочие элементы составляют примесь порядка одного процента. Эти данные получены по спектрам звезд и межзвездного газа и хорошо согласуются с теоретическими моделями астрофизики, описывающими состав и эволюцию звезд. Приведенные выше цифры 3/4 и 1/4 относятся к начальной фазе этой эволюции, в процессе которой в звездах вырабатываются и другие, в том числе тяжелые, элементы.

Таблица типичных объектов исследований в космологии
Объекты	Общее описание
Галактики	Это гигантские гравитационно-связанные системы, состоящие из звёзд и тёмной материи. Типичные представители в наблюдательной космологии. Методы наблюдений, применимые к галактикам, применимы почти ко всем космологическим объектам. Это и сравнения модельного спектра с наблюдаемым, и учёт металличности, и учёт пыли, и отождествление характерных особенностей частей спектра с наличием различных процессов внутри объекта.
Квазары	Квазары — 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. Болометрическая светимость квазаров может достигать 1046 — 1047 эрг/с[27]. Считается, что причиной такой высокой светимости является аккреция межзвёздного газа на сверхмассивную чёрную дыру в центре галактики.
Гамма-всплески	Гамма-всплески — внезапные кратковременные локализуемые повышения интенсивности космического гамма-излучения с энергией в десятки и сотни кэВ[28]. Из оценок расстояний до гамма-всплесков можно сделать вывод, что излучаемая ими энергия в гамма-диапазоне достигает 1050 эрг. Для сравнения, светимость всей галактики в этом же диапазоне составляет «всего» 1038 эрг/c. После обнаружения у гамма-всплесков оптического послесвечения и получения их спектров стало ясно, что гамма-всплески — далёкие объекты. На данный момент одним из самых далёких зафиксированных объектов Вселенной является гамма-всплеск GRB 090423 с красным смещением z = 8,2.
Звёздное скопление	Звёздные скопления представляют собой гравитационно-связанные группы звёзд, имеющих общее происхождение, и, соответственно, примерно одинаковый возраст и химический состав. Более массивные звёзды скопления раньше проходят все этапы своей эволюции, превращаясь либо в компактные релятивистские объекты (нейтронные звёзды и чёрные дыры), либо в белые карлики, а менее массивные продолжают находиться на главной последовательности.
Не проэволюционировавшие или слабо проэволюционировавшие объекты	В данную группу включены как галактики, так и звёзды. Характерной чертой данных объектов является их низкая металличность. Они в основном состоят из того вещества, из которого состояли самые первые звёзды и галактики.
Реликтовый фон	Реликтовый фон — чернотельное однородное излучение со средней температурой 2,72 К, заполняющее Вселенную.

АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ВСЕЛЕННАЯ

Солнце – рядовая звезда среднего размера и среднего возраста. Это горячий газовый шар диаметром 1 390 000 км и массой в 333 000 раз больше Земли, состоящий в основном из водорода. В его центре, где давление в миллиард раз больше давления воздуха у поверхности Земли, а температура 13 000 000 К, термоядерные реакции превращают водород в гелий с выделением огромной энергии. Эта энергия постепенно достигает более холодной (5800 К) солнечной поверхности и покидает ее в виде излучения и сверхзвуковых потоков заряженных и нейтральных частиц, называемых солнечным ветром. В недрах звезд и при их взрывах также синтезируются более тяжелые химические элементы. НУКЛЕОСИНТЕЗ; СОЛНЦЕ.

После того, как 4,5 млрд. лет назад в результате гравитационного коллапса родительской туманности сформировалось Солнце, из других достаточно массивных уплотнений солнечного вещества образовались большие планеты Солнечной системы. Вблизи некоторых из формирующихся планет подобные же процессы привели к возникновению спутников – лун. У близких к Солнцу планет сформировались массивные металлические ядра, покрытые каменистой оболочкой. Земля, Марс и, возможно, Венера имели океаны, но только у Земли он сохранился. Большинство из планет теплой внутренней части Солнечной системы сохранило свои атмосферы. Во внешней холодной области Солнечной системы образовались гигантские газовые планеты, окруженные множеством спутников с металлическими и каменными ядрами, покрытыми ледяной оболочкой. Все внешние планеты имеют системы колец, состоящих из движущихся по орбитам частиц пыли и льда, но только у Сатурна эти кольца так велики, что их можно увидеть даже в небольшой телескоп. Все планеты обращаются вокруг Солнца, а большинство их спутников – вокруг своих планет в одном и том же направлении и в плоскостях, лишь на несколько градусов отстоящих от плоскости орбиты Земли – эклиптики. См. также СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА.

Между орбитами Марса и Юпитера расположен пояс астероидов – область, населенная металлическими и каменными фрагментами – вероятными остатками одной или нескольких протопланет, разрушенных соударениями и приливными силами. На периферии Солнечной системы по орбитам вокруг Солнца движутся миллионы комет – холодных каменно-ледяных глыб. Их удается обнаружить в тех случаях, когда орбита кометы заходит во внутренюю часть Солнечной системы. Хотя межпланетное пространство практически пусто, в нем рассеяны атомы, молекулы и частицы пыли. Поток солнечного ветра выносит магнитное поле Солнца на периферию планетной системы. См. также АСТЕРОИД; КОМЕТА.

Солнце – лишь одна из миллиардов звезд, составляющих огромную сплюснутую галактику – Млечный Путь. В то время как до ближайшей к нам звезды Проксимы Кентавра свет идет 4,3 года, ближайший сосед Млечного Пути – галактика в Андромеде – удалена на 2,2 млн. св. лет. Галактики имеют различные формы и размеры, но все они представляют собой гравитационно связанные системы из звезд и разреженного межзвездного газа и пыли. У спиральных галактик, подобных нашей, звезды образуют медленно вращающийся сплюснутый диск диаметром около 100 000 св. лет. Центральное сферическое уплотнение (балдж) у них состоит из старых звезд, тогда как более молодые сосредоточены на периферии в спиральных рукавах. Солнце находится в одном из спиральных рукавов Млечного Пути на расстоянии ок. 28 000 св. лет от центра Галактики и совершает один оборот вокруг него примерно за 200 млн лет. Все видимые невооруженным глазом звезды принадлежат тому же или ближайшим спиральным рукавам. Излучение более далеких или слабых звезд, неразличимых глазом по отдельности, можно заметить на небе в виде рассеянного света, усиливающегося к размытой полосе Млечного Пути. Балдж и диск нашей Галактики окружены протяженным гало, в котором помимо отдельных старых звезд движутся шаровые скопления из сотен тысяч звезд каждое. Наша Галактика – член гравитационно связанной системы, получившей название «Местная группа» и включающей также галактику в Андромеде, две небольшие галактики неправильной формы, называемые Магеллановыми Облаками, и еще несколько звездных систем. См. также ГАЛАКТИКИ; МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ.

Солнце – это типичная звезда, каких множество в каждой галактике. Девяносто процентов всех звезд имеют массы от 0,1 до 50 масс Солнца; масса – важнейшая характеристика звезды. Другие важные ее параметры – это температура, светимость и возраст. Звезда, подобная Солнцу, формируется в результате гравитационного сжатия родительского облака, которое длится несколько миллионов лет, пока в его центре не начнутся ядерные реакции. После этого звезда остается довольно стабильной в течение примерно 10 млрд. лет. Лишь после того как большая часть водорода в ее ядре переработается в гелий, внешние слои звезды расширяются и остывают, и звезда становится красным гигантом. В ядре может начаться термоядерное «горение» гелия и других элементов, но в итоге оно сожмется и станет белым карликом (у маломассивных звезд) или нейтронной звездой (у звезд средней массы), чем и закончится жизнь звезды. Массивные звезды в конце своей эволюции становятся неустойчивыми, начинают пульсировать и выбрасывать вещество; некоторые из них целиком взрываются как сверхновые. Ядра массивных звезд коллапсируют полностью и становятся черными дырами. См. также ЧЕРНАЯ ДЫРА; ЗВЕЗДЫ; ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС; НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА; НОВАЯ ЗВЕЗДА; СВЕРХНОВАЯ ЗВЕЗДА; ПЕРЕМЕННЫЕ ЗВЕЗДЫ.

Звезды различного вида и на разных стадиях эволюции встречаются по всей галактике, но некоторые их типы сосредоточены в определенных местах. Те области галактик, где сконцентрированы газ и пыль (т.е. спиральные рукава), преимущественно содержат скопления молодых звезд. Это понятно: именно из газа формируются скопления и ассоциации молодых звезд, часто объединенных в двойные и тройные системы. Даже в нашей Солнечной системе, будь Юпитер раз в десять массивнее, он бы тоже стал звездой – компаньоном Солнца.

Похожие на Млечный Путь спиральные галактики весьма распространены, но встречаются и эллиптические галактики, почти лишенные газа и пыли. Некоторые галактики имеют неправильную, асимметричную форму. Астрономы еще не пришли к согласию относительно того, распались ли некогда на звезды газовые облака галактического размера или сначала из заполнявшего Вселенную газа сформировались звезды, а затем уже под действием гравитации они объединились в галактики. Существует немало теорий превращения галактик одного типа в другие, и у астрономов есть наблюдательные свидетельства того, как галактики сталкиваются и меняют форму. Повсеместно галактики объединены в системы, подобные Местной группе; обзоры неба выявляют крупномасштабное распределение галактик, их концентрацию в гигантских сверхскоплениях и линейных структурах, разделенных пустым пространством.

Астрономы и космологи считают, что Вселенная образовалась от 10 до 20 млрд. лет назад в процессе грандиозного явления, названного Большим взрывом. После сравнительно короткого периода, когда излучение остыло, а вещество успокоилось, Вселенная перешла в фазу медленного расширения, которая продолжается и поныне. Реликтом тех бурных событий считают слабое фоновое излучение, приходящее равномерно со всего неба. См. также НУКЛЕОСИНТЕЗ.

Поскольку скорость света конечна, далекие галактики мы видим и удаленными во времени. Используя крупнейшие наземные и космические телескопы, астрономы заглядывают в прошлое Вселенной почти на 10 млрд. лет. Используя эти наблюдения и вычисляя скорость расширения Вселенной, ученые пытаются уточнить ее возраст. Они хотели бы также узнать, будет ли Вселенная расширяться всегда, до тех пор, когда погаснут последние звезды, а новые не смогут образоваться из разреженного вещества. Если плотность Вселенной достаточно велика, то ее расширение постепенно замедлится, остановится и сменится сжатием. В конце концов все вещество Вселенной сколлапсирует, произойдет «Большая свалка», после чего может случиться новый Большой взрыв и начнется расширение новой вселенной. Сделанные до сих пор оценки плотности Вселенной не дали окончательного ответа на вопрос о ее будущем. Две проблемы – возраст и будущее Вселенной – главное, над чем работали космологи 1990-х годов, понимая, что лишь новые наблюдения дадут окончательный ответ. См. также КОСМОЛОГИЯ В АСТРОНОМИИ.

Изучение Солнца и звезд.

Развитие физики в конце 19 в. позволило астрономам получить важнейшую информацию о Солнце. В 1906 было определено, что температура поверхности Солнца составляет ок. 6000 К. Однако температуру хромосферы и короны удалось измерить лишь полвека спустя с помощью электронных приборов: в короне она достигает 2 000 000 К, а в центре Солнца ок. 13 000 000 К. Модели структуры Солнца и звезд разрабатывали между 1905 и 1928 К.Шварцшильд (1873–1916), Э.Милн (1896–1950), А.Эддингтон (1882–1944) и С.Чандрасекар (1910–1995). Они использовали достижения квантовой физики и теории относительности, рассматривая динамику звезды как газового шара. Было получено представление о строении недр и механизмах переноса энергии, а также предсказаны некоторые предельные типы звезд, такие, как белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Эти результаты в основном оставались теоретическими до начала космической эры, когда появилась возможность наблюдать небесные объекты в высокоэнергичных диапазонах спектра. См. также ЭДДИНГТОН, АРТУР СТЭНЛИ.

В 19 в. было получено множество звездных спектров, и в 20 в. астрономы занялись их систематикой и классификацией, чтобы понять природу звезд. Около 225 300 спектров было классифицировано и расположено в принятую теперь последовательность – O B A F G K M R N S. Каждой буквой представлен конкретный тип спектра; исходный алфавитный порядок, соответствующий изменению интенсивности некоторых спектральных линий, пришлось позже