О звездах и моделях

Оглавление статей
О звездах и моделях
Страница 2

Страница 1 из 2

 

О звездах и моделях

Чтобы сложные научные понятия и идеи сделать доступными неспециалистам, часто используют различные аналогии и модели. Сжатое до предельных плотностей вещество звездных недр столь не похоже по своим свойствам на то, к чему мы привыкли в земных условиях, что практически невозможно обсуждать проблемы звезд, не привлекая тех или иных моделей. Поэтому попытаемся создать модель, которая помогла бы нам описать вещество при экстремальных плотностях.

Для начала вообразим себе движущийся по околоземной орбите большой пустой ящик. Он представляет собой гигантский куб с ребром около 100 м (в нем свободно мог бы вместиться тридцатиэтажный дом). Обращаясь вокруг Земли, ящик находится в условиях свободного падения : если бы вы двигались вместе с этим ящиком, то не ощущали бы своего веса, подобно космонавтам, движущимся в космическом корабле по околоземной или окололунной орбите. Далее представим себе, что этот ящик под действием некоторой непреодолимой силы можно сдавить до сколь угодно малых размеров. Итак, мы имеем свободно падающий ящик (объем которого может уменьшаться) в условиях высокого вакуума космического пространства.

Заполним этот ящик лампочками специальной конструкции. Обычная электрическая лампа представляет собой стеклянную колбу, внутри которой поддерживается неплохой вакуум, а в центре находится маленькая нить накала. Но для наших целей хотелось бы иметь специальную сферическую лампочку, изготовленную искусным мастером. Пусть нить этой лампочки представляет собой крошечное ядрышко, расположенное в центре и подобное тем, которые содержат обычные лампы накаливания. Предположим, что это ядрышко  состоит из плотно упакованных крошечных черных  и белых шариков. Черные шарики назовем протонами, а белые — нейтронами.

Предположим также, что вместо одной стеклянной оболочки вокруг, нити имеется несколько концентрических, вложенных одна в другую стеклянных оболочек, например семь. Эти оболочки следует изготовить из особого стекла так, что, если одна из них разобьется, все осколки стекла немедленно исчезнут, за исключением маленькой движущейся частички, которую мы назовем электроном (вспомним толкование электрона, предложенное Гаудсмитом). Каждую такую лампочку будем рассматривать как атом с ядром в центре (зернышком нити), а стеклянные оболочки — как электронные облака, обращающиеся вокруг ядра. Итак, мы построили модель атома. А теперь следует подумать о его, размерах. Какой величины нужно сделать атом? Каким должно быть соотношение между размерами ядра и стеклянной оболочкой? Рассмотрим атом водорода.

Если сделать ядро размером с крупинку соли, то диаметр внешней оболочки должен быть около 100 м, то есть она будет величиной с футбольное поле. Такой атом целиком займет наш ящик. Как видно, атом в действительности представляет собой гигантский объем пустого пространства. В центре такой сферы диаметром 100 м была бы крупинка, окруженная электронной оболочкой с радиусом около 50 м. Чтобы представить ядро, мы начали с едва заметной крупинки соли. В действительности же атом водорода настолько мал, что на ногте мизинца можно уложить друг за другом 100 млн. атомов. Чтобы покрыть тот же ноготь ядрами атома водорода, нам потребуется 10 триллионов ядер. Как бесконечно малы все эти размеры, мы можем судить по такому примеру. Если заполнить 27 млрд. сфер размером с земной шар каждая 100-метров’ыми водородными атомами, то вес всех сфер составит лишь около 30 г, причем большая часть этой массы будет сосредоточена в ядрах, так как масса одного протона равна массе 1837 электронов.

Теперь, когда мы имеем некоторые представления о размерах атома водорода, сожмем нашу модель атома до величины шарика для игры в пинг-понг.

Далее упакуем эти водородные атомы в наш вращающийся вокруг Земли ящик. Так как атомы не связаны друг с другом, они будут вести себя как молекулы газа и двигаться в ящике с относительно большими скоростями. Когда мы сфокусируем на атомах луч света, многие из них, поглотив некоторую часть энергии светового пучка, станут двигаться быстрее. Если увеличить интенсивность излучения, атомы поглотят еще больше энергии и будут двигаться еще быстрее. Под действием ультрафиолетового или рентгеновского излучений, энергия которых гораздо выше, атомы забегают еще быстрее. И наконец, можно облучить атомы так сильно, что их движение станет достаточно быстрым и они начнут разбивать свои стеклянные оболочки. Если после этого мы проверим содержимое ящика, то найдем в нем лишь отдельные нити да крошечные частички — остатки пустых стеклянных оболочек. Нити представляют собой ядра водородных атомов, или протоны, а частички — электроны, которые циркулировали ранее вокруг ядер. Это и есть ионизованный водород.

Как отмечалось ранее, суть ионизации состоит в том, что происходит разделение протона, имеющего положительный заряд, и электрона, обладающего отрицательным зарядом. Теперь, когда они стали отдельными заряженными частицами, они могут подвергаться воздействию магнитных полей — именно на этом явлении и основана работа электрических двигателей. Заряженные частицы подчиняются определенным физическим законам, согласно которым одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются.

Однако вернемся к нашему ящику. Так как разноименные заряды притягиваются, электроны могут соединяться с протонами (рекомбинировать) и образовывать нейтральные атомы водорода, а последние могут опять разрушаться под действием радиации. Следовательно, при определенных условиях происходит непрерывный процесс разделения, или диссоциации, и соединения, или рекомбинации, атомных компонентов.

Расстояние между ядром и электронной оболочкой примерно в 100 000 раз больше диаметра ядра. Если бы атом водорода имел размер шарика для игры в пинг-понг, то его ядро было бы столь мало, что потребовалось бы сложить вместе около 5000 таких ядер для того, чтобы заполнить точку в конце этого предложения. Это означает, что, когда атомы ионизованы и вокруг них нет электронных оболочек, их можно упаковать в очень маленький объем. Однако следует подчеркнуть, что это относится только к ионизованным атомам. Если бы каким-то способом нам удалось лишить атомы всех электронов и оставить одни только ядра и если бы эти ядра покоились, то можно было бы уложить их так, чтобы они касались друг друга (на практике это, конечно, недостижимо, но мысленно можно допустить подобное) . Тогда мы уложили бы 1 млн. млрд. ядер в объеме, который раньше занимал один атом. Следовательно, если бы ионизации подверглись все атомы в данном объеме, то объем, занимаемый частицами, был бы необычайно малым и вещество стало бы невероятно плотным.

Атомы других элементов (не водорода) имеют не одну электронную оболочку. Они также могут поглощать энергию. Если мы имеем смесь различных атомов и они частично ионизованы, то есть лишены своих внешних оболочек, то их можно упаковать плотнее в меньший объем с большей плотностью. В результате то количество атомов, которое занимало первоначально весь объем ящика, теперь можно разместить лишь в части его объема. Таким образом, мы повысили концентрацию частиц, упаковав их плотнее.

И опять введем в ящик некоторое количество энергии. Допустим, что теперь он бомбардируется потоком метеорных частиц. Их энергия значительно выше, чем те энергии, о которых мы говорили. Под ее воздействием разрушится вторая оболочка, и атомы станут еще меньше. Так появляются новые электроны; они также носятся в пространстве между атомами и снова могут либо рекомбинировать с ними, либо отрываться от них. Следовательно, и на этой стадии ионизации происходят процессы диссоциации и рекомбинации. Но, теряя вторую электронную оболочку, атомы еще сильнее уменьшают свои размеры и, следовательно, могут быть упакованы в еще меньший объем. Число атомов остается неизменным, но занимаемый ими объем уменьшается, и, как следствие, плотность в нем увеличивается.

Предыдущая — След. »

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: