Концепции современного естествознания: Шпаргалка

Взаимодействие диполей приводит к сближению атомов или молекул, в результате электронные оболочки начинают перекрываться и взаимодействовать, что приводит к появлению сил отталкивания, компенсирующих силы притяжения. Это создает условия образования кристаллов из нейтральных атомов (например, из инертных газов) или неполярных молекул.

38. ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ

Атом водорода имеет только один электрон, следовательно, он должен обладать одной связью, позволяющей ему вступать в соединение лишь с каким-либо одним атомом другого сорта. Однако при некоторых условиях атом водорода может быть связан значительными силами притяжения одновременно с двумя атомами, образуя тем самым так называемую водородную связь между ними. Принято считать, что водородная связь имеет в основном ионный характер, поскольку она возникает лишь между наиболее электроотрицательными атомами, в частности между атомами фтора, кислорода и азота. В предельном случае, когда водородная связь носит чисто ионный характер, атом водорода теряет свой единственный электрон и, отдавая его одному из двух атомов молекулы, превращается в протон, который и осуществляет связь между атомами. Малые размеры протона не позволяют ему иметь ближайшими соседями более чем два атома; атомы столь сильно сближены, что на таком малом участке не могут поместиться более двух атомов. Таким образом, водородная связь осуществляется только между двумя атомами (рис. 1).

Водородная связь является важнейшей формой взаимодействия между молекулами Н₂О и обусловливает вместе с электростатическим притяжением электрических дипольных моментов удивительные физические свойства воды и льда. Водородная связь играет важную роль в химических и биологических процессах: обеспечивает полимеризацию фтористоводородных соединений, определяет размеры и геометрическую структуру белковых молекул, обусловливает отчасти возможность спаривания двух спиралей молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты).

Рис. 1. Пример водородной связи между ионами фтора в HF₂^- Показан предельный случай, когда связь осуществляется с помощью протона

39. МОДЕЛЬ РАЗДУВАЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ ГУТА

В 1980 году американский ученый А. Гут (род. 1947) высказал предположение о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием или инфляцией (от лат. inflatio – вздутие), подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью.

Гут предполагал, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большие энергии. При таких высоких температурах сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия должны были все объединиться в одно. По мере расширения Вселенной она охлаждалась и энергии частиц уменьшались. Это привело к своеобразному фазовому переходу и симметрия сил была нарушена: сильное взаимодействие начало отличаться от электрослабого (слабое и электромагнитное представляли собой еще единое взаимодействие).

Такой переход аналогичен фазовому переходу при замерзании воды. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. При образовании кристаллов льда появляются выделенные направления и симметрия воды нарушается. Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно «переохладить», т. е. охладить ниже точки замерзания (0 С) без образования льда.

Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть ниже критического значения без нарушения симметрии сил. При этом Вселенная оказывается в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы при нарушении симметрии. Эта особая дополнительная энергия приводит к антигравитационному действию аналогично действию космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку отталкивание в это время превышает гравитационное притяжение, Вселенная должна расширяться (раздуваться) со все возрастающей скоростью.

Можно ожидать, что при раздувании в конце концов нарушается симметрия сил, так же как переохлажденная вода в конце концов замерзает. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется до температуры ~10²⁹ К. В результате такого фазового перехода прекращают действовать силы отталкивания, а Вселенная хотя и продолжает расширяться, но расширяется уже с замедлением скорости. С этого момента Вселенная начинает эволюционировать так, как это предсказывает модель «горячей Вселенной» Гамова.

40. ГАЛАКТИКИ И СКОПЛЕНИЯ ГАЛАКТИК

Галактики представляют собой стационарные гравитационно-связанные звездные системы. Звездная система, в которую входит наше Солнце, – Галактика, или Млечный Путь (от греч. galaktikos – молочный, млечный), – содержит примерно 2 10¹¹ звезд, среди которых 7-20 млрд белых карликов, около 1 млрд нейтронных звезд, около 30 млрд красных карликов, а ее масса равна 2,5 • 10¹¹ масс Солнца, диаметр – около 10⁵ световых лет, примерный возраст – 13 млрд лет.

В центре нашей Галактики, как показали недавно проведенные исследования американских астрономов с помощью космического телескопа им. Хаббла, находится сверхмассивная черная дыра. Сверхмассивные черные дыры обнаружены и в центрах многих других галактик. Эти факты позволяют уточнить модель образования галактик. Вначале при гравитационном сжатии газового облака, состоящего в основном из водорода и гелия, могла образоваться черная дыра, которая, продолжая стягивать на себя близлежащие области газового облака, превратилась в сверхмассивную черную дыру. Из удаленной от черной дыры части газового облака вследствие гравитационного сжатия его отдельных областей образовались звезды.

Сверхмассивные черные дыры в некоторых галактиках, таких как Млечный Путь или Туманность Андромеды, находятся в спокойном, «неактивном» состоянии. Такие черные дыры стянули на себя все или почти все доступное им космическое вещество. Ближайшие к ним звезды движутся по стационарным орбитам с большой скоростью, благодаря чему сила

гравитационного притяжения со стороны сверхмассивной черной дыры уравновешивается центробежной силой инерции. В галактиках, в которых сверхмассивные черные дыры находятся в активном состоянии, поглощая окружающее их космическое вещество, наблюдается мощное электромагнитное излучение, исходящее из центральных областей таких галактик.

Наша Галактика входит в так называемую Местную Группу галактик, находящуюся на периферии еще более крупного галактического образования – Сверхскопления галактик, образованного примерно из 10 тыс. галактических объектов, имеющего диаметр около 40 Мпк и медленно вращающегося вокруг мощного центрального сгущения галактик в созвездии Девы. Ближайшие к нашему Сверхскоплению соседние сверхскопления галактик располагаются в созвездиях Льва и Геркулеса на расстояниях соответственно 87 и 100 Мпк. Всего во Вселенной обнаружено около 50 таких галактических сверхскоплений, образующих еще один иерархический уровень ее структуры, по всей видимости, далеко не самый верхний.

Галактики весьма разнообразны. Половина из них имеет спиральную структуру, почти четверть – эллиптическую, остальные – это неправильные, в том числе взаимодействующие галактики, обычно двойные, между которыми наблюдаются мосты и перемычки светлой или темной материи.

41. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

Солнце является рядовой желтой звездой, возраст которой около 5 млрд лет. Оно прожило уже примерно половину отпущенного ему срока активного существования. Солнце расположено в периферийной части нашей Галактики, на расстоянии примерно 25 тыс. световых лет от галактического центра. Радиус Солнца равен 696 тыс. км, его масса равна 1,99 10³⁰ кг. Средняя плотность вещества Солнца составляет 1,41 г/см³, а плотность в центре Солнца – около 100 г/см³. Химический состав Солнца по массе: приблизительно 70 % водорода, 27 % гелия и 3 % других элементов. Дозвездное вещество, из которого формировалась Галактика, состояло из 75 % водорода и 25 % гелия. Сейчас в межзвездном газе по массе водород имеет 70 %, гелий – 28 %, остальные элементы – 2 %. Температура на поверхности Солнца около 6 тыс. градусов,