Страница 314 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. При температуре в ядре порядка 14–15 млн $^\circ\text{C}$ и давлениях от $7 \cdot 10^8$ до $3,4 \cdot 10^{11}$ атм звезда должна была бы превратиться в расширяющееся газовое облако. Но этого не происходит. Как вы думаете, какие силы противодействуют расширению звезды?

1. Внутри звезды действуют две основные противоборствующие силы. С одной стороны, это силы газового и лучистого давления, которые стремятся расширить звезду. Эти силы возникают из-за колоссальной температуры в ядре, поддерживаемой термоядерными реакциями. С другой стороны, расширению противодействуют гравитационные силы. Вся огромная масса звезды создает мощное гравитационное поле, которое сжимает звезду, стремясь сколлапсировать ее к центру. Состояние, при котором силы гравитационного сжатия уравновешиваются силами внутреннего давления, называется гидростатическим равновесием. Именно это равновесие обеспечивает стабильность звезды на протяжении большей части ее жизни и не дает ей ни взорваться, ни коллапсировать.

Ответ: Расширению звезды противодействуют силы ее собственного гравитационного притяжения, которые уравновешивают внутреннее давление газа и излучения.

2. Источником колоссальной энергии, которая нагревает ядро звезды до миллионов градусов и создает гигантское давление, являются реакции термоядерного синтеза. В ядрах звезд главной последовательности, таких как Солнце, происходит слияние легких атомных ядер в более тяжелые. В основном это превращение ядер водорода (протонов) в ядра гелия. В ходе этого процесса небольшая часть массы исходных частиц (так называемый дефект масс) превращается в огромное количество энергии в соответствии с формулой Эйнштейна $E=mc^2$. Эта выделяющаяся энергия в виде излучения и кинетической энергии частиц и поддерживает звезду в "горячем" состоянии, создавая давление, которое противостоит гравитационному сжатию.

Ответ: Источником энергии звезды являются реакции термоядерного синтеза, в ходе которых легкие химические элементы превращаются в более тяжелые с выделением энергии.

2. Что является источником энергии, излучаемой звездой?

1. какие силы противодействуют расширению звезды?

Звезда на протяжении большей части своей жизни находится в состоянии гидростатического равновесия. Это равновесие поддерживается балансом двух основных сил. Силы, вызывающие расширение, — это давление горячего газа и давление излучения, которые возникают в ядре звезды в результате термоядерных реакций и направлены от центра к поверхности. Силы, которые противодействуют этому расширению и стремятся сжать звезду, — это силы всемирного тяготения (гравитации). Гравитация действует между всеми частицами вещества звезды, притягивая их к общему центру масс. Таким образом, именно гравитационные силы не дают звезде расшириться.

Ответ: Силы гравитационного притяжения (силы тяготения).

2. Что является источником энергии, излучаемой звездой?

Источником колоссальной энергии, которую звезда излучает в пространство, являются реакции термоядерного синтеза. Эти реакции происходят в ядре звезды при чрезвычайно высоких температурах (миллионы кельвинов) и давлении. В ходе этих реакций из ядер более легких химических элементов образуются ядра более тяжелых элементов.

Ответ: Реакции термоядерного синтеза.

3. Какой физический процесс...

Физический процесс, лежащий в основе выделения энергии, — это термоядерный синтез, в ходе которого происходит превращение массы в энергию. В звездах типа нашего Солнца это в основном протон-протонный цикл: четыре ядра водорода (четыре протона) в конечном итоге объединяются, образуя одно ядро гелия-4. В более массивных звездах преобладает CNO-цикл (углеродно-азотно-кислородный), где углерод, азот и кислород выступают в качестве катализаторов. В обоих случаях масса итогового ядра гелия оказывается меньше суммы масс исходных протонов. Эта разница масс, называемая дефектом массы ($ \Delta m $), переходит в энергию ($E$) согласно уравнению Эйнштейна: $ E = \Delta m c^2 $, где $c$ — скорость света. Выделившаяся энергия поддерживает высокую температуру звезды и создает давление, уравновешивающее гравитацию.

Ответ: Физический процесс — термоядерный синтез, в ходе которого масса вещества превращается в энергию ($ E = \Delta m c^2 $) при слиянии легких атомных ядер (например, водорода) в более тяжелые (например, гелий).

3. Какой физический процесс является источником внутреннего обогрева планеты?

3. Основным физическим процессом, который является источником энергии, излучаемой большинством звезд (включая Солнце) на протяжении большей части их жизни, является термоядерный синтез. Этот процесс происходит в ядре звезды при чрезвычайно высоких температурах (порядка 10-15 миллионов кельвинов) и колоссальном давлении. В ходе термоядерного синтеза ядра более легких химических элементов сливаются, образуя ядра более тяжелых элементов. Для звезд, подобных Солнцу, преобладает так называемый протон-протонный цикл, в котором четыре ядра водорода (протона) в конечном итоге превращаются в одно ядро гелия. Масса образовавшегося ядра гелия оказывается немного меньше, чем суммарная масса четырех исходных протонов. Эта разница в массе, называемая дефектом масс ($ \Delta m $), полностью преобразуется в огромное количество энергии ($ E $) в соответствии с уравнением эквивалентности массы и энергии Эйнштейна: $ E = \Delta m c^2 $, где $ c $ — скорость света в вакууме. Выделившаяся энергия в виде фотонов высоких энергий (гамма-квантов) и нейтрино разогревает ядро и затем в течение сотен тысяч лет переносится к поверхности звезды, откуда и излучается в космическое пространство.

Ответ: Термоядерный синтез.

4. Источником внутреннего обогрева планеты является совокупность нескольких физических процессов, главные из которых меняются в зависимости от типа планеты и ее возраста. Основными источниками являются:

1. Радиоактивный распад. Это основной постоянный источник тепла для планет земной группы (таких как Земля, Марс, Венера). В их коре и мантии содержатся радиоактивные изотопы элементов, в основном уран-238 ($^{238}\text{U}$), торий-232 ($^{232}\text{Th}$) и калий-40 ($^{40}\text{K}$). При их самопроизвольном распаде выделяется энергия, которая нагревает недра планеты. Этот процесс поддерживает геологическую активность, такую как вулканизм и тектоника плит, на протяжении миллиардов лет.

2. Первичная (аккреционная) теплота. Это тепло, оставшееся со времен формирования планеты около 4,5 миллиардов лет назад. В процессе аккреции, когда планета формировалась из множества мелких тел (планетезималей), их гравитационная потенциальная энергия при столкновении и сжатии переходила в тепловую. Планета до сих пор медленно остывает, излучая этот первоначальный запас тепла.

3. Гравитационная дифференциация. На ранних стадиях существования планеты, когда она была в основном расплавленной, происходило разделение веществ по плотности: тяжелые элементы (железо, никель) опускались к центру, формируя ядро, а более легкие силикаты поднимались, образуя мантию и кору. Этот процесс высвобождал гравитационную потенциальную энергию, которая также превращалась в тепло.

Для газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, значительный вклад вносит также механизм Кельвина — Гельмгольца — медленное гравитационное сжатие планеты, которое приводит к ее нагреву.

Ответ: Главными физическими процессами, являющимися источником внутреннего обогрева планеты, являются распад радиоактивных элементов в ее недрах и постепенное остывание, то есть отдача тепла, накопленного в процессе аккреции и гравитационной дифференциации на ранних этапах формирования.

4. Что является причиной образования пятен на Солнце?

Причиной образования пятен на Солнце являются мощные локальные магнитные поля, которые выходят на его видимую поверхность — фотосферу. Эти сильные магнитные поля подавляют конвекцию, то есть процесс переноса энергии и горячего вещества из более глубоких слоёв Солнца на его поверхность. В результате подавления конвекции температура плазмы в этой области понижается по сравнению с окружающей фотосферой примерно на 1500–2000 кельвинов (достигая температуры около 4000 K вместо обычных ~5800 K). Из-за более низкой температуры этот участок излучает меньше света и поэтому визуально воспринимается как тёмное пятно на фоне более яркой и горячей солнечной поверхности.

Ответ: Причиной образования солнечных пятен является выход на поверхность Солнца (в фотосферу) сильных магнитных полей, которые подавляют конвекцию и охлаждают данный участок поверхности.

(Вероятнее всего, полный вопрос звучит так: «Из каких слоёв состоит Солнце?»)

Солнце имеет слоистую структуру, которую принято делить на две основные части: внутренние области и солнечную атмосферу.

Внутреннее строение Солнца включает в себя три основных слоя:

• Ядро — центральная область, где при сверхвысоких температуре и давлении происходят термоядерные реакции, являющиеся источником энергии Солнца.
• Зона лучистого переноса — слой, окружающий ядро. В нём энергия, рождённая в ядре, переносится наружу путём последовательного поглощения и переизлучения фотонов веществом.
• Конвективная зона — внешний слой внутренней области Солнца. Здесь энергия переносится за счёт конвекции: горячая плазма поднимается к поверхности, остывает и опускается обратно вглубь.

Солнечная атмосфера также состоит из трёх основных слоёв:

• Фотосфера — видимая поверхность Солнца, самый нижний и плотный слой атмосферы. Именно в фотосфере мы наблюдаем солнечные пятна.
• Хромосфера — слой, расположенный над фотосферой. Она имеет красноватый цвет из-за излучения водорода и видна во время полных солнечных затмений как тонкое кольцо вокруг Луны.
• Солнечная корона — самый внешний, очень разреженный и простирающийся на миллионы километров слой солнечной атмосферы. Корона имеет чрезвычайно высокую температуру (свыше 1 000 000 K), но низкую плотность. Её также лучше всего наблюдать во время полных затмений.

Ответ: Солнце состоит из следующих слоёв, перечисленных от центра к периферии: ядро, зона лучистого переноса, конвективная зона, фотосфера, хромосфера и солнечная корона.

5. Из каких слоёв состоит солнечная атмосфера?

5. Из каких слоёв состоит солнечная атмосфера?

Солнечная атмосфера, то есть внешние газовые оболочки Солнца, условно делится на три основных слоя, которые различаются по своим физическим свойствам, таким как температура, плотность и наблюдаемые явления.

• Фотосфера — это самый нижний и самый плотный слой атмосферы, который мы воспринимаем как видимую поверхность Солнца. Именно фотосфера излучает подавляющую часть солнечной энергии в видимом спектре.
  • Ее толщина составляет около 300–400 км.
  • Температура с высотой уменьшается от примерно 6500 К у основания до 4400 К на верхней границе.
  • В фотосфере наблюдаются такие образования, как солнечные пятна (более холодные области с температурой $T \approx 4500$ K и сильным магнитным полем) и грануляция (ячеистая структура, вызванная конвективными потоками плазмы).
• Хромосфера — слой, расположенный непосредственно над фотосферой.
  • Ее толщина составляет примерно 2000–3000 км.
  • Плотность хромосферы значительно ниже плотности фотосферы.
  • Характерной особенностью является инверсия температуры: она растет с высотой от 4400 К до 20 000 К.
  • Во время полных солнечных затмений хромосфера видна как яркая красноватая кайма вокруг диска Луны. Этот цвет обусловлен излучением водорода. В этом слое возникают такие явления, как спикулы и протуберанцы.
• Солнечная корона — самый внешний и наиболее разреженный слой солнечной атмосферы.
  • Она простирается на миллионы километров в окружающее пространство.
  • Корона имеет чрезвычайно высокую температуру — от 1 до 2 миллионов кельвинов, что значительно превышает температуру нижележащих слоев. Механизм такого сильного разогрева до сих пор является предметом исследований.
  • Из-за низкой плотности корону можно наблюдать невооруженным глазом только во время полного солнечного затмения.
  • Вещество короны постоянно истекает в межпланетное пространство, образуя солнечный ветер — поток заряженных частиц.

Ответ: Солнечная атмосфера состоит из трех основных слоёв: фотосферы (видимая поверхность), хромосферы и солнечной короны.

6. Расскажите об основных стадиях

Предполагая, что вопрос касается основных стадий эволюции звезды типа Солнца, можно выделить следующие этапы:

1. Протозвезда. Солнце образовалось около 4,6 миллиарда лет назад из гигантского облака межзвездного газа и пыли (солнечной туманности). Под действием гравитации это облако начало сжиматься, и в его центре образовался плотный горячий сгусток — протозвезда.
2. Главная последовательность. Когда температура и давление в ядре протозвезды достигли достаточных значений (температура около 15 миллионов К), началась термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Выделяющаяся энергия создала давление, которое уравновесило силы гравитации. Звезда вступила в наиболее долгий и стабильный этап своей жизни. Солнце находится на этой стадии сейчас и пробудет на ней еще около 5-6 миллиардов лет.
3. Красный гигант. Когда водород в ядре Солнца иссякнет, термоядерные реакции в центре прекратятся. Ядро, состоящее теперь в основном из гелия, начнет сжиматься и разогреваться. Внешние же слои звезды сильно расширятся, а их температура понизится. Солнце превратится в красного гиганта, его радиус увеличится настолько, что оно поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, Землю.
4. Горение гелия. Сжатие ядра приведет к повышению его температуры до $10^8$ К. При такой температуре начнется новая термоядерная реакция — горение гелия, в ходе которого гелий будет превращаться в углерод и кислород.
5. Планетарная туманность и белый карлик. После исчерпания гелия в ядре звезда станет нестабильной. Ее внешние слои будут сброшены в окружающее пространство, образовав расширяющуюся светящуюся оболочку — планетарную туманность. От звезды останется только очень горячее и плотное ядро, состоящее из углерода и кислорода, — белый карлик. Это компактный объект размером с Землю, но с массой, сравнимой с массой Солнца.
6. Чёрный карлик. Белый карлик больше не производит энергию и светит только за счет накопленного тепла. В течение миллиардов и триллионов лет он будет остывать, пока не превратится в холодный и темный объект — чёрного карлика.

Ответ: Основные стадии эволюции Солнца включают: протозвезда, звезда главной последовательности (текущая стадия), красный гигант, стадия горения гелия, сброс оболочки (планетарная туманность) и финальные стадии — белый карлик, который со временем остынет до чёрного карлика.

6. Расскажите об основных стадиях эволюции Солнца.

Строение и состав солнечной атмосферы

Солнечная атмосфера — это внешние газовые слои Солнца, которые простираются далеко за пределы его видимой поверхности. Атмосферу условно делят на три основные части, каждая из которых имеет свои уникальные характеристики:

• Фотосфера — это самый нижний и самый плотный слой атмосферы, который мы воспринимаем как видимую поверхность Солнца. Именно фотосфера излучает большую часть солнечной энергии, достигающей Земли.

  Толщина: около 300–400 км.

  Температура: падает с высотой от примерно 6500 К у основания до 4500 К на верхней границе. Эффективная температура поверхности составляет около 5778 К.

  Состав: преимущественно водород (около 74% по массе) и гелий (около 25% по массе). Остальные 1-2% приходятся на более тяжелые элементы (в астрономии их называют металлами), такие как кислород, углерод, неон, железо и др. Вещество фотосферы представляет собой слабо ионизированную плазму.

  Особенности: На поверхности фотосферы наблюдаются гранулы (структуры, создаваемые конвективными потоками плазмы) и солнечные пятна (более холодные и темные области с сильными магнитными полями).

• Хромосфера — слой, расположенный над фотосферой. Она гораздо менее плотная и обычно невидима на фоне яркой фотосферы. Наблюдать ее можно во время полных солнечных затмений как тонкое красноватое кольцо вокруг Луны.

  Толщина: около 2000–3000 км.

  Температура: в отличие от фотосферы, температура в хромосфере растет с высотой — от 4500 К у основания до 20 000 К и выше на границе с короной.

  Состав: такой же, как у фотосферы, но вещество находится в состоянии более ионизированной плазмы.

  Особенности: Характерными структурами хромосферы являются спикулы (короткоживущие струи газа), протуберанцы (гигантские выбросы вещества, удерживаемые магнитным полем) и вспышки.

• Солнечная корона — самая внешняя и наиболее разреженная часть солнечной атмосферы, простирающаяся на миллионы километров в космос. Она плавно переходит в солнечный ветер — поток заряженных частиц, который распространяется по всей Солнечной системе.

  Протяженность: несколько солнечных радиусов.

  Температура: аномально высокая, достигает 1–2 миллионов К. Причины такого сильного нагрева (корональная проблема) до сих пор являются предметом активных исследований.

  Состав: вещество представляет собой высокоионизированную плазму крайне низкой плотности. Из-за высокой температуры атомы теряют множество электронов.

  Особенности: Корона видна невооруженным глазом во время полных солнечных затмений как жемчужно-белое сияние. Она является источником солнечного ветра и местом возникновения корональных выбросов массы.

Ответ: Солнечная атмосфера состоит из трех основных слоев: фотосферы (видимая поверхность, температура ~5800 К), хромосферы (слой над фотосферой, температура растет до ~20 000 К) и солнечной короны (внешний, очень горячий слой с температурой 1-2 млн К). По химическому составу атмосфера, как и все Солнце, состоит в основном из водорода (~74%) и гелия (~25%), с небольшой примесью тяжелых элементов. Вещество находится в состоянии плазмы.

6. Расскажите об основных стадиях эволюции Солнца.

Эволюция Солнца — это жизненный цикл звезды типа "желтый карлик", который длится миллиарды лет. Его можно разделить на следующие основные стадии:

1. Протозвезда. Солнце образовалось около 4,6 миллиарда лет назад из гигантского межзвездного облака газа и пыли. Под действием гравитации часть этого облака начала сжиматься, образуя плотный и горячий сгусток в центре — протозвезду. Этот процесс продолжался десятки миллионов лет, пока температура и давление в ядре не стали достаточными для запуска термоядерных реакций.

2. Главная последовательность (текущая стадия). Когда в ядре началась реакция превращения водорода в гелий ($4 \ {}^1H \rightarrow \ {}^4He + 2e^+ + 2\nu_e + \gamma$), звезда достигла состояния гидростатического равновесия и стала звездой главной последовательности. В этом стабильном состоянии Солнце проведет большую часть своей жизни — около 10 миллиардов лет. Сейчас Солнце находится примерно в середине этого пути.

3. Красный гигант. Примерно через 5 миллиардов лет водород в ядре Солнца закончится. Термоядерные реакции в центре прекратятся, ядро начнет сжиматься под действием гравитации и разогреваться. Водород начнет гореть в слое, окружающем ядро. Выделяющаяся при этом энергия заставит внешние слои Солнца сильно расшириться. Солнце превратится в красного гиганта: его радиус увеличится в сотни раз (вероятно, поглотив Меркурий, Венеру и, возможно, Землю), а температура поверхности понизится, придав ему красноватый оттенок.

4. Горение гелия. Когда температура в сжимающемся ядре достигнет 100 миллионов К, начнется новая термоядерная реакция — горение гелия, в ходе которого из гелия образуются углерод и кислород ($3 \ {}^4He \rightarrow \ {}^{12}C + \gamma$). Солнце несколько сожмется и на протяжении примерно 100 миллионов лет будет стабильно сжигать гелий в ядре и водород в оболочке.

5. Планетарная туманность и белый карлик. После того как и гелий в ядре иссякнет, для зажигания углерода массы Солнца будет уже недостаточно. Звезда станет нестабильной, ее внешние слои будут сброшены в окружающее пространство, образуя красивую светящуюся структуру — планетарную туманность. В центре останется очень горячее и плотное ядро бывшей звезды — белый карлик. Он будет состоять в основном из углерода и кислорода, иметь массу около половины солнечной, но при этом размер, сравнимый с размером Земли.

6. Черный карлик. Белый карлик не имеет собственных источников энергии и светит лишь за счет накопленного тепла. В течение триллионов лет он будет медленно остывать, пока не превратится в холодный, невидимый объект — черный карлик. Поскольку время, необходимое для такого остывания, значительно превышает текущий возраст Вселенной, черных карликов в ней еще не существует.

Ответ: Основные стадии эволюции Солнца: рождение из газопылевого облака (протозвезда), стабильная стадия горения водорода (главная последовательность, текущий этап, ~10 млрд лет), расширение до красного гиганта после исчерпания водорода в ядре, стадия горения гелия, сброс внешних оболочек (планетарная туманность) и превращение ядра в белый карлик, который со временем остынет до состояния черного карлика.