Откуда взялись химические элементы?
Как образовалось известное нам многообразие химических элементов? На сегодняшний день считается, что это произошло в результате трёх процессов формирования атомных ядер, или, как говорят физики, нуклеосинтеза.
1. Первичный нуклеосинтез – процесс спонтанной «конденсации» протонов и нейтронов в атомные ядра на финальных этапах остывания изначальной горячей Вселенной при её расширении после Большого Взрыва. Чаще всего при этом образовывался водород, ядро которого состоит из единичного протона: водород и сейчас составляет около 70 % от общей массы Вселенной. В куда меньшем количестве возникали другие атомные ядра, такие как гелий (2 протона, 2 нейтрона, около 25 % от общей массы) и литий (3 протона, 3-4 нейтрона).
2. Звёздный нуклеосинтез
Основным источником химических элементов легче железа являются термоядерные реакции в недрах звёзд. Из атомов водорода в них получается гелий, из атомов гелия – углерод, из углерода – кислород, неон, натрий и магний. Синтез атомов кислорода, в свою очередь, даёт кремний, фосфор, серу, алюминий и т.п. Бывают и «смешанные» реакции, основной из которых является т.н. альфа-процесс: захват ядра атома гелия другим элементом. Так получается, например, аргон (сера+гелий), кальций (аргон + гелий), титан (кальций + гелий) и т.п.
Слияние двух атомов кремния приводит к появлению ядра атома никеля, который затем частично превращается в железо – это конец цепочки звёздного нуклеосинтеза. Дело в том, что при слиянии более лёгких ядер энергия выделяется, а для формирования элементов тяжелее никеля и железа её, наоборот, требуется затратить. Поэтому для формирования более тяжёлых элементов требуются иные условия.
3. Взрывы сверхновых и являются такими условиями. В ходе этих процессов выделяется колоссальная энергия, часть которой расходуется на синтез тяжёлых элементов – меди, серебра, золота, платины, урана и т.п. Считается, что взрывы сверхновых являются основным источником этих элементов, хотя возможно, что они образуются и в других космических катаклизмах типа слияния нейтронных звёзд и тому подобного. Да-да, ваше обручальное кольцо, вероятно, является порождением взрыва сверхновой!
4. Нуклеосинтез в космических лучах. Пронизывающие космическое пространство потоки заряженных частиц (испущенных при тех же взрывах сверхновых, излучённых квазарами и пульсарами и т.п.) могут "дробить" более тяжёлые элементы, образовавшиеся в результате звёздного и катаклизмического нуклеосинтеза. Посредством этого заполняются «пробелы» в таблице Менделеева – образуются такие элементы, как литий, бор, бериллий и так далее.
На фото: редкий металл ниобий – тоже дитя сверхновой.
Как образовалось известное нам многообразие химических элементов? На сегодняшний день считается, что это произошло в результате трёх процессов формирования атомных ядер, или, как говорят физики, нуклеосинтеза.
1. Первичный нуклеосинтез – процесс спонтанной «конденсации» протонов и нейтронов в атомные ядра на финальных этапах остывания изначальной горячей Вселенной при её расширении после Большого Взрыва. Чаще всего при этом образовывался водород, ядро которого состоит из единичного протона: водород и сейчас составляет около 70 % от общей массы Вселенной. В куда меньшем количестве возникали другие атомные ядра, такие как гелий (2 протона, 2 нейтрона, около 25 % от общей массы) и литий (3 протона, 3-4 нейтрона).
2. Звёздный нуклеосинтез
Основным источником химических элементов легче железа являются термоядерные реакции в недрах звёзд. Из атомов водорода в них получается гелий, из атомов гелия – углерод, из углерода – кислород, неон, натрий и магний. Синтез атомов кислорода, в свою очередь, даёт кремний, фосфор, серу, алюминий и т.п. Бывают и «смешанные» реакции, основной из которых является т.н. альфа-процесс: захват ядра атома гелия другим элементом. Так получается, например, аргон (сера+гелий), кальций (аргон + гелий), титан (кальций + гелий) и т.п.
Слияние двух атомов кремния приводит к появлению ядра атома никеля, который затем частично превращается в железо – это конец цепочки звёздного нуклеосинтеза. Дело в том, что при слиянии более лёгких ядер энергия выделяется, а для формирования элементов тяжелее никеля и железа её, наоборот, требуется затратить. Поэтому для формирования более тяжёлых элементов требуются иные условия.
3. Взрывы сверхновых и являются такими условиями. В ходе этих процессов выделяется колоссальная энергия, часть которой расходуется на синтез тяжёлых элементов – меди, серебра, золота, платины, урана и т.п. Считается, что взрывы сверхновых являются основным источником этих элементов, хотя возможно, что они образуются и в других космических катаклизмах типа слияния нейтронных звёзд и тому подобного. Да-да, ваше обручальное кольцо, вероятно, является порождением взрыва сверхновой!
4. Нуклеосинтез в космических лучах. Пронизывающие космическое пространство потоки заряженных частиц (испущенных при тех же взрывах сверхновых, излучённых квазарами и пульсарами и т.п.) могут "дробить" более тяжёлые элементы, образовавшиеся в результате звёздного и катаклизмического нуклеосинтеза. Посредством этого заполняются «пробелы» в таблице Менделеева – образуются такие элементы, как литий, бор, бериллий и так далее.
На фото: редкий металл ниобий – тоже дитя сверхновой.
👍1
Путеводитель по Солнечной системе: 10 интересных фактов о Венере
1. Венера является самым ярким небесным телом на ночном небе Земли после Солнца и Луны. Это связано с тем, что Венера является самой близкой к Земле планетой (минимальное расстояние между небесными телами – 38 миллионов километров; до Марса, к примеру, бывает как минимум 56 миллионов километров), а также с тем, что Венера отражает наибольшую часть падающих на неё солнечных лучей – 75 %. Для сравнения, Луна отражает лишь 7 % падающего на неё солнечного света, Марс – 16 %, Юпитер и Сатурн – по 34 %. Рекордное в солнечной системе альбедо Венеры объясняется тем, что планета окутана сплошным слоем хорошо отражающих свет облаков, которые состоят из… серной кислоты.
2. Атмосфера Венеры на 97 % состоит из углекислого газа, что порождает мощнейший парниковый эффект, благодаря которому на Венере жарче, чем на находящемся ближе к Солнцу Меркурии. Если поверхность последнего прогревается до 350 градусов Цельсия, то на Венере бывает до 467 градусов.
3. Именно из-за высокой температуры, порождённой парниковым эффектом, выделяющаяся в результате вулканической деятельности сера не связывается в стабильные соединения, как на Земле, а присутствует в атмосфере в виде серного и серного газа. Соединяясь с присутствующим в атмосфере Венеры водяным паром, тот образует серную кислоту, из которой состоят облака Венеры. Благодаря этому на Венере, по всей видимости, нередко идут дожди из серной кислоты; милое местечко, не правда ли?
4. Благодаря высокой температуре, атмосферное давление на Венере почти в 100 раз выше, чем на Земле.
5. Так как сплошной слой облаков отражает почти весь падающий на Венеру солнечный свет, на Венеры царят вечные сумерки: средняя дневная освещённость здесь составляет порядка 1000 люкс против примерно 10 тысяч люкс на Земле. Короче говоря, Венера выглядит, пожалуй, самым негостеприимным уголком Солнечной системы: это экстремально жаркое, вечно тёмное место с крайне плотной раскалённой атмосферой с дождями из серной кислоты, способной плавить или растворять металлы. Короче, «добро пожаловать» вы от Венеры не дождётесь.
6. С другой стороны, в верхних слоях атмосферы Венеры условия почти комфортны для человека: на высоте 52-54 километра над поверхностью давление почти соответствует давлению атмосферы на поверхности Земли, а температура колеблется от 20 до 40 градусов Цельсия. Правда, если люди когда-либо решат попытаться построить «летающие города» на Венере, то им придётся что-то решать с ветрами чудовищной силы, которые на этой высоте могут достигать скорости 100 метров в секунду (при самых мощных ураганах на Земле скорость ветра не превышает 90 метров в секунду).
7. На обоих полюсах Венеры существуют постоянные вихри-антициклоны, причём имеющие не один, а два «глаза шторма». Впрочем, есть свидетельства, что время от времени они затихают и исчезают.
8. Венера – единственная планета Солнечной системы, которая вращается по часовой стрелке: все остальные, включая Землю, вращаются против часовой стрелки.
9. Кроме того, Венера очень медленно вращается вокруг своей оси: звёздные сутки на Венере длятся 243 земных дня, притом что оборот вокруг Солнца (солнечный год) у Венеры занимает 225 земных дней. Солнечные сутки, то есть промежуток времени между двумя полднями на Венере составляет 146 земных суток.
10. Гравитация Венеры составляет 90 % от земной (ускорение свободного падения – 8,9 метра в секунду за секунду).
На фото: венерианский пейзаж глазами советской автоматической станции «Венера-13» 👇
1. Венера является самым ярким небесным телом на ночном небе Земли после Солнца и Луны. Это связано с тем, что Венера является самой близкой к Земле планетой (минимальное расстояние между небесными телами – 38 миллионов километров; до Марса, к примеру, бывает как минимум 56 миллионов километров), а также с тем, что Венера отражает наибольшую часть падающих на неё солнечных лучей – 75 %. Для сравнения, Луна отражает лишь 7 % падающего на неё солнечного света, Марс – 16 %, Юпитер и Сатурн – по 34 %. Рекордное в солнечной системе альбедо Венеры объясняется тем, что планета окутана сплошным слоем хорошо отражающих свет облаков, которые состоят из… серной кислоты.
2. Атмосфера Венеры на 97 % состоит из углекислого газа, что порождает мощнейший парниковый эффект, благодаря которому на Венере жарче, чем на находящемся ближе к Солнцу Меркурии. Если поверхность последнего прогревается до 350 градусов Цельсия, то на Венере бывает до 467 градусов.
3. Именно из-за высокой температуры, порождённой парниковым эффектом, выделяющаяся в результате вулканической деятельности сера не связывается в стабильные соединения, как на Земле, а присутствует в атмосфере в виде серного и серного газа. Соединяясь с присутствующим в атмосфере Венеры водяным паром, тот образует серную кислоту, из которой состоят облака Венеры. Благодаря этому на Венере, по всей видимости, нередко идут дожди из серной кислоты; милое местечко, не правда ли?
4. Благодаря высокой температуре, атмосферное давление на Венере почти в 100 раз выше, чем на Земле.
5. Так как сплошной слой облаков отражает почти весь падающий на Венеру солнечный свет, на Венеры царят вечные сумерки: средняя дневная освещённость здесь составляет порядка 1000 люкс против примерно 10 тысяч люкс на Земле. Короче говоря, Венера выглядит, пожалуй, самым негостеприимным уголком Солнечной системы: это экстремально жаркое, вечно тёмное место с крайне плотной раскалённой атмосферой с дождями из серной кислоты, способной плавить или растворять металлы. Короче, «добро пожаловать» вы от Венеры не дождётесь.
6. С другой стороны, в верхних слоях атмосферы Венеры условия почти комфортны для человека: на высоте 52-54 километра над поверхностью давление почти соответствует давлению атмосферы на поверхности Земли, а температура колеблется от 20 до 40 градусов Цельсия. Правда, если люди когда-либо решат попытаться построить «летающие города» на Венере, то им придётся что-то решать с ветрами чудовищной силы, которые на этой высоте могут достигать скорости 100 метров в секунду (при самых мощных ураганах на Земле скорость ветра не превышает 90 метров в секунду).
7. На обоих полюсах Венеры существуют постоянные вихри-антициклоны, причём имеющие не один, а два «глаза шторма». Впрочем, есть свидетельства, что время от времени они затихают и исчезают.
8. Венера – единственная планета Солнечной системы, которая вращается по часовой стрелке: все остальные, включая Землю, вращаются против часовой стрелки.
9. Кроме того, Венера очень медленно вращается вокруг своей оси: звёздные сутки на Венере длятся 243 земных дня, притом что оборот вокруг Солнца (солнечный год) у Венеры занимает 225 земных дней. Солнечные сутки, то есть промежуток времени между двумя полднями на Венере составляет 146 земных суток.
10. Гравитация Венеры составляет 90 % от земной (ускорение свободного падения – 8,9 метра в секунду за секунду).
На фото: венерианский пейзаж глазами советской автоматической станции «Венера-13» 👇
Эта фотография солнечного затмения - выдающийся исторический артефакт, в своё время оказавший немалое влияние на развитие науки.
Фото было было сделано 29 мая 1919 года, чёрточками на нём отмечено положение нескольких ярких звёзд, которые стали видны на небе в апогее затмения.
И оказалось, что звёзды на этом фото видимо смещены относительно своего привычного положения.
Причина этого - искривление траекторий распространения света этих звёзд гравитацией Солнца. Причём это искривление оказалось почти точно таким, каким предсказывала активно обсуждаемая тогда общая теория относительности Эйнштейна.
Таким образом, данное фото стало одним из первых экспериментальных доказательств этой теории - одной из фундаментальных в современной физике.
Конечно, Солнца искривляет траектории звёздных лучей не только в моменты затмения, но и вообще всегда. Однако увидеть это мы можем лишь тогда, когда солнечный диск закрыт: во всё остальное время свет расположенных на небосводе близ солнечного диска, "тонет" в солнечном.
Фото было было сделано 29 мая 1919 года, чёрточками на нём отмечено положение нескольких ярких звёзд, которые стали видны на небе в апогее затмения.
И оказалось, что звёзды на этом фото видимо смещены относительно своего привычного положения.
Причина этого - искривление траекторий распространения света этих звёзд гравитацией Солнца. Причём это искривление оказалось почти точно таким, каким предсказывала активно обсуждаемая тогда общая теория относительности Эйнштейна.
Таким образом, данное фото стало одним из первых экспериментальных доказательств этой теории - одной из фундаментальных в современной физике.
Конечно, Солнца искривляет траектории звёздных лучей не только в моменты затмения, но и вообще всегда. Однако увидеть это мы можем лишь тогда, когда солнечный диск закрыт: во всё остальное время свет расположенных на небосводе близ солнечного диска, "тонет" в солнечном.
Пересматривая свои старые тексты, опубликованные в разных местах, нахожу среди них кое-что интересное, достойное переопубликования. Вот, к примеру, текст из ЖЖ про сверхпроводимость. Приятного прочтения)
https://yuritkachev.livejournal.com/8935.html
https://yuritkachev.livejournal.com/8935.html
Livejournal
Сверхпроводимость: почему иногда металлы не сопротивляются?
В далёком 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес, изучавший поведение различных веществ при сверхнизких температурах, обнаружил, что, если охладить ртуть то температуры в 3 градуса Кельвина (-270 градусов Цельсия), то электрическое сопротивление её становится…
Землю окружают пояса повышенной радиации, известные также как пояса Ван Аллена.
Это своеобразные магнитные ловушки, порождённые магнитным полем Земли. Это поле образует так называемые запрещённые области, в которые заряженные частицы с энергией менее определённой попасть не могут, а если всё-таки каким-то образом там оказались - не могут из неё выбраться.
По современным представлениям, изначально в запрещённую область магнитного поля Земли, попадают нейтроны, которые нейтральны и на которые магнитное поле не действует (поэтому-то они и могут там оказаться). Некоторые из них претерпевают здесь бета-распад на заряженные протон и электрон (ещё - нейтрино, а точнее, электронное антинейтрино, но оно нас интересует меньше). И вот образовавшие в результате распада нейтрона заряженные частицы и оказываются пойманными в ловушку магнитных полюсов.
Радиационные полюса имеют форму тороидов (бубликов), плоскость которых перпендикулярна магнитной оси Земли. Внутренний радиационный пояс состоит в основном из высокоэнергетических протонов, внешний - из электронов. При этом внутренний радиационный пояс в зависимости от широты начинается на высоте от 500 до 1500 километров, а заканчивается на высоте 10-13 тысяч километров с максимумом на высоте около 4000 километров (для сравнения, Международная космическая станция вращается по орбите с высотой 408 километров). Внешний радиационный пояс располагается в промежутке высот от 15 до 40 тысяч километров (для сравнения, радиус орбиты Луны колеблется от 363 до 405 тысяч километров).
Радиация поясов неполезна ни для техники, установленной на искусственных спутниках Земли, ни для организмов космонавтов, однако радиационные пояса, видимо, не представляют той угрозы для межпланетных перелётов, как считали некоторые писатели-фантасты в прошлого. Известно, к примеру, что летавшие на Луну астронавты за время полёта получили около 1,5-12 микрозивертов облучения, тогда как максимальная доза облучения за год для радиационно-опасных профессий составляет 50 микрозивертов. Стоит учитывать, что при этом, по всей видимости, основной вклад в облучение астронавтов сыграли не радиационные пояса, а солнечный ветер и космические лучи уже за пределами магнитосферы Земли.
Добавим, что радиационные пояса имеются у всех планет с мощным магнитным полем, таких как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. А вот Марс, Венера и Меркурий выраженных радиационных поясов не имеют.
Это своеобразные магнитные ловушки, порождённые магнитным полем Земли. Это поле образует так называемые запрещённые области, в которые заряженные частицы с энергией менее определённой попасть не могут, а если всё-таки каким-то образом там оказались - не могут из неё выбраться.
По современным представлениям, изначально в запрещённую область магнитного поля Земли, попадают нейтроны, которые нейтральны и на которые магнитное поле не действует (поэтому-то они и могут там оказаться). Некоторые из них претерпевают здесь бета-распад на заряженные протон и электрон (ещё - нейтрино, а точнее, электронное антинейтрино, но оно нас интересует меньше). И вот образовавшие в результате распада нейтрона заряженные частицы и оказываются пойманными в ловушку магнитных полюсов.
Радиационные полюса имеют форму тороидов (бубликов), плоскость которых перпендикулярна магнитной оси Земли. Внутренний радиационный пояс состоит в основном из высокоэнергетических протонов, внешний - из электронов. При этом внутренний радиационный пояс в зависимости от широты начинается на высоте от 500 до 1500 километров, а заканчивается на высоте 10-13 тысяч километров с максимумом на высоте около 4000 километров (для сравнения, Международная космическая станция вращается по орбите с высотой 408 километров). Внешний радиационный пояс располагается в промежутке высот от 15 до 40 тысяч километров (для сравнения, радиус орбиты Луны колеблется от 363 до 405 тысяч километров).
Радиация поясов неполезна ни для техники, установленной на искусственных спутниках Земли, ни для организмов космонавтов, однако радиационные пояса, видимо, не представляют той угрозы для межпланетных перелётов, как считали некоторые писатели-фантасты в прошлого. Известно, к примеру, что летавшие на Луну астронавты за время полёта получили около 1,5-12 микрозивертов облучения, тогда как максимальная доза облучения за год для радиационно-опасных профессий составляет 50 микрозивертов. Стоит учитывать, что при этом, по всей видимости, основной вклад в облучение астронавтов сыграли не радиационные пояса, а солнечный ветер и космические лучи уже за пределами магнитосферы Земли.
Добавим, что радиационные пояса имеются у всех планет с мощным магнитным полем, таких как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. А вот Марс, Венера и Меркурий выраженных радиационных поясов не имеют.
👍2
Благодаря облаку, через которое пролетает самолёт, хорошо видны мощные вихревые возмущения в атмосфере, образующиеся позади него.
Подчеркнём: образуются они не только при пролёте через облака, но и вообще всегда. Просто облако делает вихри видимыми.
Причина возникновения этих вихрей - особенности обтекания воздухом кончиков крыльев самолёта (подробнее об этом я уже писал тут).
Между прочим, на создание этих мощных вихрей расходуется ощутимая часть энергии движения самолёта, из-за чего возникает специфический эффект сопротивления воздуха этому движению. Для того, чтобы избежать этого и воспрепятствовать появлению вихрей, конструкторы идут на различные ухищрения. К сожалению, многие из них ухудшают аэродинамические качества самолёта. В общем, самолётостроение - сложная наука, предусматривающая постоянный поиск наилучшего варианта из не очень хороших.
Подчеркнём: образуются они не только при пролёте через облака, но и вообще всегда. Просто облако делает вихри видимыми.
Причина возникновения этих вихрей - особенности обтекания воздухом кончиков крыльев самолёта (подробнее об этом я уже писал тут).
Между прочим, на создание этих мощных вихрей расходуется ощутимая часть энергии движения самолёта, из-за чего возникает специфический эффект сопротивления воздуха этому движению. Для того, чтобы избежать этого и воспрепятствовать появлению вихрей, конструкторы идут на различные ухищрения. К сожалению, многие из них ухудшают аэродинамические качества самолёта. В общем, самолётостроение - сложная наука, предусматривающая постоянный поиск наилучшего варианта из не очень хороших.
Почему кометы светятся зелёным?
В одной из наших предыдущих публикаций (которая, к сожалению, оказалась чуть менее понятной, чем мне бы того хотелось) мы говорили о том, почему не бывает звёзд зелёного цвета. Однако в целом зелёный цвет ночному небу нечужд - например, его излучают многие яркие кометы.
Но почему звёздам "нельзя" светиться зелёным, а кометам - можно? Причина - в совершенно различных механизмах свечения.
Звёзды светят "собственным" светом потому, что нагреты до очень высоких температур. Кометы же не светятся сами: они лишь отражают и переизлучают свет Солнца.
Когда комета подлетает близко к Солнцу, она начинает получать достаточно много излучения в высокоэнергетической (ультрафиолет и выше) части спектра. Поглощая это излучение атомы вещества, из которого состоит комета (в основном её газопылевая оболочка - кома), переходят в возбуждённое состояние.
Но в этом состоянии долго атом находиться не может. Рано или поздно он излучает поглощённую электромагнитную энергию. Причём не абы как, а на вполне определённых частотах, уникальных для каждого вида атомов - на этом принципе основан способ определения химического состава веществ, известный как спектроскопия.
Так вот, сине-зелёный цвет кометы определяется прежде всего линиями часто встречающегося углерода (линии СII с длиной волны около 515 нанометров и СIII с длиной волны порядка 465 нанометров) в составе углекислого газа (CO2), двухатомного углерода (С2) и цианида (CN). Некоторое влияние может также оказывать кислород, которого в кометах тоже много, и который излучает в синей области спектра.
Иными словами, если горячие звёзды светят по всему спектру, просто в различных его частях - с разной интенсивностью, то холодные кометы, возбуждённые солнечным светом, излучают лишь на конкретных длинах волн, которые зачастую оказываются как раз-таки зелёными.
На фото - ярко-зелёная комета SWAN, пролетевшая близ Земли в мае 2020 года и распавшаяся вскоре после этого.
В одной из наших предыдущих публикаций (которая, к сожалению, оказалась чуть менее понятной, чем мне бы того хотелось) мы говорили о том, почему не бывает звёзд зелёного цвета. Однако в целом зелёный цвет ночному небу нечужд - например, его излучают многие яркие кометы.
Но почему звёздам "нельзя" светиться зелёным, а кометам - можно? Причина - в совершенно различных механизмах свечения.
Звёзды светят "собственным" светом потому, что нагреты до очень высоких температур. Кометы же не светятся сами: они лишь отражают и переизлучают свет Солнца.
Когда комета подлетает близко к Солнцу, она начинает получать достаточно много излучения в высокоэнергетической (ультрафиолет и выше) части спектра. Поглощая это излучение атомы вещества, из которого состоит комета (в основном её газопылевая оболочка - кома), переходят в возбуждённое состояние.
Но в этом состоянии долго атом находиться не может. Рано или поздно он излучает поглощённую электромагнитную энергию. Причём не абы как, а на вполне определённых частотах, уникальных для каждого вида атомов - на этом принципе основан способ определения химического состава веществ, известный как спектроскопия.
Так вот, сине-зелёный цвет кометы определяется прежде всего линиями часто встречающегося углерода (линии СII с длиной волны около 515 нанометров и СIII с длиной волны порядка 465 нанометров) в составе углекислого газа (CO2), двухатомного углерода (С2) и цианида (CN). Некоторое влияние может также оказывать кислород, которого в кометах тоже много, и который излучает в синей области спектра.
Иными словами, если горячие звёзды светят по всему спектру, просто в различных его частях - с разной интенсивностью, то холодные кометы, возбуждённые солнечным светом, излучают лишь на конкретных длинах волн, которые зачастую оказываются как раз-таки зелёными.
На фото - ярко-зелёная комета SWAN, пролетевшая близ Земли в мае 2020 года и распавшаяся вскоре после этого.
Мирный атом «под капотом» звездолёта: как ядерные технологии открывают нам просторы Солнечной системы
Единственный (ну, почти) способ добраться из точки А в точку Б в космосе – использовать реактивную тягу: ракета выбрасывает из сопла определённый объём вещества (рабочего тела), и по закону сохранения импульса сама движется в противоположную сторону.
В обычных ракетах выбрасываются продукты сгорания топлива: в двигателе они соединяются с окислителем (чаще всего, кислородом), загораются, расширяются, нагреваются и под собственным давлением выбрасываются наружу, что и создаёт реактивную тягу.
Проблема в том, что такой реактивный двигатель (его ещё называют химическим) потребляет очень много топлива. А ведь везти его космическому кораблю приходится на своём горбу. В итоге полезная масса, которую, к примеру, выводя на околоземную орбиту, составляет проценты от общей массы ракеты на стартовом столе.
Для полёта на Луну требуется ещё больше топлива, а для полёта к Марсу (требующему ещё больших скоростей) – совсем уж несоразмеримое количество. То есть, далеко на химической ракете (в прямом смысле слова) не улетишь. Нужен процесс, обеспечивающий большее выделение энергии на единицу массы топлива. И ядерные реакции на эту роль буквально напрашиваются.
Наиболее сумрачным в этом смысле оказался американский инженерный гений: в США всерьёз обдумывали создание ракеты, которая будет приводиться в движение серией маломощных (1 килотонна) атомных взрывов. Однако способа создать двигатель, способный пережить атомный взрыв, авторы идеи так и не придумали.
Менее экзотической идеей была теория двигателя, работающего на всё том же принципе расширения газа при нагревании. Но только нагреваться газ должен был не за счёт энергии собственного сгорания, а в активной зоне реактора.
Идея оказалась не слишком удачной. Как ни крути, а этот самый газ космический корабль должен был везти на собственном горбу, что по существу проблему не решало.
Правда, был вариант использовать ядерный двигатель этого типа для полётов в атмосфере, где в качестве рабочего тела можно использовать обычный воздух, который никуда везти не надо. Такой «ядерный самолёт» действительно обладал бы почти бесконечным радиусом действия и мог бы находиться в воздухе буквально годами.
Проблема заключалась в том, что, пройдя через топливные сборки реактора, атмосферный воздух становился бы сильно радиоактивным, и «ядерный самолёт» превращался в маленький летающий Чернобыль. К тому же экипаж подвергался солидному облучению: нормальная биологическая защита весит тоже нормально.
Правда, в теории можно было бы охлаждать непосредственно реактор не самим воздухом, а «промежуточной» охлаждающей системой, от которой, в свою очередь, уже нагревалось бы рабочее тело. Но это требовало принципиально большей температуры работы реактора и совсем других материалов для его конструкции. Тогда это было невозможно. Сейчас подобные проекты вроде бы разрабатываются: в России создают ядерную крылатую ракету и ядерную же подводную торпеду.
Однако для космоса проблема с рабочим телом остаётся нерешённой. Впрочем, определённые идеи есть.
Импульс зависит не только от массы выбрасываемого наружу вещества, но и от его скорости. И если разгонять вещество не давлением теплового расширения, а электромагнитными полями, то эта скорость может быть практически какой угодно.
Плазменные и ионные двигатели используют именно этот принцип (сегодня они уже применяются для коррекции орбиты спутников). Рабочее тело им также придётся вести на себе, но масса его оказывается на порядки меньшей.
Правда, для питания электромагнитного ускорителя потребуется значительная энергия. Её-то и планируют получать от ядерного реактора.
В теории связка "электромагнитный двигатель - ядерный реактор" может доставить нас не только на Луну, Марс или Венеру, но и к наиболее удалённым планетам Солнечной системы.
Картинки – эскиз «ядерного буксира», который прямо сейчас собирают в российском КБ «Арсенал».
Единственный (ну, почти) способ добраться из точки А в точку Б в космосе – использовать реактивную тягу: ракета выбрасывает из сопла определённый объём вещества (рабочего тела), и по закону сохранения импульса сама движется в противоположную сторону.
В обычных ракетах выбрасываются продукты сгорания топлива: в двигателе они соединяются с окислителем (чаще всего, кислородом), загораются, расширяются, нагреваются и под собственным давлением выбрасываются наружу, что и создаёт реактивную тягу.
Проблема в том, что такой реактивный двигатель (его ещё называют химическим) потребляет очень много топлива. А ведь везти его космическому кораблю приходится на своём горбу. В итоге полезная масса, которую, к примеру, выводя на околоземную орбиту, составляет проценты от общей массы ракеты на стартовом столе.
Для полёта на Луну требуется ещё больше топлива, а для полёта к Марсу (требующему ещё больших скоростей) – совсем уж несоразмеримое количество. То есть, далеко на химической ракете (в прямом смысле слова) не улетишь. Нужен процесс, обеспечивающий большее выделение энергии на единицу массы топлива. И ядерные реакции на эту роль буквально напрашиваются.
Наиболее сумрачным в этом смысле оказался американский инженерный гений: в США всерьёз обдумывали создание ракеты, которая будет приводиться в движение серией маломощных (1 килотонна) атомных взрывов. Однако способа создать двигатель, способный пережить атомный взрыв, авторы идеи так и не придумали.
Менее экзотической идеей была теория двигателя, работающего на всё том же принципе расширения газа при нагревании. Но только нагреваться газ должен был не за счёт энергии собственного сгорания, а в активной зоне реактора.
Идея оказалась не слишком удачной. Как ни крути, а этот самый газ космический корабль должен был везти на собственном горбу, что по существу проблему не решало.
Правда, был вариант использовать ядерный двигатель этого типа для полётов в атмосфере, где в качестве рабочего тела можно использовать обычный воздух, который никуда везти не надо. Такой «ядерный самолёт» действительно обладал бы почти бесконечным радиусом действия и мог бы находиться в воздухе буквально годами.
Проблема заключалась в том, что, пройдя через топливные сборки реактора, атмосферный воздух становился бы сильно радиоактивным, и «ядерный самолёт» превращался в маленький летающий Чернобыль. К тому же экипаж подвергался солидному облучению: нормальная биологическая защита весит тоже нормально.
Правда, в теории можно было бы охлаждать непосредственно реактор не самим воздухом, а «промежуточной» охлаждающей системой, от которой, в свою очередь, уже нагревалось бы рабочее тело. Но это требовало принципиально большей температуры работы реактора и совсем других материалов для его конструкции. Тогда это было невозможно. Сейчас подобные проекты вроде бы разрабатываются: в России создают ядерную крылатую ракету и ядерную же подводную торпеду.
Однако для космоса проблема с рабочим телом остаётся нерешённой. Впрочем, определённые идеи есть.
Импульс зависит не только от массы выбрасываемого наружу вещества, но и от его скорости. И если разгонять вещество не давлением теплового расширения, а электромагнитными полями, то эта скорость может быть практически какой угодно.
Плазменные и ионные двигатели используют именно этот принцип (сегодня они уже применяются для коррекции орбиты спутников). Рабочее тело им также придётся вести на себе, но масса его оказывается на порядки меньшей.
Правда, для питания электромагнитного ускорителя потребуется значительная энергия. Её-то и планируют получать от ядерного реактора.
В теории связка "электромагнитный двигатель - ядерный реактор" может доставить нас не только на Луну, Марс или Венеру, но и к наиболее удалённым планетам Солнечной системы.
Картинки – эскиз «ядерного буксира», который прямо сейчас собирают в российском КБ «Арсенал».
Так выглядела бы галактика Андромеды, если бы мы обладали более острым зрением. Увы, мы такие, какими есть: даже в самых лучших условиях наблюдения мы можем разглядеть невооружённым глазом лишь наиболее яркий центр этой галактики, видимый как слабое туманное пятнышко чуть выше созвездия Пегаса.
Галактика Андромеда, она же M31 и NGC 224 - ближайшая к нам "настоящая" галактика: до неё от нас "всего-то" 2,5 миллиона световых лет. Ещё ближе расположены Магеллановы Облака (Большой и Малое, 160 и 200 тысяч световых лет, соответственно), но они относятся к карликовым галактикам и считаются спутниками нашей галактики, Млечного Пути.
Как вы, возможно, слышали, галактика Андромеда сближается с нашей галактикой в будущем столкнётся с ней. Как будет выглядеть этот процесс с точки зрения наблюдателя на Земле?
Ответ: никак.
Во-первых, потому что к этому моменту наблюдателей на Земле, скорее всего, не будет. Дело в том, что столкнутся наши галактики примерно через 4,5 миллиарда лет. К тому моменту Земля уже станет непригодной для жизни из-за роста солнечной активности: вероятно, Солнце превратит нашу планету в пустыню (а точнее, в суперпарник) уже примерно через 1,5 миллиарда лет.
Во-вторых, столкновение галактик не приводит, по всей видимости, особенно катастрофическим последствиям в планетарном и звёздном масштабе. В результате такого столкновения, конечно, изменяется распределение газа и областей звездообразования в сталкивающихся галактиках, может измениться и сам тип галактики: считается, что сегодняшние эллиптические галактики - результат множественного столкновения более молодых галактик, в прошлом бывших спиралевидными, как и наша собственная. Даже если изменится траектория движения нашей Солнечной системы по галактике, мы тоже этого, вероятно, не заметим (даже если будет кому замечать).
Однако картин сталкивающихся и взрывающихся при слиянии галактик звёзд, вероятно, не возникает: в реальности звёзды слишком редко разбросаны по галактике для того, чтобы они реально могли сталкиваться.
Худшее, что может произойти с Солнечной системой в результате такого процесса - это попадание в область активного звездообразования, что чревато попаданием в "зону поражения" взрыва мощной сверхновой звезды. Однако если учесть, что мы в принципе говорим о времени, сравнимом с оставшимся временем жизни нашего Солнца, всерьёз заморачиваться этим не стоит: в конце концов, мы, вполне возможно, через такой промежуток времени окажемся по соседству со сверхновой и без всяких галактических столкновений.
Галактика Андромеда, она же M31 и NGC 224 - ближайшая к нам "настоящая" галактика: до неё от нас "всего-то" 2,5 миллиона световых лет. Ещё ближе расположены Магеллановы Облака (Большой и Малое, 160 и 200 тысяч световых лет, соответственно), но они относятся к карликовым галактикам и считаются спутниками нашей галактики, Млечного Пути.
Как вы, возможно, слышали, галактика Андромеда сближается с нашей галактикой в будущем столкнётся с ней. Как будет выглядеть этот процесс с точки зрения наблюдателя на Земле?
Ответ: никак.
Во-первых, потому что к этому моменту наблюдателей на Земле, скорее всего, не будет. Дело в том, что столкнутся наши галактики примерно через 4,5 миллиарда лет. К тому моменту Земля уже станет непригодной для жизни из-за роста солнечной активности: вероятно, Солнце превратит нашу планету в пустыню (а точнее, в суперпарник) уже примерно через 1,5 миллиарда лет.
Во-вторых, столкновение галактик не приводит, по всей видимости, особенно катастрофическим последствиям в планетарном и звёздном масштабе. В результате такого столкновения, конечно, изменяется распределение газа и областей звездообразования в сталкивающихся галактиках, может измениться и сам тип галактики: считается, что сегодняшние эллиптические галактики - результат множественного столкновения более молодых галактик, в прошлом бывших спиралевидными, как и наша собственная. Даже если изменится траектория движения нашей Солнечной системы по галактике, мы тоже этого, вероятно, не заметим (даже если будет кому замечать).
Однако картин сталкивающихся и взрывающихся при слиянии галактик звёзд, вероятно, не возникает: в реальности звёзды слишком редко разбросаны по галактике для того, чтобы они реально могли сталкиваться.
Худшее, что может произойти с Солнечной системой в результате такого процесса - это попадание в область активного звездообразования, что чревато попаданием в "зону поражения" взрыва мощной сверхновой звезды. Однако если учесть, что мы в принципе говорим о времени, сравнимом с оставшимся временем жизни нашего Солнца, всерьёз заморачиваться этим не стоит: в конце концов, мы, вполне возможно, через такой промежуток времени окажемся по соседству со сверхновой и без всяких галактических столкновений.
Самое свеженькое открытие в области астрономии - странные кольцеобразные объекты, видимые лишь в радиодиапазоне (ни в видимом свете, ни в более высокоэнергетических рентгеновском и гамма-диапазонах эти кольца не излучают). Они получили рабочее название орки (от английского Odd Radio Circle, ORC), и мы пока понятия не имеем о том, что они такое.
Сейчас нам известно четыре объекта такого типа. Их наблюдали разные радителескопы в различных частях мира и в разных обстоятельствах, так что это определённо не артефакты самих телескопов. Но их природа остаётся загадкой.
В целом мы видели уже целую кучу объектов подобной формы. Чаще всего они порождаются распространением ударной волны от некоего события - например, взрыва сверхновой, гамма-всплеска или тому подобного явления. Наша Солнечная система, к примеру, сейчас движется через так называемый Местный пузырь: область нашей галактики с пониженной концентрацией космического газа и пыли внутри неё и повышенной - на "стенках" пузыря. Эта область, вероятно, возникла как раз в результате взрыва сверхновой.
Однако ОРКи не похожи на остатки взрывов сверхновых - они вообще ни на что не похожи.
Другой известный феномен сферической формы, планетарные туманности, остающиеся после сбрасывания внешних оболочек красными гигантами, также не подходит: не совпадают спектры излучения.
Так как нам известны всего 4 таких объекта, а их изучением мы занимаемся лишь недавно, мы знаем о них ничтожно мало. Так, все известные ОРКи расположены на существенном удалении от той области на небе, в которой находится диск нашей галактики, что наводит на мысль об их внегалактической природе. Но тогда ОРКи (видимый размер которых на небе составляет порядка 1 угловой минуты) должны иметь поистине колоссальный размер - около миллиона световых лет в диаметре.
Центры двух обнаруженных ОРКов совпадают с центрами удалённых галактик, однако в центре двух остальных, похоже, нет вообще ничего - или, по крайней мере, ничего, что мы могли бы увидеть. То есть, мы пока не можем утверждать, что ОРКи как-то связаны с другими галактиками - вполне возможно, что они всё-таки являются результатом неких внутригалактических эффектов; но каких именно?
Да и вообще, являются ли ОРКи феноменом одного и того же происхождения? Либо же это похоже выглядящие следствия совершенно различных космических событий?
В общем, пока астрономы знают лишь то, что почти ничего не знают. Но они работают над тем, чтобы узнать, и узнают обязательно.
На картинке - изображение одного из ОРКов в радиодиапазоне и его примерная "карта" в компьютерной обработке.
Сейчас нам известно четыре объекта такого типа. Их наблюдали разные радителескопы в различных частях мира и в разных обстоятельствах, так что это определённо не артефакты самих телескопов. Но их природа остаётся загадкой.
В целом мы видели уже целую кучу объектов подобной формы. Чаще всего они порождаются распространением ударной волны от некоего события - например, взрыва сверхновой, гамма-всплеска или тому подобного явления. Наша Солнечная система, к примеру, сейчас движется через так называемый Местный пузырь: область нашей галактики с пониженной концентрацией космического газа и пыли внутри неё и повышенной - на "стенках" пузыря. Эта область, вероятно, возникла как раз в результате взрыва сверхновой.
Однако ОРКи не похожи на остатки взрывов сверхновых - они вообще ни на что не похожи.
Другой известный феномен сферической формы, планетарные туманности, остающиеся после сбрасывания внешних оболочек красными гигантами, также не подходит: не совпадают спектры излучения.
Так как нам известны всего 4 таких объекта, а их изучением мы занимаемся лишь недавно, мы знаем о них ничтожно мало. Так, все известные ОРКи расположены на существенном удалении от той области на небе, в которой находится диск нашей галактики, что наводит на мысль об их внегалактической природе. Но тогда ОРКи (видимый размер которых на небе составляет порядка 1 угловой минуты) должны иметь поистине колоссальный размер - около миллиона световых лет в диаметре.
Центры двух обнаруженных ОРКов совпадают с центрами удалённых галактик, однако в центре двух остальных, похоже, нет вообще ничего - или, по крайней мере, ничего, что мы могли бы увидеть. То есть, мы пока не можем утверждать, что ОРКи как-то связаны с другими галактиками - вполне возможно, что они всё-таки являются результатом неких внутригалактических эффектов; но каких именно?
Да и вообще, являются ли ОРКи феноменом одного и того же происхождения? Либо же это похоже выглядящие следствия совершенно различных космических событий?
В общем, пока астрономы знают лишь то, что почти ничего не знают. Но они работают над тем, чтобы узнать, и узнают обязательно.
На картинке - изображение одного из ОРКов в радиодиапазоне и его примерная "карта" в компьютерной обработке.
Это туманность NGC 6537, также известная как "Красный паук". Она находится на расстоянии примерно в 5000 световых лет от Земли.
NGC 6537 относится к так называемым планетарным туманностям, которые образуются на финальных стадиях звёзд с массами порядка массы нашего Солнца.
Такие звёзды, превратив весь свой водород в гелий, переходят к следующему типу термоядерных реакций: синтезу углерода и кислорода уже из гелия. Эта реакция характеризуется более мощным выделением энергии, из-за чего звезда раздувается - порой так сильно, что внешние слои вещества теряют гравитационную связь с ядром и начинают "выдуваться" из звезды. Именно эти потерянные звёздой внешние оболочки и образуют планетарные туманности, внутри которых в конце жизни звезды остаётся её огарок - белый карлик.
На форму туманности влияет множество факторов: в частности, в данном случае немалую роль сыграло то, что породившая "Красного паука" звёздная система, по всей видимости, является двойной.
А ещё планетарные туманности просто очень красивы!
NGC 6537 относится к так называемым планетарным туманностям, которые образуются на финальных стадиях звёзд с массами порядка массы нашего Солнца.
Такие звёзды, превратив весь свой водород в гелий, переходят к следующему типу термоядерных реакций: синтезу углерода и кислорода уже из гелия. Эта реакция характеризуется более мощным выделением энергии, из-за чего звезда раздувается - порой так сильно, что внешние слои вещества теряют гравитационную связь с ядром и начинают "выдуваться" из звезды. Именно эти потерянные звёздой внешние оболочки и образуют планетарные туманности, внутри которых в конце жизни звезды остаётся её огарок - белый карлик.
На форму туманности влияет множество факторов: в частности, в данном случае немалую роль сыграло то, что породившая "Красного паука" звёздная система, по всей видимости, является двойной.
А ещё планетарные туманности просто очень красивы!
Ещё одна красивейшая планетарная туманность - Песочные часы (MyCn 18).
Она определённо следит за тобой, %username%
Красный цвет порождается свечением возбуждённых излучением атомов водорода. Голубой - результат отражения света горячего белого карлика в центре туманности окружающим его газом и пылью; красный и голубой - два самых часто встречающихся цвета таких туманностей.
Она определённо следит за тобой, %username%
Красный цвет порождается свечением возбуждённых излучением атомов водорода. Голубой - результат отражения света горячего белого карлика в центре туманности окружающим его газом и пылью; красный и голубой - два самых часто встречающихся цвета таких туманностей.
А это - туманность IC 4592, Голубая конская голова (есть ещё просто Конская голова, IC 434, не путайте).
В отличие от предыдущих туманностей, которые мы видели, IC 4592 - не планетарная, а так называемая отражательная. Проще говоря, это такое космическое облако из газа и пыли, светящееся потому, что отражает свет соседних звёзд (в данном случае - группой голубых (спектральный класс В) звёзд, известных под общим названием Ню Скорпиона). Так что такие туманности можно сравнить с обычными земными облаками, когда их подсвечивает заходящее (или восходящее) Солнце.
Голубая конская голова находится на расстоянии 400 световых лет от нас и имеет протяжённость порядка 50 световых лет.
В отличие от предыдущих туманностей, которые мы видели, IC 4592 - не планетарная, а так называемая отражательная. Проще говоря, это такое космическое облако из газа и пыли, светящееся потому, что отражает свет соседних звёзд (в данном случае - группой голубых (спектральный класс В) звёзд, известных под общим названием Ню Скорпиона). Так что такие туманности можно сравнить с обычными земными облаками, когда их подсвечивает заходящее (или восходящее) Солнце.
Голубая конская голова находится на расстоянии 400 световых лет от нас и имеет протяжённость порядка 50 световых лет.
Продолжаем изучать космические туманности.
На фото - туманности Сердце (IC 1805, слева) и Душа (LBN 667, справа). Обе они являются эмиссионными туманностями, свечение которых возникает из-за ионизации атомов водорода светом ближайших звёзд. В отличие от отражательных туманностей, эмиссионные туманности не отражают, а поглощают падающий на них свет. В результате атомы водорода (а любые туманности состоят в основном из водорода) переходят в возбуждённое состояние, а через некоторое время "разряжаются", испуская фотоны на вполне определённых частотах. Из них в видимом диапазоне лучше всего видна так называемая линия H-альфа спектральной серии Бальмера (656 нанометров), соответствующая красному цвету.
Вообще из-за повсеместной распространённости водорода во Вселенной (его в ней около 80 % от всей массы барионной материи) цвет линии H-альфа являтеся самым распространённым в космосе.
На фото - туманности Сердце (IC 1805, слева) и Душа (LBN 667, справа). Обе они являются эмиссионными туманностями, свечение которых возникает из-за ионизации атомов водорода светом ближайших звёзд. В отличие от отражательных туманностей, эмиссионные туманности не отражают, а поглощают падающий на них свет. В результате атомы водорода (а любые туманности состоят в основном из водорода) переходят в возбуждённое состояние, а через некоторое время "разряжаются", испуская фотоны на вполне определённых частотах. Из них в видимом диапазоне лучше всего видна так называемая линия H-альфа спектральной серии Бальмера (656 нанометров), соответствующая красному цвету.
Вообще из-за повсеместной распространённости водорода во Вселенной (его в ней около 80 % от всей массы барионной материи) цвет линии H-альфа являтеся самым распространённым в космосе.
Завершая тему туманностей, расскажем о самой, пожалуй, знаменитой туманности - туманности Конская голова (IC 434, Barnard 3, не путать с туманностью Голубая конская голова, IC 4592).
IC 434 относится к числу так называемых тёмных, или поглощательных туманностей: крайне плотных (по космическим меркам) скоплений межзвёздного газа и пыли, поглощающих падающий на них свет. Обычно тёмные туманности видны на фоне других звёзд или (чаще) эмиссионных или отражательных туманностей как более тёмные объекты. Конская голова не исключение: она хорошо видна на фоне красноватого свечения водорода эмиссионной туманности Ориона, возбуждённого мощным излучением голубого сверхгиганта Дзета Ориона.
Благодаря высокой плотности вещества, в поглощательных туманностях могут создаваться подходящие условия для формирования новых звёзд. Кто знает, возможно, внутри Конской головы уже формируются светила, которые будут сиять на нашем небе через миллиарды лет?
IC 434 относится к числу так называемых тёмных, или поглощательных туманностей: крайне плотных (по космическим меркам) скоплений межзвёздного газа и пыли, поглощающих падающий на них свет. Обычно тёмные туманности видны на фоне других звёзд или (чаще) эмиссионных или отражательных туманностей как более тёмные объекты. Конская голова не исключение: она хорошо видна на фоне красноватого свечения водорода эмиссионной туманности Ориона, возбуждённого мощным излучением голубого сверхгиганта Дзета Ориона.
Благодаря высокой плотности вещества, в поглощательных туманностях могут создаваться подходящие условия для формирования новых звёзд. Кто знает, возможно, внутри Конской головы уже формируются светила, которые будут сиять на нашем небе через миллиарды лет?
👍2
В 2020 году целый ряд компаний заявили о готовности начать производство атомных батареек - новых источников электрического тока, отличающихся сверхдлительным (десятки, сотни, а то и тысячи лет сроком службы).
Атомные батарейки используют так называемый бета-вольтаический эффект, возникающий при взаимодействии бета-частиц (проще говоря, выделяющихся в результате некоторых ядерных реакций высокоэнергетических электронов) с полупроводниками. В этом смысле бета-вольтаические элементы отчасти похожи на солнечные батареи, но только там источником энергии является взаимодействие батарей с фотонами, а здесь - с электронами.
В настоящее время существуют два наиболее известных проекта создания атомных батареек. Первый - разработка российского МИСиС. В качестве "топлива" используется не встречающийся в природе изотоп Никель-63, отличительной особенностью которого является мощное бета-излучение при практически полном отсутствии других видов излучения: в частности, альфа и гамма-частиц. Бета-излучение обладает низкой проникающей способностью, потому полностью останется в пределах атомной батарейки, что делает безопасной в плане радиоактивного загрязнения.
Второй - так называемая алмазная батарейка разработки Университета Бристоля, выпускать которую планирует стартап NDB. В качестве источника энергии используется изотоп Углерод-14, также являющийся почти чистым бета-источником. Углерод получают из выработанных стержней-замедлителей атомных станций и с помощью специальных манипуляций придают ему форму кристалла алмаза.
По мощности атомные батарейки будут, вероятно, даже слабее обычных пальчиковых, однако долгий срок службы позволит применять их там, где частая смена элементов питания невозможна или затруднительна: в имплантах, системах космической связи, навигационных буях, расположенных в открытом море и так далее. К тому же стоимость таких батареек будет ощутимой: к примеру, российская разработка обойдётся примерно в 1-1,5 тысячи долларов США.
Атомные батарейки используют так называемый бета-вольтаический эффект, возникающий при взаимодействии бета-частиц (проще говоря, выделяющихся в результате некоторых ядерных реакций высокоэнергетических электронов) с полупроводниками. В этом смысле бета-вольтаические элементы отчасти похожи на солнечные батареи, но только там источником энергии является взаимодействие батарей с фотонами, а здесь - с электронами.
В настоящее время существуют два наиболее известных проекта создания атомных батареек. Первый - разработка российского МИСиС. В качестве "топлива" используется не встречающийся в природе изотоп Никель-63, отличительной особенностью которого является мощное бета-излучение при практически полном отсутствии других видов излучения: в частности, альфа и гамма-частиц. Бета-излучение обладает низкой проникающей способностью, потому полностью останется в пределах атомной батарейки, что делает безопасной в плане радиоактивного загрязнения.
Второй - так называемая алмазная батарейка разработки Университета Бристоля, выпускать которую планирует стартап NDB. В качестве источника энергии используется изотоп Углерод-14, также являющийся почти чистым бета-источником. Углерод получают из выработанных стержней-замедлителей атомных станций и с помощью специальных манипуляций придают ему форму кристалла алмаза.
По мощности атомные батарейки будут, вероятно, даже слабее обычных пальчиковых, однако долгий срок службы позволит применять их там, где частая смена элементов питания невозможна или затруднительна: в имплантах, системах космической связи, навигационных буях, расположенных в открытом море и так далее. К тому же стоимость таких батареек будет ощутимой: к примеру, российская разработка обойдётся примерно в 1-1,5 тысячи долларов США.
👍1
Акустическая левитация – явление «парящего» равновесия объектов, помещаемых между источником звука и отражателем (например, стенкой) или (чаще) двумя направленными друг на друга источниками звука равной частоты. Выглядит круто и загадочно, хотя физика явления довольно проста.
Как известно, звук – это колебания частиц воздуха, а звуковая волна – это распространение в пространстве таких колебаний. Чем громче звук – тем сильнее колеблются молекулы воздуха и тем сильнее изменяется давление в точке, через которую сейчас проходит звуковая волна.
Если же пустить навстречу друг другу две звуковые волны равной частоты (высоты звука) и амплитуды (громкости), то они провзаимодействуют (интерферируют) с образованием так называемой стоячей волны. Она называется стоячей потому, что в ней возникает определённая конфигурация колебаний молекул воздуха: в одних точках, именуемых узлами, колебания почти отсутствуют (и звук там практически не слышен), в других же, называемых пучностями, они, напротив, усиливаются по сравнению с «оригинальной» волной.
При этом узлы и пучности стоячей волны никуда не смещаются в пространстве, оставаясь в одном и том же месте – в нашем случае, на одном и том же расстоянии от динамиков. Происходит, во-первых, перераспределение энергии звуковой волны в пространстве, а, во-вторых, её «вмораживание» в это самое пространство.
Но теперь вспомним школьную физику: чем быстрее движется некая жидкость или газ, тем меньше его давление (закон Бернулли). Применяя закон Бернулли к нашей ситуации, мы можем прийти к выводу, что в узлах стоячей звуковой волны, где частицы почти неподвижны (не учитывая, конечно, естественного теплового движения, но его, таки да, можно не учитывать) давление должно быть больше, чем в пучностях, где частицы быстро колеблются туда-сюда.
Именно это избыточное давление воздуха в узлах создаёт своеобразную подушку, на которой могут лежать лёгкие тела. Правда, размеры этих тел должны быть к тому же меньше длины звуковой волны (иначе эти объекты помешают формированию стоячей волны и "подушек давления").
Последнее ограничение вроде бы научились обходить, используя вместо пары звуковых излучателей (динамиков) более сложные системы. Благодаря этому аккустическая левитация, возможно, найдёт практическое применение. Например, «аккустические подвесы» могут использоваться в электронике, медицине (например, безконтактные хирургические аккустические пинцеты), инженерии (т.н. капельная 3d-печать) и других областях.
Видеоиллюстрация взята с отличного канала с физическими опытами GetAClass
Как известно, звук – это колебания частиц воздуха, а звуковая волна – это распространение в пространстве таких колебаний. Чем громче звук – тем сильнее колеблются молекулы воздуха и тем сильнее изменяется давление в точке, через которую сейчас проходит звуковая волна.
Если же пустить навстречу друг другу две звуковые волны равной частоты (высоты звука) и амплитуды (громкости), то они провзаимодействуют (интерферируют) с образованием так называемой стоячей волны. Она называется стоячей потому, что в ней возникает определённая конфигурация колебаний молекул воздуха: в одних точках, именуемых узлами, колебания почти отсутствуют (и звук там практически не слышен), в других же, называемых пучностями, они, напротив, усиливаются по сравнению с «оригинальной» волной.
При этом узлы и пучности стоячей волны никуда не смещаются в пространстве, оставаясь в одном и том же месте – в нашем случае, на одном и том же расстоянии от динамиков. Происходит, во-первых, перераспределение энергии звуковой волны в пространстве, а, во-вторых, её «вмораживание» в это самое пространство.
Но теперь вспомним школьную физику: чем быстрее движется некая жидкость или газ, тем меньше его давление (закон Бернулли). Применяя закон Бернулли к нашей ситуации, мы можем прийти к выводу, что в узлах стоячей звуковой волны, где частицы почти неподвижны (не учитывая, конечно, естественного теплового движения, но его, таки да, можно не учитывать) давление должно быть больше, чем в пучностях, где частицы быстро колеблются туда-сюда.
Именно это избыточное давление воздуха в узлах создаёт своеобразную подушку, на которой могут лежать лёгкие тела. Правда, размеры этих тел должны быть к тому же меньше длины звуковой волны (иначе эти объекты помешают формированию стоячей волны и "подушек давления").
Последнее ограничение вроде бы научились обходить, используя вместо пары звуковых излучателей (динамиков) более сложные системы. Благодаря этому аккустическая левитация, возможно, найдёт практическое применение. Например, «аккустические подвесы» могут использоваться в электронике, медицине (например, безконтактные хирургические аккустические пинцеты), инженерии (т.н. капельная 3d-печать) и других областях.
Видеоиллюстрация взята с отличного канала с физическими опытами GetAClass
Довольно пожилая уже задача "Вправо или влево" о двух шариках в двух стаканах на чашках весов продолжает занимать умы и сердца пользователей социальных сетей: совсем недавно автор этих строк наткнулся на неё в одном из пабликов и с удивлением обнаружил, что число правильных и неправильных ответов на вопрос о том, в какую сторону отклонятся весы, оказалось почти строго равным.
Проще говоря, половина пользователей дали неправильный ответ – примерно такая же ситуация наблюдалась бы, если бы люди просто тыкали в один из вариантов ответа наугад.
И это, безусловно, печально, потому что задачка элементарная и даже не дотягивает до уровня школьной олимпиады по физике. Достаточно сесть и аккуратно подсчитать все действующие силы – и правильный ответ получится сам собой. Увы, многие предпочитают искать ответ «из общих соображений», «на пальцах», пользуясь некоей физической эрудицией – и ошибаются.
Итак, для начала важно понять, что сила, действующая на левую чашку весов (ту, в которой шарик для пинг-понга) строго равна сумме собственных весов стакана, воды в стакане и весу шарика, массой которого можно пренебречь по сравнению с массой воды и стакана. Нитки и всё остальное в задаче нужны лишь для отвлечения внимания: все они находятся внутри системы (стакана) и не могут повлиять на процесс взвешивания, который является внешним для этой системы. Позже мы покажем это более строго, а пока перейдём к стакану с тяжёлым шариком.
Здесь тоже нужно действовать формально, например, подсчитать силы, действующие на шарик. Очевидно, что это сила тяжести (действует вниз), сила натяжения нити (действует вверх) и архимедова сила со стороны воды, в которую погружён шарик (действует вверх). При этом очевидно, что сумма силы натяжения нити и силы Архмеда равна силе тяжести.
И здесь мы вспоминаем третий закон Ньютона, который гласит, что если на тело действует некая сила, то оно само тоже воздействует на источник с той же силой, но направленной в обратном направлении. В нашем случае, если вода выталкивает шарик вверх (хотя и не может его вытолкнуть, потому что он слишком тяжёлый: "недостачу" силы компенсирует нить подвеса), то и шарик давит на воду, причём с той же силой и в обратном направлении, то есть вниз.
Иными словами, за счёт этой «обращённой силы Архимеда» вода в стакане получит дополнительный вес, который и сместит весы вправо, в сторону чашки с тяжёлым шариком. И произошло это потому, что система перестала быть замкнутой: наличие штатива, к которому прикреплена нить, «размыкает» её и делает процессы внутри стакана способными влиять на внешние процессы.
При этом понятно, что «обращённая сила Архимеда» равна самой силе Архимеда, то есть весу воды в объёме шарика.
Но ведь, скажет внимательный читатель, точно такая же сила присутствует и в правом стакане с шариком для пинг-понга. Да, присутствует. Но там на дно стакана, помимо «честного» веса воды и «анти-архимедовой» прибавки, также действует сила натяжения нити, которая, снова-таки, равна действующей на шарик архимедовой силе. Две последние компоненты уравнивают друг друга, остаётся только чистый вес воды и стакана (ну и плюс чистый вес шарика, хотя им и можно пренебречь).
Ну и на закуску – видео эксперимента, который доказывает, что на самом деле всё действительно происходит именно так.👇
Проще говоря, половина пользователей дали неправильный ответ – примерно такая же ситуация наблюдалась бы, если бы люди просто тыкали в один из вариантов ответа наугад.
И это, безусловно, печально, потому что задачка элементарная и даже не дотягивает до уровня школьной олимпиады по физике. Достаточно сесть и аккуратно подсчитать все действующие силы – и правильный ответ получится сам собой. Увы, многие предпочитают искать ответ «из общих соображений», «на пальцах», пользуясь некоей физической эрудицией – и ошибаются.
Итак, для начала важно понять, что сила, действующая на левую чашку весов (ту, в которой шарик для пинг-понга) строго равна сумме собственных весов стакана, воды в стакане и весу шарика, массой которого можно пренебречь по сравнению с массой воды и стакана. Нитки и всё остальное в задаче нужны лишь для отвлечения внимания: все они находятся внутри системы (стакана) и не могут повлиять на процесс взвешивания, который является внешним для этой системы. Позже мы покажем это более строго, а пока перейдём к стакану с тяжёлым шариком.
Здесь тоже нужно действовать формально, например, подсчитать силы, действующие на шарик. Очевидно, что это сила тяжести (действует вниз), сила натяжения нити (действует вверх) и архимедова сила со стороны воды, в которую погружён шарик (действует вверх). При этом очевидно, что сумма силы натяжения нити и силы Архмеда равна силе тяжести.
И здесь мы вспоминаем третий закон Ньютона, который гласит, что если на тело действует некая сила, то оно само тоже воздействует на источник с той же силой, но направленной в обратном направлении. В нашем случае, если вода выталкивает шарик вверх (хотя и не может его вытолкнуть, потому что он слишком тяжёлый: "недостачу" силы компенсирует нить подвеса), то и шарик давит на воду, причём с той же силой и в обратном направлении, то есть вниз.
Иными словами, за счёт этой «обращённой силы Архимеда» вода в стакане получит дополнительный вес, который и сместит весы вправо, в сторону чашки с тяжёлым шариком. И произошло это потому, что система перестала быть замкнутой: наличие штатива, к которому прикреплена нить, «размыкает» её и делает процессы внутри стакана способными влиять на внешние процессы.
При этом понятно, что «обращённая сила Архимеда» равна самой силе Архимеда, то есть весу воды в объёме шарика.
Но ведь, скажет внимательный читатель, точно такая же сила присутствует и в правом стакане с шариком для пинг-понга. Да, присутствует. Но там на дно стакана, помимо «честного» веса воды и «анти-архимедовой» прибавки, также действует сила натяжения нити, которая, снова-таки, равна действующей на шарик архимедовой силе. Две последние компоненты уравнивают друг друга, остаётся только чистый вес воды и стакана (ну и плюс чистый вес шарика, хотя им и можно пренебречь).
Ну и на закуску – видео эксперимента, который доказывает, что на самом деле всё действительно происходит именно так.👇
❤1