PASAULES UZBŪVE

PASAULES UZBŪVE

6.1. Elementardaļiņas

6.2. Fundamentalas mijiedarbibas

6.3. Klasiskas mehanikas lietošanas robetas

6.4. Visums, ta struktūra un evolūcija

6.4.1. Saules sistēma

6.4.2. Zvaigznes

6.4.3. Galaktikas

6.4.4. Visuma evolūcija

6.1. Elementardaļiņas

20. gadsimta trisdesmitajos gados bija atklatas piecas elementardaļiņas – protons, neitrons, elektrons, pozitrons un fotons, ar kuram tolaik varēja pietiekami izskaidrot daudzas fizikalas paradibas. Mūsdienas ir atklatas vēl daudzas elementardaļiņas un izpētits, ka tam ir saretģita struktūra, t.i., tas sastav no citam daļiņam vai ari parvēršas par tam.

Elementardaļiņas – daļiņas, kas nav atomi vai atomu kodoli un nesastav no tiem (izņēmums ir ūdeņrata atoma kodols).

Fundamentalas daļiņas – elementardaļiņas, kuram nav atklata iekšējas struktūras esamiba.

Attēli 1 , 2un 3 mazi, pēc klikšķa tie palielinas.

Atoma uzbūve  Daļiņu salidzinošie izmēri atoma

Fundamentalo daļiņu iedalijums

Fundamentalo daļiņu raksturlielumi (atsevišķi ši tabula neparadas) interaktivi, varētu būt ta, ka uzspietot 3. attēla uz attiecigo daļiņas pogu, paradas attiecigas daļiņas raksturlielumi no tabulas.

Elektrona ladiņš e = 1,6 10^–19 C un protona masa m_p = 1,67 10^–27 kg.

6.2. Fundamentalas mijiedarbibas

Paradibas un procesus, kuri norisinas ar elementardaļiņam un ir pamata visam paradibam, kas notiek Visuma, nosaka četri fundamentalas mijiedarbibas veidi:

• stipra mijiedarbiba;
• elektromagnētiska mijiedarbiba;
• vaja mijiedarbiba;
• gravitacijas mijiedarbiba.

Stipra mijiedarbiba ( saite uz 4. attēla daļu Strong)

• saista protonus un neitronus atoma kodola un nosaka kodolspēkus;
• nav atkariga no elementardaļiņu elektriska ladiņa.

Elektromagnētiska mijiedarbiba( saite uz 4. attēla daļu Elektromagnetic)

o       saista atomu kodolus un elektronus atomos, atomus molekulas, atomus un molekulas kristalos un šķidrumos utt.;

o       piemit visam elektriski ladētam daļiņam.

Vaja mijiedarbiba( saite uz 4. attēla daļu Weak)

• nerada saistitus daļiņu stavokļus;
• izpautas elementardaļiņam procesos ar neitrino piedališanos, kas izraisa tadus radioaktivas sabrukšanas procesus, piemēram, beta sabrukšanu.

Gravitacijas mijiedarbiba( saite uz 4. attēla daļu gravitation)

• pakļaujas visas elementardaļiņas, kuram ir masa.

6.3. Klasiskas mehanikas lietošanas robetas

Ja daļiņas kustas ar atrumu, kas ir salidzinams ar gaismas atrumu, tad jaņem vēra speciala relativitates teorija. Speciala relativitates teorija inercialas atskaites sistēmas apraksta ķermeņu un elementardaļiņu kustibu, kuram ir liels atrums.

Specialas relativitates teorijas pamata ir divi principi.

1. Gaismas atrums vakuuma c ir vienads visas inercialajas atskaites sistēmas (c ≈ 3 10⁸ m/s);

2. Relativitates princips: visi procesi daba norisinas vienadi visas inercialajas atskaites sistēmas.

Secinajumi no specialas relativitates teorijas principiem.

• Gaismas atrums vakuuma ir vislielakais signala izplatišanas atrums daba, t.i., maksimali iespējamais mijiedarbibas parnešanas atrums.
• Garums un laiks ir relativi ( saite uz modeli Nr.8).
• Ķermeņa masa ir atkariga no ta atruma.

Attaluma, laika un masas relativitate

Jebkuram ķermenim, kuram ir masa m, atbilst enerģija E. Einšteina formula izsaka sakaribu starp pilno enerģiju un pilno masu:

E = mc²

kur c – gaismas atrums vakuuma (c = 3 10⁸ m/s).

Katrai enerģijas izmaiņai jebkura procesa atbilst noteikta masas izmaiņa:

DE = Dmc²_.

Ievērojamas masas izmaiņas būs novērojamas, ja notiks ļoti lielas enerģijas izmaiņas. Piemēram, Saule viena sekundē izstaro 3,8 10²⁶ J enerģiju, vienlaikus Saule zaudē 4 10⁹ kg masas. Liela enerģija izdalas kodolreakcijas un elementardaļiņu parvērtibas. Atbilstigas masas izmaiņas ir samēra lielas un tas var izmērit.

6.4. Visums, ta struktūra un evolūcija

6.4.1. Saules sistēma

Saule

Saule ir zvaigzne. Ta ir Saules sistēmas centralais un lielakais ķermenis. Taja koncentrēti 99,9 % Saules sistēmas masas. Planētas un parējie debess ķermeņi veido atlikušo vienu tūkstošdaļu masas.

Saules enerģijas avots ir kodoltermiskas reakcijas, kuras ūdeņradis parvēršas hēlija un atbrivojas milzigs enerģijas daudzums. Gazes spiediens cenšas Sauli izplest, taču Saule saglaba lidzsvaru, jo gravitacijas spēki, savukart cenšas Sauli saspiest. Saule izstaro galvenokart gaismu, siltumu un ultravioleto starojumu, nedaudz ari radioviļņus, rentgenstarojumu un gamma starojumu.

Merkurs

Merkurs – mazaka Saules sistēmas planēta. Saulei tuvaka planēta.

Merkuram praktiski nav atmosfēras, kas diena uzkrato siltumu nakts laika pasargatu no aizplūšanas kosmiskaja telpa. Diena planētas virsma sasilst lidz + 430 ^oC, bet nakti atdziest lidz – 180 ^oC.

Venēra

Venēra – karstaka planēta Saules sistēma. Temperatūra uz tas virsmas sasniedz + 470 ^oC.

Venēras bliva atmosfēra sastav galvenokart no oglekļa dioksida, bet Venēras makoņi -- no sērskabes pilieniņiem. Bliva atmosfēra rada augstu atmosfēras spiedienu. Uz Venēras virsmas spiediens ir tikpat liels, cik uz Zemes okeana 900 m dziļuma. Venēra ir Zemei tuvaka planēta. Ta var pietuvoties Zemei lidz 39 milj. kilometru attalumam.

Zeme

Zeme – vieniga no Saules sistēmas planētam, uz kuras ir daudz ūdens. Tas klaj vairak ka 2/3 Zemes virsmas.

Zemei ir vidēji bliva un samēra caurspidiga atmosfēra, kas sastav galvenokart no slapekļa un skabekļa. Zeme ir unikala planēta ar to, ka uz tas pastav dziviba. Vidēja temperatūra uz Zemeslodes ir + 22 ^oC. Zemei ir viens dabiskais pavadonis – Mēness.

Marss

Marss – Zemei lidzigaka planēta.

Marsam ir caurspidiga, retinata atmosfēra, kas sastav galvenokart no oglekļa dioksida. Atmosfēras spiediens uz Marsa virsmas ir tads, kads ir uz Zemes 40 km augstuma. Planētas polus klaj polu cepures, kas sastav no ledus un sasaluša oglekļa dioksida. Vidēja temperatūra uz Marsa ir – 60 ^oC. Uz Marsa atrodas lielakais zinamais kalns Saules sistēma – Olimps (augstums 26 km, pakajes diametrs 600 km).

Jupiters

Jupiters – Saules sistēmas lielaka planēta. Jupitera tilpuma varētu ievietot 1000 Zemeslodes.

Jupiteram ir bieza un bliva atmosfēra. Jupiteram nav cietas virsmas. Ši milzu planēta pēc ķimiska sastava ir lidziga zvaigznēm. Ta sastav galvenokart no hēlija un ūdeņrata. Jupiteram ir plans un caurspidigs gredzens. Temperatūra uz Jupitera makoņu segas limeni ir –130 ^oC. Viens no Jupitera pavadoņiem – Ganimēds ir vislielakais pavadonis Saules sistēma. Tas ir lielaks par Merkuru.

Saturns

Otra lielaka Saules sistēmas planēta. Citu planētu vidū izceļ izteiktais gredzens.

Pēc fizikalajam ipašibam Saturns ir lidzigs Jupiteram. Temperatūra makoņu segas augšēja limeni ir –175 ^oC. Saturna gredzens sastav no tūkstošiem atsevišķu gredzentiņu, kas izkartoti vairakas joslas. Tos veido datada lieluma ledus gabali. Gredzens ir ļoti plats (pa to varētu ripinat četras blakus noliktas zemeslodes), bet ļoti plans. Saturna pavadonis Titans ir vienigais pavadonis Saules sistēma, kam ir bliva atmosfēra.

Urans

Uranam ir neparasti izvietota rotacijas ass – ta ir gandriz horizontala, tapēc planēta it ka „veļas” pa orbitu.

Urana makoņu sega ir zilganzaļa krasa, jo tas sastava ir metans. Temperatūra makoņu limeni ir –210 ^oC.

Neptūns

Neptūns – talaka no Saules sistēmas planētam.

Neptūns pēc fizikalajam ipašibam ir visai lidzigs Uranam. Temperatūra makoņu segas limeni ir –215 ^oC. Viens no Neptūna pavadoņiem – Tritons riņķo ap planētu pretēji tas rotacijas virzienam.

Parējie Saules sistēmas objekti

Saules sistēma vēl ietilpst pundurplanētas un Saules sistēmas mazie ķermeņi.

Pundurplanētas – objekti, kas ir pietiekami lieli, lai gravitacijas dēļ, tiem izveidotos apaļa forma, bet tie nav spējuši attirit savas orbitas apkaimi. Saules sistēmas pundurplanētas ir Plutons, Cerera un Ksena.

Saules sistēmas mazie ķermeņi, kuriem ir neregulara forma – asteroidi un komētas.

6.4.2. Zvaigznes

Zvaigznes ir milzigas kvēlojošas gazu lodes. Izpētot ļoti daudz zvaigtņu, astronomi atklaja likumsakaribas, kas saista galvenos zvaigtņu raksturlielumus. Ja uzzimē grafiku, kura uz horizontalas ass atliek zvaigtņu spektra klases vai temperatūru, bet uz vertikalas ass – zvaigtņu absolūto spotumu vai starjaudu, tad iegūst spektra – starjaudas jeb Hercšprunga–Rasela (H–R) diagrammu.

Maza bilde, kurai uzklikšķinot ta paliek liela.

Astronomija H–R diagrammai ir tada pati nozime ka elementu periodiskajai sistēmai ķimija vai sugu klasifikacijai bioloģija. Ta atspoguļo fundamentalas zvaigtņu uzbūves likumsakaribas. Zvaigznes atrašanas vieta diagramma mainas zvaigznes evolūcijas procesa ( saite uz animaciju Nr. 14)

Zvaigznes veidojas no starpzvaigtņu vides makoņiem, tiem pakapeniski saspietoties. Makoņi sastav no 70 % ūdeņrata, 28 % hēlija un 2 % citu ķimisko elementu. Makoņu temperatūra ir ļoti zema – 10 30 K, bet masa nav mazaka par 1000 Saules masam. Zvaigtņu evolūcijas stadijas var iedalit šadi: protozvaigzne, galvenas secibas zvaigznes un zvaigznes, kas neatrodas uz galvenas secibas.

Protozvaigzne

Starpzvaigtņu vides makonim kļūstot blivakam, pievilkšanas spēks starp daļiņam palielinas, makonis sadalas fragmentos, kas talak saspietas katrs atsevišķi. Makoņa centrala daļa, kura blivums ir lielaks, saspietas straujak, izveidojot kodolu. Saspietoties izdalitais siltuma daudzums pakapeniski palielina kodola temperatūru. Kad temperatūra zvaigznes centra sasniedz 10 000 000 K, sakas kodolreakcijas. Gazes spiediens paaugstinas, protozvaigznes saspiešanas apstajas, un ta kļūst par zvaigzni.

Galvenas secibas zvaigznes

Zvaigznes pakapeniski sadedzina ūdeņrata krajumus, bet hēlija daudzums palielinas. Zvaigznes evolūcijas atrums ir atkarigs no tas masas. Jo lielaka masa, jo evolūcija noris straujak.

Visu to laiku, ko zvaigzne pavada uz galvenas secibas, ta atrodas lidzsvara: gravitacijas spēku, kas tiecas zvaigzni saspiest, lidzsvaro gazes spiediena spēks.

Zvaigtņu evolūcijas pēdējas stadijas

Kad ūdeņrata krajumi zvaigznes kodola ir praktiski iztērēti, kodolreakcijas kodola apstajas. Ūdeņrata degšana turpinas slani ap to. No hēlija sastavošais kodols saspietas un kļūst karstaks, ta rezultata ūdeņrata degšana paatrinas. Lai pieaugošo enerģijas daudzumu aizvaditu uz arpusi, zvaigznes apvalks izplešas, bet zvaigznes virsmas temperatūra paaugstinas. Zvaigzne kļūst par sarkano milzi. Kad temperatūra zvaigznes kodola parsniedz 150 miljonus kelvinu, sakas kodolreakcijas, kuras hēlijs parvēršas oglekli. Turpmaka zvaigznes evolūcija ir atkariga no kodola masas ( saite uz 20. attēlu)

Virtuala laboratorija interneta, kur iespējams parbaudit savas zinašanas par zvaigtņu evolūciju:

https://aspire.cosmic-ray.org/labs/star_life/hr_app.html

Saules evolūcijas gaitu H – R diagramma.

Attalumi starp zvaigznēm ir tik lieli, ka parasti tos nemēra metros vai kilometros, bet šadas garuma mērvienibas:

• astronomiska vieniba ( saite uz 22. attēlu)– vidējais attalums no Zemes lidz Saulei: 1 UA = 149,6 10⁶ km;
• gaismas gads – attalums, ko gaisma veic viena gada laika: 1 ly = 63240 UA 10¹⁰ km;
• parseks ( saite uz 22. attēlu)– attalums, no kada Zemes orbitas radiuss ir redzams 1`` liela leņķi: 1 pc = 3,262 ly =3,086 10¹³ km.

6.4.3. Galaktikas

Galaktikas – gigantiskas zvaigtņu sistēmas.

Ja būtu iespējams paskatities uz mūsu Galaktiku ( saite uz 23. attēlu) no malas, ta izskatitos ka plans disks ar biezaku centralo sablivējumu.

Piena Ceļa galaktika ( saite uz 24. attēlu ir spiralveida galaktika, kuras diametrs ir 100 tūkstoši gaismas gadu jeb 30 tūkstoši parseku. Saules sistēma kopa ar Sauli atrodas Galaktikas nomalē 10 kiloparseku attaluma no centra t.s. Oriona spiralzara. Visas ar neapbruņotu aci redzamas zvaigznes pieder šim spiralzaram.

Galaktika ietilpst ne vien zvaigznes, bet ari veselas zvaigtņu kopas. Zvaigtņu kopas ir vaļējas (saite uz 25.attēlu) un lodveida (saite uz 25.attēlu)

Paskaidrojums paradas kopa ar attēlu.

Vaļējas zvaigtņu kopas sastav no jaunam zvaigznēm, kas nesen izveidojušas. Šis kopas nav lielas, tajas ir no simts lidz tūkstoš zvaigznēm.

Paskaidrojums paradas kopa ar attēlu Lodveida zvaigtņu kopas sastav no vecam zvaigznēm. Tajas ietilpst no vairakiem simtiem tūkstošu lidz vairakiem miljoniem zvaigtņu.

Telpa starp zvaigznēm nav pilnigi tukša. To aizpilda ļoti retinata gazu un putekļu vide. Visvairak taja ir ūdeņrata, hēlija atomu un pavisam nedaudz skabekļa, oglekļa, neona, sēra, argona, silicija un dzelzs atomu. Kosmiskaja telpa atklati ne tikai atomi, bet ari datadas molekulas.

Galaktikas atrodas talu cita no citas. Zemei tuvaka galaktika – Andromedas miglajs atrodas 2,3 miljonu gaismas gadu attaluma. Atsevišķas galaktikas Visuma ir sastopamas reti. Lielaka daļa galaktiku veido galaktiku grupas un galaktiku kopas. Mūsu Galaktika ietilpst galaktiku grupa, ko sauc par Lokalo grupu.

Visuma struktūru datados attalumos no Saules var redzēt interneta pēc adreses:

https://www.atlasoftheuniverse.com/

Ar mūsdienu teleskopiem iespējams ieskatities Visuma aptuveni lidz gaismas gadu attalumam. Jaņem vēra, ka lidz ar to mēs varam redzēt to, kads izskatijas Visums pirms 10 mljrd. gadu. 1929. gada amerikaņu astrofiziķis E.Habls, pētot talo galaktiku spektrus, atklaja, ka galaktikas attalinas (saite uz 28.attēlu) cita no citas. Galaktiku savstarpējas attalinašanas atrums:

u = HD, kur

D – attalums lidz galaktikai;

H – Habla konstante (H = 75 ).

6.4.4. Visuma evolūcija

Ja Visums izplešas, tad var secinat, ka kadreiz tas bijis ļoti mazs un visas tas daļas atradušas cieši kopa. No mūsdienu teorijam izriet, ka Visums radies Lielaja Spradziena aptuveni pirms 1015 miljardiem gadu. Precizs Visuma vecums nav zinams, jo precizi nav zinams Visuma izplešanas atrums.

Maza bilde, kurai uzklikšķinot, ta kļūst liela. Nepieciešams latviskot.

Visuma evolūcija

Visuma nakotne ir atkariga no ta, vai Visums turpinas izplesties vai saks sarauties. Lai noteiktu, ka Visuma izplešanas turpinasies nakotnē, jazina Visuma vidējais blivums.

1. Ja vidējais blivums būs pietiekami liels, tad gravitacijas spēks apstadinas izplešanos un Visums saks sarauties. Visuma blivums un temperatūra saks pieaugt un attalums starp galaktikam samazinasies, lidz Visums sarausies gandriz viena punkta ar milzigu blivumu, lidzigi ka tas bija Liela Spradziena bridi. Iespējams, ka ar to Visuma pastavēšana beigsies, bet varbūt saksies jauns izplešanas cikls, kura Visuma ipašibas būs citadas.

2. Ja blivums būs vienads ar kritisko blivumu, tad izplešanas kļūs arvien lēnaka, lidz pēc bezgaliga laika apstasies.

3. Ja blivums būs mazaks par kritisko, tad izplešanas turpinasies vienmēr. Pēc vairakiem simtiem miljardu gadu visas zvaigznes parvērtisies baltajos punduros, neitronu zvaigznēs vai melnajos caurumos. Zvaigznes lēni atdzisis, parvēršoties ķermeņos, kas neko neizstaro. Temperatūra izlidzinasies un kļūs ļoti zema.

Fizika joprojam ir virzieni, kuros tiek veikti pētijumi, izstradatas teorijas, kas joprojam visu vēl nevar izskaidrot. Par daļu no neatrisinatiem jautajumiem var lasit interneta:

https://www.particleadventure.org/frameless/beyond_start.html

https://www.thebigview.com/spacetime/questions.html