III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ОТ АТОМА К МАСШТАБАМ ВСЕЛЕННОЙ
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Цель проекта:
Исследовать историю научных открытий в области микромира (строения вещества) и макромира (Вселенной).
Задачи проекта:
Используя доступные источники информации изучить теорию вопроса, выяснить хронологию открытий в познании строения вещества, а также в методах исследования ближнего и дальнего космоса, обобщить и систематизировать материал, отразить экологические аспекты научных открытий, отразить значение открытий для будующих поколений, подготовить наглядную презентацию.
Область исследования:
Мир молекул и атомов и Вселенная как единое целое.
Предмет исследования:
История научных открытий в познании строения вещества, история открытий методов исследования космоса.
Методы исследования:
Изучение литературы по теме, отбор и систематизация материала, обобщение и выводы.
Актуальность проекта:
Тема проекта является очень актуальной с точки зрения современности, так как охватывает огромный временной пласт развития человеческой мысли и её технического воплощения сегодня, заставляет задуматься о месте человека в природе.
Проектный продукт:
Исследовательская работа, видеопрезентация.
Методические рекомендации:
Данный проект может быть использован в качестве учебного пособия на уроках физики и естествознания соответствующей тематики, на занятиях кружков и секций естественнонаучной направленности; подходит практически под любую возрастную категорию учащихся; может быть использован на уроках смежных дисциплин (химии, астрономии); электронная презентация может быть использована в качестве наглядного пособия при изучении истории научных открытий.
-3-
1. Введение.
До сихпор ещенерешено, ия думаю, чточеловеческаянауканикогда нерешит, конечна лиВселеннаяилибесконечна?
Галилео Галилей.
Вселенная — не имеющее строгого определения понятие в астрономии и философии. Оно делится на две принципиально отличающиеся сущности: умозрительную (философскую) и материальную, доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем.
Вселенная в Энциклопедическом словаре:
Вселенная - весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Вселенная, изучаемая астрономией,- часть материального мира, которая доступна исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки
Микромир - мир микрочастиц (в пределах атома).
Макромир - это мир предметов представимых нами размеров.
Также иногда выделяют мегамир - мир по размеру больше Солнечной системы, но его чаще всего относят к макромиру.
Так в современной физике принято разделять системы мира. Макросистемы имеют индивидуальные черты, а процессы, в них происходящие, определяются начальными условиями и законами классической физики. Микросистемы (атомы, ядра, элементарные частицы) имеют неизменные особенности в любых условиях и описываются законами квантовой физики. Четкой границы между явлениями, происходящими в микромире и макромире, не существует.
2. Вглубь вещества. 2.1. Древние представления о строении вещества.
Первые теории о строении вещества были положены еще очень давно и надолго определили развитие науки. Знаменитый греческий ученый Фалес, живший 2600 лет назад, всю жизнь старался вникнуть в проблему устройства мира. Его знания по геометрии и астрономии поражали. Он умел отслеживать любые лунные и солнечные циклы и даже предсказал полное солнечное затмение. Можно представить, какое волнение и страх оно вызывало две с половиной тысячи лет назад. Но главная заслуга Фалеса в том, что он первым поставил вопрос об исходных элементах мира. Он раньше всех увидел лестницу, ведущую вглубь вещества.
Фалес.
-4-
Фалес считал, что в основе всего сущего лежит вода. Он утверждал, что если воду уплотнить, то получаются твёрдые тела, если воду испарить, то получается воздух, при этом даже Земля плавает в воде, подобно куску дерева
Эмпедокл из Агригента в своих трудах обосновывал существование четырёх стихий: огня, воздуха, воды и земли; утверждая, что всё остальное состоит из них, а сами стихии объединены силами взаимодействия («возбудители движения»): любовь, объединяющая, и вражда, разделяющая их.
В V в. до н.э. последователи Фалеса - Левкипп и его ученик Демокрит, высказывали точку зрения, что всё состоит из мельчайших частичек - атомов. Они пропустили ступеньку молекул и сразу шагнули на ступень их составляющих. Таким образом, они придумали атом на две тысячи лет раньше, чем он был открыт как таковой. «Атом» в переводе с греческого означает неделимое. По Левкиппу и Демокриту, атомы - бесконечное число твердых, неделимых далее частичек. Подобно семенам растений, атомы могут быть различной формы - круглой, пирамидальной, плоской и так далее. Поэтому и состоящий из них мир неисчерпаемо богат в своих свойствах и качествах. Цепляясь друг за друга крючками, атомы образуют твердые тела. Атомы воды, наоборот, гладкие и скользкие, поэтому она растекается и не имеет формы. Атомы вязких жидкостей обладают заусеницами, воздух - пустота с редкими носящимися атомами, у огня же острые и колючие атомы.
Приборы, которыми располагали греки, были очень примитивны. Главными из них были весы да еще сосуды для измерения объемов. Даже плохонькая физическая лаборатория какой-нибудь маленькой нынешней школы показалась бы им фантастической. Основным оружием древнегреческих ученых была логика. Оказывается, если иметь острый глаз и светлую голову, то уже самых обычных явлений окружающей жизни достаточно, чтобы получить важные выводы о глубинных свойствах вещей.
2.2. Застой науки в Европе в период Средневековья.
С момента возникновения атомистическое учение жестоко преследовалось служителями церкви. Последователей Демокрита подвергали гонениям, а их произведения сжигали. В эпоху средневековья атомистические представления были полностью отброшены и в течение более тысячи лет в науке господствовало учение Аристотеля (384—322 до н. э.) о происхождении всего существующего из четырёх начал: воды, земли, воздуха и огня.
-5-
Следует признать, что в период Средневековья католическая церковь проявляла к науке нетерпимость. Тех, кто игнорировал распоряжения Папы относительно запретов, часто лишали свободы и сжигали на кострах.
В те времена наука считалась тесно связанной с мистикой, а порой даже ересью. В алхимических лабораториях тайно от мира трудились алхимики. Цель алхимии — поиски путей превращения неблагородных металлов в благородные (золото и серебро) с помощью воображаемого вещества — философского камня. Многие алхимики занимались бесплодными поисками философского камня, который, по их мнению, мог также удлинить человеческую жизнь, обеспечить бессмертие или исцелить болезни. В поисках философского камня алхимики открыли много новых веществ, разработали способы их очистки, создали некоторое химическое оборудование. Большинством достижений алхимиков невозможно было воспользоваться: они держали свои методы в секрете, зашифровывали описания полученных веществ и проведённых опытов, так как преследовали цели обогащения. В начале XVI в. н. э. алхимики стали использовать полученные ими данные для нужд промышленности и медицины.
2.3. Научные открытия в исследовании строения вещества до начала XX века.
Задача учёных XVII в. заключалась главным образом в том, чтобы дать наглядное представление о химических явлениях с помощью образов, заимствованных из механики. Атомы наделялись поэтому шероховатой или гладкой поверхностью, колечками, клинышками, крючками, иголками и прочим фантастическим оснащением. Это обстоятельство не могло не вызывать насмешек со стороны многих естествоиспытателей, которые стали называть атомистические представления “философией остриёв и крючочков”.
Всё же к началу XVIII века атомистическая теория приобретает все большую популярность.
Большой вклад в науку внёс Лавуазье. С ними вошел в науку закон сохранения массы вещества, в химии стали систематически применяться количественные методы, была выяснена роль кислорода в процессах горения и дыхания, что способствовало опровержению теории флогистона, утверждению атомистических представлений, зарождению органической химии.
Атомно-молекулярные представления о строении вещества развивал М. В. Ломоносов. Он объяснял свойства тел
конфигурацией молекул, образующих эти тела, а изменение свойств тел в химических
реакциях - изменением конфигураций молекул.
-6-
Наделив атомы массой, шарообразной формой и способностью к движению, учёный объяснил процессы растворения, испарения и теплопередачи, а также высказал ряд важных положений, которые спустя 130 лет легли в основу кинетической теории газов. Полагая, что химические процессы тесно связаны с тепловыми, электрическими, световыми и капиллярными явлениями, М. В. Ломоносов считал знание физики залогом успешной деятельности в области химии.
М. В. Ломоносова по праву можно считать основоположником количественного метода исследования. Он одним из первых стал применять весы для изучения закономерностей протекания химических реакций. Повторив опыты Р. Бойля по накаливанию металлов в запаянных стеклянных сосудах, М. В. Ломоносов открыл закон сохранения массы веществ при химических реакциях.
Химики получили веское доказательство существования атомов и молекул после того, как Джоном Дальтоном в 1807 г. был открыт закон кратных весовых отношений. Но природа химической связи осталась необъяснимой.
Этими учеными была доказана реальность существования атомов.
В 1869 году внимание ученого мира было обращено к холодным и строгим шпилям Петербурга. Оттуда пришла сенсационная новость: 35-летний профессор Петербургского университета Д. И. Менделеев установил, что между атомами существует связь, которая проявляется в периодичности их свойств. Это было выдающимся открытием. И не только потому, что теперь можно было пересчитать все типы атомов, существующие в природе, в том числе и еще не открытые. Периодический закон Менделеева подсказывал, что в природе должно быть что-то еще более простое и первичное, чем атомы, то, что является причиной и порождает периодичность атомных свойств. Другими словами, должна быть следующая, заатомная ступенька лестницы Фалеса. «Неделимый» атом должен делиться на части!
К такому выводу приводили и некоторые другие наблюдения. Так, было известно, что под действием высокого напряжения металлы испускают отрицательные электрические заряды. Московский физик А. Г. Столетов обнаружил, что такие заряды
-7-
(их стали называть электронами) выбиваются из
металлов лучами света. Все это наводило на мысль, что электроны входят в состав атомов. А отсюда сразу следовал другой вывод: в атоме есть положительно заряженная часть — ведь в целом-то вещество не имеет заряда, оно нейтрально.
Англичанин Дж. Томсон считал, что по своему строению атом похож на круглую булку с изюмом: положительно заряженное тесто с изюминками — электронами. За три года до конца XIX века Томсон измерил массу электрона. Оказалось, что он почти во столько же раз легче атома водорода, самого легкого из всех атомов, во сколько Земля легче Солнца. Возможно, именно эта аналогия навела француза Ж. Перрена на мысль о том, что атом устроен наподобие Солнечной системы — в центре тяжелое ядро с положительным электрическим зарядом, вокруг вращаются планеты — электроны. Статья Перрена, увидевшая свет в первый год нового, XX века, так и называлась: «Ядерно-планетарное строение атома».
Какая из этих двух моделей правильная — булка с отрицательно заряженным изюмом или микроскопическая солнечная система, — решили опыты Эрнста Резерфорда. Он первым потрогал, а лучше сказать — прощупал, атом с помощью альфа-частиц.
Планетарная модель атома, или модель атома Резерфорда — исторически важная модель строения атома предложенная Эрнстом Резерфордом в классической статье, опубликованной в 1911 г. на основании анализа и статистической обработке результатов экспериментов по рассеиванию альфа-частиц в тонкой золотой фольге.
В этой модели Резерфорд описывает атом состоящим из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.
Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с уточнениями, что движение электронов не может быть описано законами классической механики и имеет квантово-механическое описание.
-8-
Исторически, планетарная модель Резерфорда пришла на смену «модели сливового пудинга» Джозефа Джона Томсона, которая предполагает, что отрицательно заряженные электроны помещены внутрь положительно заряженного атома с распределённым по всему объему атома положительным зарядом, подобно изюминкам в пудинге.
2.4. Современная модель атома и открытие частиц, отличных от протонов, нейтронов и протонов. Большой адронный коллайдер.
Современная модель строения атома базируется на четырех положениях:
-
В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома (например, радиус атома водорода сост. 0,046 нанометров, а радиус протона или ядра атома водорода составляет
6,5*10-7 нанометров).
2. Положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в ядре атома.
3. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов (p) и нейтронов (n) соответствует его массовому числу.
4. Вокруг ядра по орбиталям вращаются электроны. Число электронов в невозбужденном (основном) состоянии равно заряду ядра.
В соответствии с представлениями квантовой механики, электрон обладает двойственной природой, т.е. корпускулярно-волновым дуализмом: с одной стороны электрон – это частица, которая имеет массу, заряд и скорость движения; а с другой стороны электрон проявляет волновые свойства, такие как способность к дифракции, интерференции и особенности движения. Согласно принципу неопределенности В. Гейзенберга невозможно точно определить энергию и положение электрона, поэтому в квантовомеханической модели атома используют вероятностный подход для характеристики положения электрона. То есть современные ученые говорят о Вероятности нахождения электрона в определенной области пространства. Электрон может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова.
К концу XIX в. наука установила два вида существования материи – вещество и поле, во всем отличные и противоположные (вещество обладает корпускулярными свойствами, а поле – волновыми). На рубеже XIX–XX вв. выяснилось, что два эти вида материи не исключают один другого. Как это ни удивительно, но одни и те же объекты могут характеризоваться и свойствами вещества, и свойствами поля одновременно, то есть иметь как корпускулярные, так и волновые качества. Известный
немецкий физик Макс Планк, исследуя процессы теплового излучения, пришел к ошеломляющему выводу, что при излучении энергия отдается или поглощается не непрерывно и не в любых количествах,
-9-
но небольшими и неделимыми порциями, которые он назвал квантами (от лат. quantum – сколько). Квант – это порция энергии. Вдумаемся в это определение. Его первая часть – порция – подразумевает нечто определенное, ограниченное, вещественное, имеющее некие размеры, то есть частицу, или корпускулу. Вторая часть – энергия – подразумевает нечто непрерывное, безразмерное, невещественное, то есть поле. Стало быть, квант – это такой объект физической реальности, в котором совпадают или одновременно представлены и вещество, и поле, – объект, отличающийся корпускулярно-волновым дуализмом.
Эйнштейн перенес идею о квантах на область света и создал новое учение о нем. Вспомним, что Ньютон считал свет потоком корпускул, Гюйгенс и Юнг рассматривали его как волны, а Фарадей и Максвелл – как колебания электромагнитного поля. Эйнштейн совместил все эти представления и создал теорию, по которой свет имеет корпускулярно-волновую природу. Он распространяется квантами, то есть энергетическими порциями, которые были названы фотонами (от греч. photos – свет). С одной стороны, фотон – именно порция энергии и поэтому является своего рода частицей, или корпускулой, а с другой – порция именно энергии и поэтому является своего рода волной. Свет, по Эйнштейну, – это поток энергетических зерен, световых квантов или своеобразный фотонный дождь. Представление Эйнштейна о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэффекта, сущность которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием световых волн (каждый электрон вырывается одним фотоном). Все это убедительно подтвердило идею Эйнштейна, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте – корпускулярные. Фотонная теория Эйнштейна относится к наиболее экспериментально подтвержденным физическим теориям.
Дальнейшие исследования ученых вывели огромное множество частиц, обладающих различными, порой даже странными и удивительными, свойствами. Они отличались от уже открытых частиц: протонов, нейтронов, электронов и фотонов.
-10-
Большой вклад в изучение неизвестных ранее частиц внесли исследования на Большом адронном коллайдере.
Это гигантское сооружение является ускорителем заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров из более чем 100 стран.
«Большим» назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; «адронным» — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; «коллайдером» (англ. collider —сталкиватель) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.
Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.
3.Развитие методов исследования в астрономии. 3.1. Представления о строении вселенной с древнейших времён до открытий Коперника.
Изучение космоса началось еще с самых древних времен, когда человек только учился считать по звездам, выделяя созвездия.
Представление о Вселенной, по Птолемею, соответствовало библейской картине мира с
-11-
неподвижной Землей в центре, также так называемая геоцентрическая картина мира.
Переведенный главный труд Клавдия Птолемея «Великое астрономическое построение», получивший по-арабски название «Ал-Маджисти» (переведенный с арабского на латинский язык под названием «Альмагест») стал для арабских ученых основой космологии, применявшейся на протяжении последующих 500 лет.
В IX-Х вв. арабские ученые Аль-Баттани и Абу аль-Вафа провели самые точные для того времени астрономические измерения, позволившие им составить астрономические таблицы. В VIII-XV вв. в арабских странах появились так называемые зиджи - справочники для астрономов и географов с описанием календарей, указанием хронологических и исторических дат, тригонометрическими и астрономическими таблицами. Кроме того, арабы создали лунный календарь, включивший 28 «лунных станций», каждая из которых имела метеорологические характеристики.Мухаммед ибн Ахмед аль-Бируни производил также точные астрономические измерения. Бируни наблюдал и описал изменение цвета Луны при лунных затмениях и явление солнечной короны при полных затмениях Солнца. Он высказал мысль о движении Земли вокруг Солнца и уже тогда считал геоцентрическую теорию весьма уязвимой.
Астрономические исследования средневековых арабских ученых вместе с другими достижениями арабской науки и техники становились позднее известными в Европе и стимулировали развитие европейской астрономии.
В Средние века в Европе поднять руку на теорию Птолемея значило начать революцию в науке, бросить вызов могущественной церкви.
Этот революционный шаг осуществил великий польский ученый Николай Коперник (1473—1543). Долго размышляя над геоцентрической системой мира Птолемея, Коперник пришел к выводу о ее принципиальной
-12-
ошибочности. Взамен ее Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира с Солнцем в центре (Солнце— по-гречески — Гелиос). Тем самым Коперник объявил Землю не центром Вселенной, а лишь одной из планет, обращающихся вокруг Солнца. Это был величайший переворот в понятиях, имевший колоссальное влияние на все дальнейшее развитие наук. Коперник объяснил смену дня и ночи суточным вращением Земли, смену времен года наклоном оси вращения Земли к плоскости земной орбиты и обращением Земли вокруг Солнца. Кажущееся годовое перемещение Солнца по эклиптике Коперник объяснил движением Земли вокруг Солнца. Он правильно расположил планеты по их расстоянию от Солнца и Земле отвел в этом ряду третье место. Петлеобразное движение планет на фоне звезд Коперник объяснил сочетанием движения наблюдателя с Землей и движения планеты.
В 1530 году он завершил свой труд "Об обращении небесных сфер", в котором излагал эту теорию, но, будучи искусным политиком, публиковать его не стал и таким образом избежал обвинения в ереси со стороны инквизиции. Еще более ста лет книга Коперника тайно расходилась в рукописях.
И деи Коперника воспринял итальянский писатель и философ Джордано Бруно. В своих смелых мыслях он пошел дальше Коперника. В отличии от него Бруно утверждал, что звезды тоже солнца, а не подвижная сфера, подобные нашему, но очень от нас далекие. Он учил, что Вселенная бесконечна и бесконечно в ней число звезд и планет, что жизнь существует на многих из планет. Это еще больше противоречило церковным учениям и подрывало к ним доверие.За свои научные идеи Бруно, не захотевший от них отказаться, был по решению инквизиции сожжен живым на костре. Так церковь расправилась с прозорливым мыслителем, сделавшим из теории Коперника логические философские выводы.
3.2. Развитие основных астрономических инструментов.
Сейчас трудно представить, как древние астрономы, пользуясь лишь своим зрением и несложными инструментами, наблюдали за звёздным небом, составляли его карты.
И всего четыреста лет назад, после изобретения телескопа Галилео Галилеем, астрономия начала стремительно развиваться, принося в науку все новые открытия.
Великий ученый прекрасно знал, что в Голландии изобрели трубу, которая позволяет увидеть небо вблизи. Недолго думая ученый создает свою трубу и называет ее телескоп. После тщательных замеров и
-13-
расчетов, телескоп у Галилея получается невероятно
точным (по тем временам), но еще и позволяет Галилею сделать массу открытий.
Самое первое открытие Галилей сделал, после детального изучения поверхности Луны. Он не только доказал, но еще и подробно описал горы, которые находятся на поверхности Луны.
Вторым открытием Галилея стал – Млечный путь. Ученный доказал, что он состоит из скопления множества звезд. Кроме такого скопления звезд, ученый предположил, что в мире существуют и другие галактики, которые могут располагаться в разных плоскостях огромной Вселенной.
Третьим самым весом и значимым открытием стали 4 спутника Юпитера.
Своими наблюдениями Галилей просто и точно доказал, что любое космическое тело может вращаться около других небесных тел и не только около Земли. Великий астроном рассмотрел и подробно описал пятна на Солнце, конечно их видели и другие люди, но никто так и не смог достойным и правильным образом их описать, до тех пор пока это не сделал Галилео Галилей.
Кроме наблюдений за Луной, Галилей также открыл миру фазы планеты Венера. В своих трудах он сравнивал фазы Венеры с фазами Луны. Все такие важные и весомые наблюдения сводились к тому, что Земля вместе с другими планетами нашей галактики вращается вокруг Солнца.
Все свои наблюдения и открытия Галилей описал в научной книге под названием «Звездный Вестник». Именно после прочтения этой книги и открытий, которые сделал Галилей, практически все монархи в Европе потребовали приобрести телескоп. Сам же ученный подарил несколько своих изобретений своим покровителям.
Конечно же, по сравнению с современными телескопами, телескоп Галилея выглядит незамысловатым и простым. Если вдуматься, что столь примитивный прибор позволил одному человеку сделать огромное количество открытий, то становится ясно, что неважно какой прибор у человека сверхновый или старенький – главное, чтоб человек, смотрящий в него, был незаурядного ума.
Устройство телескопа Галилео Галилея содержало в себе зрительную трубу, на конце которой с одной стороны устанавливалась двояковыпуклая линза, через
-14-
которую проходил свет и фокусировался на линзе под названием фокус, затем все
изображение подавалось в окуляр, где увеличивалось. Самый мощный телескоп Галилея увеличивал изображение в 30 раз. Открытие сверхнового и точного телескопа той эпохи позволило Галилею вести безбедный образ жизни, но он как истинный ученный пытался доказать правоту Коперника, за что и был наказан.
XVII век стал переходным веком для астрономии, тогда начали применять научный метод в исследовании космоса, благодаря чему был открыт Млечный путь, другие звездные скопления и туманности. А с созданием спектроскопа, который способен разложить через призму свет, излучаемый небесным объектом, ученые научились измерять данные небесных тел, такие, как температура, химический состав, масса и другие измерения.
Что может сделать с наукой обычная стеклянная призма? Очень многое, если она находится в умелых руках! Именно такими оказались руки Исаака Ньютона, человека, внесшего неоценимый вклад в науку. Ньютон не только изобрел первый спектроскоп, но и применил его для исследования небесных объектов.
Сам по себе XVII век был прорывом для астрономии. Ведь еще совсем недавно астрономией занимались не гражданские, а исключительно духовные лица, и немалая часть времени тратилась не на наблюдение за небесными телами, а на поиск подходящих цитат и теологические споры. Результатом такого положения вещей стало, например, ведение в действие Григорианского календаря: расхождение астрономического и церковного календарей достигло 10 дней, пока святые отцы теоретизировали и подбирали цитаты из Святого писания в качестве аргументов для своих теорий!
По сути своей спектроскоп - прибор для спектрального анализа. Даже самый простой спектроскоп позволяет исследовать свет и получить представление о его составляющих. Известно, что Ньютон, например, сравнивал солнечный свет со светом свечи, стараясь познать их природу. Конечно же, его последователи пошли значительно дальше. Спектроскопы совершенствовались, давали более информативные результаты, и ученые на их основании могли строить все более достоверные теории.
Спектроскоп был не единственным инструментом, принятым на вооружение астрономами XVII-XVIII веков. Но приуменьшать заслугу этого инструмента не стоит: к примеру, гелий был впервые обнаружен на Солнце, именно с помощью спектроскопа, и лишь затем ученые нашли этот химический элемент на Земле!
-15-
3.3. Дальнейшее развитие астрономии и космологии. Телескоп «Хаббл».
Начиная с конца XIX века, астрономия вступила в фазу многочисленных открытий и достижений, главным прорывом науки в XX веке стало запуск первого спутника в космос, первый полет человека в космос, выход в открытое космическое пространство, высадка на луне и космические миссии к планетам Солнечной системы. Изобретения сверхмощных квантовых компьютеров в XIX веке также обещают многие новые изучения, как уже известных планет и звезд, так и открытия новых далеких уголков вселенной.
Не будем подробно говорить об этих достижениях, вспомним только об орбитальных спутниках-телескопах, а именно о самом известном из них- телескопе «Хаббл».
За 15 лет работы на околоземной орбите «Хаббл» получил 1 млн изображений 22 тыс. небесных объектов — звёзд, туманностей, галактик, планет. Поток данных, которые он ежемесячно генерирует в процессе наблюдений, составляет около 480 гигабайт. Общий их объём, накопленный за всё время работы телескопа, составляет примерно 50 терабайт. Более 3900 астрономов получили возможность использовать его для наблюдений, опубликовано около 4000 статей в научных журналах. Установлено, что, в среднем, индекс цитирования астрономических статей, основанных на данных этого телескопа, в два раза выше, чем статей, основанных на других данных. Ежегодно в списке 200 наиболее цитируемых статей не менее 10 % занимают работы, выполненные на основе материалов «Хаббла». Нулевой индекс цитирования имеют около 30 % работ по астрономии в целом и только 2 % работ, выполненных с помощью космического телескопа.
Тем не менее, цена, которую приходится платить за достижения «Хаббла», весьма высока: специальное исследование, посвящённое изучению влияния на развитие астрономии телескопов различных типов, установило, что, хотя работы, выполненные при помощи орбитального телескопа, имеют суммарный индекс цитирования в 15 раз больше, чем у наземного рефлектора с 4-метровым зеркалом, стоимость содержания космического телескопа выше в 100 и более раз.
Наиболее значимые наблюдения телескопа Хаббла:
При помощи измерения расстояний до цефеид в Скоплении Девы было уточнено значение постоянной Хаббла. До наблюдений орбитального телескопа погрешность определения постоянной оценивалась в 50 %, наблюдения позволили снизить погрешность до 10 %.
-16-
«Хаббл» предоставил высококачественные изображения столкновения кометы Шумейкеров — Леви 9 с Юпитером в 1994 году.
Впервые получены карты поверхности Плутона и Эриды.
Впервые наблюдались ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне, Юпитере и Ганимеде.
Получены дополнительные данные о планетах вне солнечной системы, в том числе спектрометрические.
«Столпы Творения»— один из самых известных снимков, полученных телескопом. Рождение новых звёзд вТуманности Орёл.
Найдено большое количество протопланетных дисков вокруг звёзд в Туманности Ориона. Доказано, что процесс формирования планет происходит у большинства звёзд нашей Галактики.
-17-
Частично подтверждена теория о сверхмассивных чёрных дырах в центрах галактик; на основе наблюдений выдвинута гипотеза, связывающая массу чёрных дыр и свойства галактики.
По результатам наблюдений квазаров получена современная космологическая модель, представляющая собой Вселенную, расширяющуюся с ускорением, заполненную тёмной энергией, и уточнён возраст Вселенной — 13,7 млрд лет.
4. Заключение.
История изменения представлений о природе окружающей Вселенной проходило не постепенно, а скачкообразно… Возможно, будущие поколения землян расселятся по Солнечной системе, а потом и по всей Вселенной. Это еще одна причина, по которой человечество вкладывается и знаниями, и силами, и ресурсами, и надеждами в исследование космических глубин. К.Э. Циолковский писал: «Сначала неизменно идут мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет. И уже, в конце концов, исполнение венчает мысль». Открытия только последних нескольких лет нового третьего тысячелетия удивляют своим размахом.
Конечно, в исследовательской работе невозможно описать всю прелесть и необычность, очень часто случайность и озарение физических и астрономических открытий. Тема меня очень увлекла. Закончить свою работу я хочу процитировав Валерия Брюсова:
Великое вблизи неуловимо,
Лишь издали торжественно оно,
Мы все проходим пред великим мимо
И видим лишь случайное звено.
5. Список использованной литературы
1.Барашенков В.С., Вселенная в электроне: Научно-художественная лит-ра / - М.:Дет.лит., 1988. – 287 с.: ил. – (Люди. Время. Идеи).
2.Радунская И.Л., Предчувствия и свершения. Трилогия. Книга третья. Единство. – М.: ОАО «Московские учебники и Картолитография», 2004. – 367 с.
3. Томилин А.Н., Царица неба. – М.: Современник, 1998. – 303 с.: ил. – (Под сенью дружных муз).
4. Цофин М.Я., Астрономия. – Мн.: Харвест, 1998. – 704 с. – (Библиотека школьника).
5. Астрономия: Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений / В.В. Порфильев. – 3-е изд. – М.: Просвещение, А.О. «Московский учебник», 2004. – 174 с.: ил.
-18-
6. Энциклопедия для детей. Том 8. Астрономия. – 2-е изд., испр. И доп. / Глав. ред. М.Д. Аксёнова. – М.: Аванта+, 1998. – 688 с.: ил.
7. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Часть 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – 448 с., ил.
8. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Часть 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц. / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – 432 с., ил.
10. Энциклопедия для детей. Том 25. Космонавтика. – 2-е изд., испр. / Ред. коллегия: М. Аксёнова, Е. Ананьева, В. Чеснов и др. – М.: Мир энциклопедий Аванта+, 2007. – 448 с., ил.
-19-
Приложение.Краткая история открытий в области астрономии по датам.
Хронология развития астрономии с конца XIX - на протяжении XX веков - и начала XXI века.(Важные для астрономии XX века события давшие толчок развития "новой" науки)
1860 г. напечатана книга «Химический анализ путем спектральных наблюдений» Кирхгофа и Бунзена, в которой были описаны методы спектрального анализа. Положено начало астрофизике.
1862 г. открыт спутник Сириуса, о котором в своих исследованиях говорил еще Бессель.
1872 г. американец Г. Дрепер сделал первую фотографию спектра звезды.
1873 г. Дж. К. Максвелл публикует «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором обозначил так называемые уравнения Максвелла, тем самым предсказав существование электромагнитных волн и эффекта "Давление света".
1877 г. А. Холл обнаружил спутники Марса – Деймос, Фобос. В этом же году были открыты марсианские каналы итальянцем Дж. Скиапарелли.
1879 г. английский астроном Дж. Х. Дарвин опубликовал гипотезу о приливном происхождении Луны. С. Флеминг предлагает разделить Землю на часовые пояса.
1884 г. 26 стран ввели поясное время, предложенное Флемингом. Международным соглашением выбран Гринвич в качестве нулевого меридиана.
1896 г. обнаружен спутник у Проциона, предсказанный Бесселем.
1898 г. У. Г. Пикеринг открыл спутник Сатурна – Фебу с его способностью вращаться в обратную сторону относительно своей планеты.
Нач. XX века учеными Г. фон Цейпелем и Г. К. Пламмером были построены первые модели звездных систем.
1908 г. Джордж Хейл впервые обнаружил магнитное поле у внеземного объекта, которым стало Солнце.
1915—1916 гг. Эйнштейн вывел общую теорию относительности, определив новую теорию гравитации. Ученый сделал вывод, что изменение скорости действует на тела подобно силе гравитации. Если Ньютон в свое время назвал орбиты планет фиксированными вокруг Солнца, то Эйнштейн утверждал, что у Солнца есть гравитационное поле, вследствие чего орбиты планет делают медленный дополнительный поворот.
-20-
1918 г. американец Харлоу Шепли на основе наблюдений разработал модель структуры Галактики, в ходе чего выяснилось реальное местоположение Солнца - край Галактики.
1926—1927 гг.— Б. Линдблад и Ян Оорт, анализируя движение звёзд, приходят к выводу о вращении Галактики.
1931 г. начало радиоастрономии положили эксперименты К. Янского.
1932 г. Янский открыл радиоизлучение космического происхождения. Первым радиоисточником непрерывного излучения был назван источник в центре Млечного Пути.
1937 г. американец Г. Ребер сконструировал первый параболический радиотелескоп, диаметр которого составлял 9,5 м.
1950-х гг. обнаружено рентгеновское излучение, исходящее от Солнца. Положено начало рентгеновской астрономии.
1950-е гг. формирование современной инфракрасной астрономии. Изучение информации в диапазоне между видимым излучением.
1953 г. Ж. де Вокулер открыл первое сверхскопление галактик, которое также называют Местным.
1957 г. начинается космическая эра запуском искусственных спутников Земли.
1961 г. первый запуск человека в космос. Первым космонавтом стал Юрий Гагарин.
4 января1959 г. — станция «Луна-1» прошла на расстоянии 6000 километров от поверхности Луны и вышла нагелиоцентрическую орбиту. Она стала первым в мире искусственным спутником Солнца.
14 сентября1959 г. — станция «Луна-2» впервые в мире достигла поверхности Луны в районе Моря Ясности вблизи кратеров Аристилл, Архимед и Автолик, доставив вымпел с гербом СССР.
4 октября1959 г. — запущена автоматическая межпланетная станция «Луна-3», которая впервые в мире сфотографировала невидимую с Земли сторону Луны. Также во время полёта впервые в мире был на практике осуществлён гравитационный манёвр.
3 февраля1966 г. — АМС Луна-9 совершила первую в мире мягкую посадку на поверхность Луны, были переданы панорамные снимки Луны.
1 марта1966 г. — станция «Венера-3» впервые достигла поверхности Венеры, доставив вымпел СССР. Это был первый в мире перелёт космического аппарата с Земли на другую планету.
-21-
3 апреля1966 г. — станция «Луна-10» стала первым искусственным спутником Луны.
24 сентября1970 г. — станция «Луна-16» произвела забор и последующую доставку на Землю (станцией «Луна-16») образцов лунного грунта. Она же — первый беспилотный космический аппарат, доставивший на Землю пробы породы с другого космического тела (то есть, в данном случае, с Луны).
17 ноября1970 г. — мягкая посадка и начало работы первого в мире полуавтоматического дистанционно управляемого самоходного аппарата, управляемого с Земли: Луноход-1.
15 декабря1970 г. — первая в мире мягкая посадка на поверхность Венеры: «Венера-7».
13 ноября1971 г. — станция «Маринер-9» стала первым искусственным спутником Марса.
27 ноября1971г.— станция «Марс-2» впервые достигла поверхности Марса.
2 декабря1971 г. — первая мягкая посадка АМС на Марс: «Марс-3».
20 октября1975г.— станция «Венера-9» стала первым искусственным спутником Венеры.
октябрь1975 г. — мягкая посадка двух космических аппаратов «Венера-9» и «Венера-10» и первые в мире фотоснимки поверхности Венеры.
7 декабря1995г. — станция «Галилео» стала первым искусственным спутником Юпитера.
24 июня2000г.— станция «NEAR Shoemaker» стала первым искусственным спутником астероида (433 Эрос).
30 июня2004 г. — станция «Кассини» стала первым искусственным спутником Сатурна.
15 января2006 г. — станция «Стардаст» доставила на Землю образцы кометы Вильда 2.
17 марта2011г.— станция «MESSENGER» стала первым искусственным спутником Меркурия.
Основные этапы изучения строения вещества.
История химии изучает и описывает сложный процесс накопления специфических знаний, относящихся к изучению свойств и превращений веществ; её можно рассматривать как пограничную область знания, которая связывает явления и процессы, относящиеся к развитию химии, с историей человеческого общества. При изучении истории развития химии возможны два взаимно дополняющих подхода: хронологический и содержательный.
-22-
При хронологическом подходе историю химии принято подразделять на несколько периодов. Следует учитывать, что периодизация истории химии, будучи достаточно условной и относительной, имеет скорее дидактический смысл. При этом на поздних этапах развития науки (в случае химии – уже с начала XIX века) в связи с её дифференциацией неизбежны отступления от хронологического порядка изложения, поскольку приходится отдельно рассматривать развитие каждого из основных разделов науки.
Как правило, большинство историков химии выделяют следующие основные этапы её развития:
1. Предалхимический период: до III в. н.э.
В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развивались относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривала античная натурфилософия, практические операции с веществом являлись прерогативой ремесленной химии.
2. Алхимический период: III – XVII вв.
Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода – александрийскую(греко-египетскую), арабскую и европейскую алхимию. Алхимический период – это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. В этом периоде происходило зарождение экспериментальной химии и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, была тесно связана с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.
3. Период становления (объединения): XVII – XVIII вв.
В период становления химии как науки произошла её полная рационализация. Химия освободилась от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начал вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершившая этот период химическая революция окончательно придала химии вид самостоятельной (хотя и тесно связанной с другими отраслями естествознания) науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.
4. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.
Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии – стехиометрических законов, и
-23-
формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершил
превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.
5. Период классической химии: 1860 г. – конец XIX в.
Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: были созданы периодическая система элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигли прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах началась дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.
6. Современный период: с начала XX века по настоящее время
В начале ХХ века произошла революция в физике: на смену системе знаний о материи, основанной на механике Ньютона, пришли квантовая теория и теория относительности. Установление делимости атома и создание квантовой механики вложили новое содержание в основные понятия химии. Успехи физики в начале XX века позволили понять причины периодичности свойств элементов и их соединений, объяснить природу валентных сил и создать теории химической связи между атомами. Появление принципиально новых физических методов исследования предоставило химикам невиданные ранее возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества. Всё это в совокупности обусловило в числе прочих достижений и блестящие успехи биологической химии второй половины XX века – установление строения белков и ДНК, познание механизмов функционирования клеток живого организма.
7. По словам японского профессора Йошитака Куно из университета Осаки, в 2017 году в Японии будет проведен научный эксперимент, который должен будет дать ответы на фундаментальные вопросы по возникновению нашей Вселенной. Эксперимент будет проводиться на одном из крупнейших в мире ускорительном комплексе J-PARC в Японии, способном обеспечить самый мощный в мире импульсный пучок протонов с необходимыми параметрами. Эксперимент будет носить название — COMET. «Эксперимент COMET предназначен для поиска процессов физики элементарных частиц, чтобы разгадать тайны природы». Одним из способов сделать это является поиск очень редких процессов, вероятность которых достигает 10 в -16 степени. «При помощи БАК, расположенного в Швейцарии, ученые смогли раскрыть Бозон Хиггса, однако кроме этого существуют другие частицы, которые неизвестны науке, однако их присутствие и роль в формировании Вселенной доказана физическими формулами». Стандартная модель — теория строения и взаимодействия элементарных частиц, лежащая в основе соответствующего раздела физики. Первая фаза эксперимента начнется через два года, в 2017 году — примерно половина оборудования уже готова, а вторая фаза — в 2020—2021 годах. Стоит отметить, что в неё войдут несколько астрофизиков из России. «Мы ищем очень редкий процесс перехода одной элементарной частицы — электрона, в другую — мюон», — сказал он.
-23-