Этот принцип обосновывает построение таблицы Менделеева. Каждое электронное состояние в атоме характеризуется определенными значениями квантовых чисел. Общее количество этих значений для каждой электронной оболочки ограничено. Поэтому с ростом порядкового номера элемента электроны последовательно заполняют состояния сначала самых близких к ядру электронных оболочек, размеры электронных облаков которых самые маленькие из возможных. Если электронная оболочка полностью заполнена, то у следующих далее в таблице элементов электроны заполняют состояния новой, более удаленной от ядра оболочки, которой соответствуют бóльшие размеры электронных облаков.
Таким образом, в атоме не может быть двух электронов, у которых квантовые числа были бы одинаковы. В целом, электронная структура атомов каждого химического элемента строго индивидуальна, хотя отдельные электронные оболочки могут быть одинаковы. Например, сходство электронных оболочек на периферии атомов обуславливает сходство их химических свойств.
Основы астрофизики
Астрофизика – фундаментальный раздел астрономии, изучающий строение небесных тел и физические явления во Вселенной.
Возникла в XIX веке и первоначально занималась интерпретацией спектров электромагнитного излучения объектов мегамира.
Хотя разложение солнечного света по цветам при помощи стеклянной призмы наблюдал еще Ньютон в XVII веке, детальные исследования спектрального состава электромагнитных волн, испускаемых небесными телами, начались только в XIX веке.
Фраунгофер (1814) догадался рассмотреть солнечный спектр, даваемый призмой, через телескоп и обнаружил, что непрерывная цветная полоска пересечена отдельными темными линиями. Оказалось, что спектры большинства звезд имеют аналогичный вид.
В середине XIX века (1854-1859 гг.) Кирхгоф и Бунзен, изучая спектры световых волн при прохождении их через различные вещества в земных условиях, сравнили их со спектрами Солнца и звезд и пришли к выводу, что темные линии Фраунгофера вызваны поглощением света атомами звездных атмосфер. Следовательно, эти атмосферы, по-видимому, состоят из тех же элементов, что и вещества на Земле, и их химический состав можно изучать методами спектрального анализа.
Интерпретация непрерывной части спектра оказалась возможной только в конце XIX века. Электромагнитные волны испускаются преимущественно электронами, участвующими в тепловом движении, и такое излучение называется тепловым. Эта гипотеза, по-видимому, верна для всего оптического диапазона электромагнитного излучения небесных тел.
Теория теплового излучения построена для идеальной модели абсолютно черного тела (АЧТ). Это тело, которое поглощает все падающие на него электромагнитные волны. В состоянии термодинамического равновесия при температуре Т оно излучает столько же энергии, сколько и поглощает. Однако, распределение излучаемой энергии по длинам волн λ неодинаково. Количественно оно описывается функцией , для которой Планк (1900) вывел формулу:
,
где h = 6,62∙10-34 Дж∙с – постоянная Планка;
k = 1,38∙10-23 Дж/К – постоянная Больцмана;
с ≈ 3∙108 м/с – скорость света.
Рисунок 13
Формула Планка позволяет обосновать опытные законы теплового излучения:
1) закон Вина:
наибольшая энергия излучается на длине волны
,
где b = 2,9∙10-3 м∙К – постоянная Вина;
2) закон Стефана-Больцмана:
полная мощность излучения АЧТ с 1 м2 его поверхности
,
где – постоянная Стефана-Больцмана.
Энергетический спектр излучения звезд близок к спектру АЧТ, и это позволяет оценить их температуру. Например, для Солнца кривая непрерывного спектра практически совпадает с кривой АЧТ для Т = 6500 К в области λ > 5∙10-7 м. Наибольшая энергия излучается электромагнитными волнами длиной λmax = 5∙10-7 м; отсюда температура светящейся оболочки (фотосферы) Солнца К.
Такое же значение получается по формуле Стефана-Больцмана:
,
где величина R = 6,41∙107 Вт/м2 получена из наблюдений.
Фотографические исследования спектров звезд, проводимые с 1885 года, позволили более точно определить их температуры и химический состав атмосфер и сгруппировать сходные спектры более 200000 звезд в 10 классов, обозначаемых O,B,A,F,G,K,M,R, N,S, и 10 подклассов, обозначаемых цифрами от 0 до 9. Для запоминания последовательности классов придумана шуточная фраза: "Oh, Be A Fine Girl Kiss Me Right Now, Sweetheart". Эта последовательность характеризуется убыванием Т и изменением цвета звезд. Например:
О: Т ~ 5∙104 К, голубые звезды, λmax находится в УФ-области спектра, состоят из
ионов H, He.
G: Т ~ 6∙103 К, желтые, содержат ионы металлов; Солнце относится к G2.
М: Т ~ 3,6∙103 К, красные, содержат молекулы C2, CN, TiO.
В ХХ веке были установлены зависимости между физическими параметрами звезд. Важнейшие из них – диаграммы «спектр – светимость» и «масса – светимость».
Диаграмма «спектр – светимость»
Диаграмма «масса – светимость»
Рисунок 14
Светимость – полная мощность электромагнитного излучения звезды (L) [Вт].
Звездные параметры на диаграммах отнесены к солнечным.
Светимость Солнца Вт, его масса кг; оно излучает уже в течение лет и состоит на 71% из водорода (Н) и на 27% из гелия (Не).
Таким образом, большинство звезд имеют температуры фотосфер 103–104 К, излучают огромную электромагнитную энергию в течение, видимо, длительного времени и состоят, в основном, из легких элементов Н и Не.
Согласно принципу сохранения энергии следует предположить, что в недрах звезд происходят процессы, которые выделяют энергию, сравнимую с энергией, излучаемой электромагнитными волнами. Из известных в настоящее время процессов только термоядерные реакции могут обеспечить наблюдаемые значения звездных параметров.
Для Солнца это, по-видимому, термоядерный синтез: Дж. При превращении всего водорода в гелий выделится Дж, в то время, как за лет излучится только Дж, т.е. энергии синтеза вполне достаточно для стабильного излучения Солнца.
В настоящее время Солнце представляет собой раскаленный газовый шар. Вещество в его недрах сильно ионизировано. Равновесие Солнца обеспечивается равновесием сил гравитации и сил внутреннего газового давления.
Структура Солнца включает следующие оболочки (в солнечных радиусах м):
1 – зону ядерных реакций, 0 – 0,3Rc (T ~ 107 К),
2 – зону переноса энергии излучением, 0,3Rc – 0,7Rc,