skanuj0011

Zagadnienia na Egzamin z przedmiotu NAUKA O MATERIAŁACH

1. Powstanie materii. Budowa atomu.

l.Teoria Wielkiego Wybuchu

1.2    Definicja

‘■"WIELKI WYBUCH (Big-Bang), gwałtowna eksplozja bardzo gorącego i bardzo skondensowanego Wszechświata 15-20 mld lat temu, po której rozpoczęła się jego ewolucja" - to chyba najkrótsza definicja wielkiego wybuchu, będąca trzonem każdej innej definicji, spotykanych w rożnego rodzajach encyklopediach, słownikach fizycznych itp. Polska nazwa omawianego przez nas zjawiska - Wielki Wybuch, odzwierciedla początkową intensywność procesów, zachodzących we Wszechświecie, ale wprowadza również fałszywe skojarzenia z pospolitą eksplozjąiWybuch np. granatu polega na krótkotrwałym wydzieleniu energii w określonym miejscu przestrzeni, co powoduje powstanie znacznego wzrostu ciśnienia i temperatury, a w następstwie tego - fali uderzeniowej! Wielki Wybuch objął zaś jednocześnie cały Wszechświat - całą przestrzeń; ośrodek pozostawał jednorodny i izotropowy. Wielki Wybuch "zaczął się" wszędzie w tej samej chwili. Również angielska nazwa tego zjawiska - Big Bang, nie jest trafna. 10-43 sekundy po Wielkim wybuchu cały Wszechświat zawierał się w kuli wielkości łebka szpilki, a jego temperatura wynosiła 1032K.' Na pewno, więc nie był "Big"(z ang. duży). Jeżeli zaś chodzi o "Bang" (z ang. wystrzał, huk, trzask... - bez wątpienia wyrazy dźwiękonaśladowcze), to próżnia, która go otaczała nie pozwalała mu się rozprzestrzeniać...

1.3    Początek

Początek wszechświata ocenia się na jakieś 15-20 mld lat (wiadomo to tylko ze stałej Hubble’a). Uczeni stworzyli drobiazgowy model powstawania Wszechświata począwszy od chwili, gdy od Wielkiego Wybuchu upłynęło 10-43 s. Co było przedtem? Tego nikt nie wie na pewno. Najprostszą odpowiedzią byłą by odpowiedź- nic. Jednak jedna z teorii mówi, że poniżej czasu Plancka:

(czas, o którym już wcześniej wspomniałam) gdy gęstość przekraczała gęstość Plancka:

(gdzie G - stała grawitacji Newtona h - stała Plancka c - prędkość światła)

Klasyczne pojęcie ciągłej czasoprzestrzeni nie stosowały się do rzeczywistości i należy je zastąpić teorią grawitacji, obejmującą efekty kwantowe*(podobnie jak elektrodynamika kwantowa zastępuje fizykę klasyczną w opisie zjawisk w skali mikroświata). Powracając jednak do wątku -10-43 s po Wielkim Wybuchu wszechświat był tak gorący (miał 1032 K), że cztery główne, znane nam dziś oddziaływania tworzyły jedną całość. Kiedy temp. opadła do 1028 K zaczęła powstawać pierwsza materia w postaci kwarków, a grawitacja oddzieliła się od pozostałych trzech oddziaływań. Potem powstaje "pierwotna zupa", której składnikami są mało liczne: kwarki, elektrony, neutrina i fotony, które tworzą materię, oraz ich przeciwne co do ładunku elektrycznego: antykwarki, pozytrony, antyneutrina, które tworzą antymaterię. Pomiędzy 10-35, a 10-32 s Wszechświat szybko się powiększał (jest to tzw. okres inflacji) i w tym czasie materia i antymateria uległy anihilacji, w wyniku, której została wyzwolona energia. Cząstki stają się obojętne łącząc się z odpowiednimi anty-cząstkami, co powoduje w efekcie powstanie dwóch fotonów. Fotony, posiadające wystarczającą energię, powodują na nowo powstawanie par cząstka-antycząstka, które znów się neutralizują... Historia mogłaby się tutaj zakończyć gdyby natura nie miała drobnych preferencji dla materii w stosunku do antymaterii: na miliard antycząstek przypadł miliard i jedna cząstka. Materia zwyciężyła. Podczas tego krótkiego czasu (zegar kosmiczny wskazuje 10-5 sekundy), Wszechświat się rozszerza i ochładza, a piekielny proces tworzenia i destrukcji zamiera: fotony nie mają już wystarczającej energii, aby produkować cząstki. Stając się bardziej stabilnymi, kwarki łączą się po 3, tworząc protony i neutrony. Mijają 3 minuty, niektóre protony skupiają się z innym protonem i dwoma neutronami, tworząc w ten sposób jądro helu. Samotne protony tworzą jądra wodoru. 300 000 lat przemija, w trakcie których Wszechświat kontynuuje swoją ekspansję i ochładzanie (jego temperatura nie przekracza już 10000KI). Jądra, naładowane dodatnio w zależności od liczby ich protonów, łączą się z naładowanymi ujemnie elektronami: 1 elektron dla jąder wodoru, 2 dla jąder helu. Jest to początek narodzin pierwszych atomów, najstarszych we Wszechświecie. Jeden miliard lat wystarczył, aby atomy wodoru (75%) i helu (23%) zgrupowały się dzięki sile grawitacji, tworząc cieplejsze rejony w środku lodowatej przestrzeni kosmosu, dając początek galaktykom...

1.4    Dowody Wielkiego Wybuchu

Szukając dowodów na to, że Wielki Wybuch naprawdę nastąpił, przede wszystkim naukowcy starają się ustalić, co działo się wtedy z materią i co dzieje się z nią dzisiaj. Okazuje się, że materia otacza nas wszędzie dookoła i cała jest w ruchu, wszechświat w specyficzny sposób porusza się. Na przykład naukowcy dokonali zdumiewającego odkrycia. Okazało się bowiem, że wszystkie galaktyki z ogromną prędkością uciekają od Ziemi. Co więcej im galaktyka znajduje się dalej od nas z tym większą prędkością się oddala w pustką. Zależność ta została nazwana Prawem Hubble'a. Najodleglejsze kwazary oddalają się od nas z niesamowitą prędkością bliską 94% prędkości światła. Jedyny rozsądnym

1