Школьная программа для взрослых. Вспомним главное

Оптика — это раздел физики о свете и его взаимодействии с веществом. Благодаря оптике мы знаем, почему небо голубое, как работают очки и откуда берётся радуга.

Свет

Учёные долго спорили, что такое свет — волна или поток частиц. Оказалось, что всё зависит от того, как на него смотреть. В одних опытах свет ведёт себя как волна, в других — как поток частиц. Для нас сейчас важно другое: свет распространяется с огромной скоростью. В вакууме она составляет почти 300 000 километров в секунду. Это абсолютный предел — ничто во Вселенной не может двигаться быстрее.

Отражение и преломление

Когда свет падает на поверхность, он может отразиться. Угол падения всегда равен углу отражения. Благодаря этому мы видим предметы и отражения в зеркалах.

Большинство окружающих нас предметов мы видим благодаря рассеянному отражению. Их поверхность как бы неровная. Свет, попадая на такую поверхность, отражается во все стороны. Именно поэтому предмет можно разглядеть с любой точки — лучи от него попадают к нам в глаза под разными углами.

Зеркало устроено иначе. Под стеклом находится тонкий слой металла — идеально гладкая поверхность. Свет проходит через стекло, отражается от металлической поверхности строго под тем же углом, под которым упал, и возвращается обратно. Благодаря этому мы видим чёткое отражение.

Когда свет переходит из одной среды в другую, например из воздуха в воду, он меняет направление. Это называется преломлением. В воде свет распространяется медленнее, чем в воздухе, поэтому на границе сред он «ломается». Именно из-за этого ложка в стакане кажется сломанной, а дно бассейна — ближе, чем на самом деле.

Линзы

Линза — это прозрачное тело, которое меняет направление световых лучей. Чаще всего линзы делают из стекла или пластика, и они могут быть разной формы. Если линза толще в середине и тоньше по краям — она собирающая. Если наоборот — рассеивающая. Линзы нужны для того, чтобы управлять лучами света: собирать их в пучок или рассеивать, и как следствие увеличивать или уменьшать изображение.

В глазу у каждого из нас тоже есть своя линза — хрусталик. Он прозрачный и эластичный, а специальные мышцы могут менять его кривизну. Когда мы смотрим вдаль, хрусталик становится более плоским. Когда переводим взгляд на близкий предмет, он принимает выпуклую форму, сильнее преломляя свет. Так глаза настраиваются, чтобы изображение всегда попадало точно на сетчатку.

Но не у всех глаза работают идеально. У близоруких людей глаза слишком вытянуты или хрусталики слишком сильно преломляют лучи. Из-за этого изображение далёких предметов фокусируется не на сетчатке, а перед ней. Таким людям нужны очки с рассеивающими линзами. Они немного разводят лучи в стороны, и изображение смещается назад — точно на сетчатку. У дальнозорких людей глаза сплюснуты, и лучи фокусируются за сетчаткой. Им помогают собирающие линзы — они сводят лучи сильнее, и изображение сдвигается вперёд.

В фотоаппарате тоже используют линзы. С их помощью получается уменьшенное изображение предмета на матрице или плёнке. Меняя расстояние между линзами, фотограф может навести резкость — точно так же, как глаза настраиваются с помощью хрусталика.

Дисперсия

Белый свет на самом деле состоит из множества цветов. Ньютон первым это доказал, пропустив солнечный свет через стеклянную призму. На выходе получился спектр: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Это явление называется дисперсией.

Цвета в спектре всегда располагаются в строгом порядке. Красный свет отклоняется призмой меньше всего, фиолетовый — сильнее всех. Поэтому красный всегда на одном конце спектра, а фиолетовый — на противоположном. Этот порядок связан с длиной волны: у красного света волна длиннее, у фиолетового — короче. Чем короче волна, тем сильнее свет преломляется.

Кстати, чёрного цвета в этом списке нет и быть не может. Чёрный — это не цвет, а отсутствие света. Если на поверхность не падает свет или она поглощает почти все лучи, мы видим её чёрной.

Радуга возникает, когда солнечный свет проходит через множество мельчайших капель воды, которые остаются в воздухе после дождя. Каждая капля работает как маленькая призма: свет преломляется на входе, отражается от задней стенки капли и снова преломляется на выходе, раскладываясь на цвета. Именно из-за сферической формы капель радуга имеет форму дуги. Каждая капля отправляет цветной свет под определённым углом, и все вместе они создают гигантскую цветную дугу на небе.

Но человеческий глаз видит лишь малую часть всех существующих излучений. За красным краем спектра находится инфракрасное излучение — мы его не видим, но чувствуем как тепло. За фиолетовым — ультрафиолет, от которого мы загораем и который может быть опасен. Есть ещё рентгеновские лучи, микроволны, радиоволны — всё это тоже электромагнитные волны, просто с разной длиной волны и частотой. Вместе они образуют гораздо более широкий спектр, чем тот, что способен различить наш глаз.

Почему небо голубое, а закат красный

Проходя через молекулы воздуха, свет от Солнца рассеивается. Коротковолновые лучи, синие и фиолетовые, рассеиваются сильнее и гораздо эффективнее, чем длинноволновые красные. Это явление называют рэлеевским рассеянием — в честь учёного, который объяснил, почему короткие волны рассеиваются сильнее длинных. Именно благодаря ему днём мы видим небо голубым. На закате свет проходит через более толстый слой атмосферы, синие лучи рассеиваются ещё сильнее, уходя в стороны, так что до нас доходят преимущественно красные и оранжевые. Поэтому закаты такие красивые.

Атомная физика изучает строение атома и ядерные процессы. Это то, что лежит в основе ядерной энергетики, радиоактивности и нашего понимания материи.

Строение атома

Мы уже знаем, что атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов, а ядро — из протонов и нейтронов. Число протонов определяет, какой это элемент: у водорода один протон, у гелия два, у углерода шесть, у урана девяносто два. Это число называют атомным номером, оно неизменно и уникально для каждого элемента.

Изотопы

Число нейтронов даже у атомов одного и того же элемента может быть разным. Такие разновидности одного химического элемента называют изотопами.

Возьмём, например, водород. В самом простом варианте в его ядре вообще нет нейтронов — только один протон. Это самый обычный водород. Но бывает водород с одним нейтроном в ядре — его называют дейтерием. А есть водород с двумя нейтронами — тритий. Во всех трёх случаях это всё ещё водород, потому что у всех один протон. Меняется только число нейтронов.

Химические свойства у изотопов одинаковые — они вступают в те же реакции, образуют те же соединения. А вот физические свойства могут отличаться. Например, атомная масса у них разная, а значит, они могут по-разному вести себя в некоторых процессах. Так, при испарении более лёгкие изотопы обычно переходят в пар чуть быстрее, чем тяжёлые.

Ионизация

Как мы знаем, в обычном состоянии атом нейтрален: сколько в нём протонов, столько же и электронов. Но если в атом попадает заряженная частица или жёсткая электромагнитная волна, она может выбить один или несколько электронов. Атом теряет электроны и превращается в положительно заряженный ион. Такой ион называют катионом.

Возможен и обратный процесс: атом может захватить лишний электрон, например при столкновении с другим атомом или свободным электроном. Тогда он становится отрицательно заряженным ионом — анионом.

Оба процесса называют ионизацией. В результате появляются заряженные частицы — ионы, которые ведут себя иначе, чем нейтральные атомы: они участвуют в химических реакциях, проводят электрический ток, реагируют на магнитное поле.

Радиоактивность

Радиоактивность — это самопроизвольный распад нестабильных ядер. Откуда берутся такие ядра? В основном они рождаются в звёздах. Лёгкие элементы вроде углерода или кислорода синтезируются в обычных звёздах. А для тяжёлых — урана или тория — нужны взрывы сверхновых. Там, в хаосе колоссальных температур и давлений, частицы лепятся друг к другу как попало. Иногда «конструкция» получается устойчивой, а иногда — с перекосом: нейтронов слишком много или слишком мало для равновесия. Такое ядро живёт в напряжении и рано или поздно избавляется от лишнего.

В зависимости от того, как именно это происходит, возникает излучение разных типов. Их три: альфа, бета и гамма.

Альфа-излучение

Альфа-излучение возникает при распаде тяжёлых элементов. Нестабильное ядро атома буквально выбрасывает из себя плотный сгусток из двух протонов и двух нейтронов. Такая комбинация в физике в точности соответствует ядру гелия. Это очень устойчивая «упаковка», поэтому тяжелому ядру проще и легче всего избавиться именно от неё.

Альфа-частицы летят тяжело и недалеко: обычный лист бумаги или верхний омертвевший слой нашей кожи полностью их останавливают. Снаружи они безвредны, а опасны становятся только в том случае, если источник излучения попадёт напрямую внутрь организма.

В быту альфа-источники почти не встречаются, но есть одно удивительное исключение: некоторые бытовые пожарные извещатели содержат крупицу радиоактивного америция. Альфа-частицы облучают воздух внутри датчика и заставляют его проводить электричество. Между двумя электродами начинает течь слабый ток. Когда в датчик попадает дым, он перекрывает этот поток частиц, ток резко падает — и мгновенно срабатывает сигнал тревоги.

Бета-излучение

Бета-излучение — это поток электронов, которые рождаются в самом ядре в момент распада. На первый взгляд это кажется невозможным, ведь мы помним со школы, что в ядре находятся только протоны и нейтроны, а электроны вращаются снаружи. Откуда же он там берётся?

Всё дело в балансе сил. Если в ядре скапливается слишком много нейтронов, оно становится нестабильным и перегруженным. Чтобы сбросить лишнее внутреннее напряжение и стать устойчивее, один из нейтронов распадается. Он превращается в протон, а «лишний» отрицательный заряд вылетает наружу в виде шустрого электрона. Протон при этом остаётся внутри ядра, из-за чего элемент превращается в совершенно другое вещество — сдвигаясь на один номер вперёд в таблице Менделеева.

Бета-частицы гораздо легче альфа-частиц и летят значительно быстрее. Обычный лист бумаги их уже не остановит. Они способны пробить верхний слой кожи человека, но их легко задерживает тонкий лист металла (например, обычная кухонная фольга) или плотная одежда.

Бета-излучение активно используют в медицине — например, в офтальмологии для точечного лечения опухолей внутри глаза. Также на его основе создают экспериментальные ядерные батарейки. Внутри такого устройства радиоактивный элемент (тритий или никель-63) годами непрерывно излучает электроны, которые попадают на полупроводник и создают в нём электрический ток. Поскольку этот распад идёт очень медленно, микроскопическая батарейка способна без подзарядки питать кардиостимуляторы или датчики в космосе десятки лет.

Гамма-излучение

Гамма-излучение — это электромагнитные волны очень высокой энергии, те же по природе, что и свет, но мощнее. Они возникают, когда ядро, уже испустившее частицу, оказывается в возбуждённом состоянии — как будто оно дрожит от избытка энергии. Чтобы успокоиться, ядро сбрасывает её в виде гамма-кванта.

У гамма-излучения нет массы и заряда, поэтому оно проходит сквозь тело насквозь. Защититься от него может только толстый слой бетона или свинца.

Гамма-лучи незаменимы для стерилизации: они убивают бактерии в медицинских инструментах и продуктах, не оставляя следов и не нагревая предмет.

Радиация

Важно понимать: радиация была вокруг нас всегда. Естественный фон есть везде — в земле, воздухе, стройматериалах, даже в бананах (из-за калия-40). Организм умеет справляться с небольшими дозами и восстанавливать клетки. Опасность начинается там, где дозы многократно превышают природный уровень.

Радиация ионизирует атомы, разрушает молекулы ДНК и вызывает мутации. Поэтому работа с радиоактивными веществами требует строгих мер защиты.

Период полураспада

Период полураспада — это время, за которое распадается половина атомов в любом образце изотопов. Например, если взять миллион атомов йода-131, через 8 суток (период его полураспада) останется 500 тысяч, ещё через 8 суток — 250 тысяч, и так далее. Чем больше период полураспада, тем медленнее идёт распад. Эта величина может быть разной: у урана-238 — 4,5 миллиарда лет, а у некоторых изотопов — доли секунды.

Именно благодаря этой характеристике радиоактивные изотопы находят применение в разных областях.

В археологии используют углерод-14 с периодом полураспада 5730 лет. Пока организм жив, он накапливает этот изотоп из атмосферы. После смерти накопление прекращается, и углерод-14 начинает распадаться. Измерив, сколько его осталось, определяют возраст древних находок.

В медицине важны изотопы с коротким периодом полураспада — часы или дни. Пациенту вводят препарат, содержащий такой изотоп. Препарат устроен так, что он накапливается в зависимости от изотопа в определённом органе или в клетках опухоли. Распадаясь, изотоп испускает гамма-лучи, которые выходят наружу. Детекторы, расположенные вокруг тела, улавливают их, а компьютер строит изображение: чем больше распадов в данной точке, тем ярче она на экране. Если щитовидная железа светится равномерно — значит, она работает нормально. Если в лёгком видно яркое пятно там, где его быть не должно, — это может быть опухоль, потому что раковые клетки поглощают препарат активнее здоровых.

В ядерной энергетике в качестве топлива используют уран-235. Его период полураспада — 704 миллиона лет, что позволяет использовать его долгое время. Но отработанное топливо содержит изотопы с меньшим периодом полураспада — сотни и тысячи лет. Они продолжают распадаться и испускать опасное излучение. Это одна из главных проблем атомной энергетики.

Так период полураспада определяет не только время жизни изотопа, но и то, где и как его можно применять.

Ядерные реакции

Ядерные реакции бывают двух типов: деление и синтез. И в том и в другом случае выделяется огромное количество энергии — намного больше, чем при горении или химических реакциях.

Деление — это когда тяжёлое ядро, например урана или плутония, захватывает лишний нейтрон, теряет устойчивость и раскалывается на два более лёгких ядра. При этом высвобождается энергия и вылетают ещё несколько нейтронов. Они могут попасть в соседние ядра и вызвать их деление — так возникает цепная реакция.

Управлять цепной реакцией можно с помощью стержней из материалов, которые хорошо поглощают нейтроны, — например, бора или кадмия. Если такие стержни ввести в активную зону реактора, они заберут часть нейтронов на себя, и реакция замедлится. Если стержни вывести — нейтронов станет больше, и реакция усилится. Меняя положение стержней, можно точно поддерживать нужную мощность.

Именно так работают атомные электростанции: реакция идёт ровно столько, сколько нужно, нагревает воду, пар крутит турбину — и получается электричество. Если же стержни убрать полностью и не контролировать процесс, реакция нарастает лавинообразно — это уже атомный взрыв. Так случилось в 1986 году на Чернобыльской АЭС, когда неуправляемая цепная реакция разрушила реактор и привела к крупнейшей техногенной катастрофе XX века.

Синтез — это обратный процесс. Лёгкие ядра, например изотопов водорода (дейтерия и трития), сливаются в одно более тяжёлое ядро — гелий. Для этого их нужно сблизить настолько, чтобы заработали ядерные силы, а этому мешает электрическое отталкивание. Поэтому синтез требует колоссальных температур и давления. Именно так работает Солнце: в его недрах водород превращается в гелий, выделяя энергию, которая согревает Землю.

На Земле человек научился делать это пока только в неуправляемом режиме — в водородной бомбе. Там нужные условия создаются с помощью атомного взрыва. А вот управляемый термоядерный синтез — та самая «мечта физиков», которая обещает почти бесконечную и чистую энергию. Над её осуществлением бьются лучшие умы планеты.

Астрономия — это наука о небесных телах. Она изучает планеты, звёзды, галактики и всё, что находится за пределами Земли.

Солнечная система

В центре нашей системы — Солнце, звезда, которая содержит 99,8% всей массы системы. Вокруг него вращаются восемь планет, карликовые планеты, астероиды и кометы. Раньше планет было девять, но Плутон «разжаловали» в карликовые планеты.

Планеты не «падают» на Солнце по той же причине, что и спутники — мы уже разбирали это в кинематике: огромная скорость и сила тяжести создают орбитальное движение. Чем ближе планета к Солнцу, тем выше её скорость. Меркурий делает оборот вокруг Солнца за 88 земных суток, Нептун — за 165 лет.

Вокруг самих планет, в свою очередь, вращаются спутники. Так выстраивается иерархия: планеты вращаются вокруг звёзд, а спутники — вокруг планет.

Луна

Луна — спутник Земли. Она вращается вокруг нас и всегда повёрнута к нам одной стороной. Это называется приливным захватом: за миллиарды лет гравитация Земли замедлила вращение Луны настолько, что теперь она делает один оборот вокруг своей оси ровно за то же время, за которое облетает Землю.

Мы видим её в разных фазах: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть. Фазы зависят от того, как Солнце освещает Луну и как мы смотрим на неё с Земли.

Солнечное затмение происходит, когда Луна закрывает Солнце. Лунное затмение — когда Земля отбрасывает тень на Луну.

Примерно два раза в сутки Луна вызывает приливы и отливы. Её притяжение заставляет воду в океанах смещаться, создавая приливные волны. Вода как бы «вытягивается» в сторону Луны, а на противоположной стороне Земли возникает второй прилив — из-за инерции.

Малые тела Солнечной системы

Кроме планет и их спутников вокруг Солнца вращаются миллиарды более мелких объектов.

Астероиды — это каменные и металлические глыбы неправильной формы. Большинство из них кружит между орбитами Марса и Юпитера в так называемом поясе астероидов. Они намного меньше планет, но некоторые достигают сотен километров в диаметре. Иногда их называют малыми планетами.

Кометы устроены иначе. Астрономы называют их «грязными снежками» — это ледяные глыбы с вкраплениями камня и космической пыли. При приближении к Солнцу лёд начинает испаряться. Вокруг ядра образуется туманное облако, а за кометой тянется светящийся шлейф. Этот хвост всегда направлен строго от Солнца — его «сдувает» солнечный ветер.

А что за путаница происходит с метеорами и метеоритами? Сами по себе это просто космические обломки. Когда такой осколок влетает в атмосферу Земли, он раскаляется от трения и сгорает. Саму вспышку и светящийся след в небе мы называем метеором, или падающей звездой. Если же обломок оказывается слишком крупным, не успевает сгореть целиком и врезается в землю — перед нами метеорит. Метеориты — единственные «гости» из космоса, которые человек может потрогать руками. Их изучают, чтобы узнать, из чего зародился наш мир.

Звёзды

Звёзды — это огромные раскалённые газовые шары. Как и у Солнца, в их недрах идёт термоядерный синтез, превращающий водород в гелий и выделяющий энергию. Звёзды рождаются из облаков газа и пыли, живут какое-то время и умирают. Маленькие звёзды живут очень долго, миллиарды лет, и в конце тихо остывают, превращаясь в белых карликов. Огромные звёзды сгорают быстро — за миллионы лет — и взрываются сверхновыми, разбрасывая вещество по космосу. Все тяжёлые элементы в нашем теле — железо, кальций, углерод, кислород — родились внутри бывших звёзд. Наша планета не умеет создавать тяжёлые элементы. Мы буквально собраны из того, что когда-то являлось частью звёзд.

Чёрные дыры

Когда звезда умирает, её судьба зависит от массы. Если звезда была небольшой, она тихо остывает и превращается в белого карлика. Если звезда была массивной, но не гигантской, она взрывается сверхновой. Большая часть вещества разлетается в космос — именно из этих «звёздных осколков» потом формируются новые звёзды и планеты. А то, что остаётся от ядра, сжимается в невероятно плотный объект — нейтронную звезду. Она весит как Солнце, но размером с небольшой город.

Но если звезда была по-настоящему огромной, её ядро под действием собственной тяжести сжимается настолько, что ничто уже не может остановить падение. Так рождается чёрная дыра.

Это область пространства, где гравитация настолько сильна, что вторая космическая скорость — та, с которой нужно улететь, чтобы преодолеть притяжение — здесь превышает скорость света. Напомним: во Вселенной ничто не может двигаться быстрее света. А значит, ничто не может и вырваться из чёрной дыры. Даже свет. Поэтому мы видим её как абсолютно чёрную.

Граница, за которой возврат невозможен, называется горизонтом событий. Всё, что переступает эту черту — звезда, облако газа, космический зонд — обречено упасть в центр и сжаться в точку бесконечной плотности, которую называют сингулярностью. Там перестают работать привычные законы физики.

Сами чёрные дыры невидимы, но их выдают соседи. Если рядом есть звезда, чёрная дыра стягивает с неё вещество. Газ закручивается в спираль, разгоняется, трётся сам о себя, раскаляется до миллионов градусов и начинает ярко светить в рентгеновском диапазоне. По такому свечению астрономы их и находят.

Чёрные дыры бывают очень разными. Есть звёздные — массой в несколько Солнц. А есть сверхмассивные — в миллионы и миллиарды раз тяжелее Солнца. Именно такие сверхмассивные чёрные дыры находятся в центрах большинства галактик.

Галактики

Галактика — это огромное скопление звёзд, которое удерживает вместе гравитация чёрной дыры, расположенной в центре галактики.

Наше Солнце — лишь одна из сотен миллиардов звёзд в галактике Млечный Путь. Чёрная дыра в её центре весит примерно как 4 миллиона Солнц, но находится так далеко, что никак не влияет на нашу жизнь.

Млечный Путь имеет форму спирали с перемычкой — как будто огромный вихрь застыл в движении. Своё название он получил из-за внешнего вида: в ясную ночь мы видим его как светящуюся полосу, напоминающую разлитое молоко. Это свечение миллиардов далёких звёзд, которые на таком расстоянии сливаются для глаз в сплошное сияние.

Но наша галактика — не единственная. За её пределами существуют миллиарды других. Ближайшая к нам крупная галактика — Андромеда. В её центре тоже находится сверхмассивная чёрная дыра. Андромеда движется прямо в направлении Млечного Пути, и через несколько миллиардов лет они должны столкнуться.

Большой взрыв

Вселенная начала резко расширяться из очень плотного и горячего состояния около 13,8 миллиарда лет назад. Это называют Большим взрывом. Что было до этого — до сих пор тайна, которую пытаются разгадать учёные.

Главное доказательство этой теории мы видим прямо сейчас: галактики разлетаются в разные стороны. Чем дальше галактика, тем быстрее она от нас улетает. Это открыли по красному смещению в спектрах далёких звёзд.

Расширение продолжается до сих пор. И, скорее всего, будет длиться вечно.

Всё, что мы вспоминали до сих пор — от падающих яблок до электрического тока в проводах — это классическая физика. Она безупречно работает в нашей повседневной жизни: машины едут, чайники греются, а лампочки светят. Но на самых экстремальных этажах нашей Вселенной привычные законы Ньютона внезапно перестают работать. Это происходит там, где скорости приближаются к космической скорости света, и там, где мы пытаемся разглядеть поведение самых крошечных, элементарных частиц.