Тест по астрономии: Внутреннее строение и источник энергии Солнца (10-11 класс)
Тест по астрономии «Внутреннее строение и источник энергии Солнца» для 10-11 классов — это проверочная работа высокого уровня сложности, направленная на диагностику знаний учащихся о физической природе нашей звезды. Вопросы охватывают темы гидростатического равновесия, термоядерного синтеза, механизмов переноса энергии и регистрации солнечных нейтрино.
1
Какое условие обеспечивает стабильность размеров Солнца, не позволяя ему ни расширяться, ни сжиматься?
Правильный ответ:
Гидростатическое равновесие между силой гравитации и внутренним давлением газаПояснение:
Правильный ответ — Гидростатическое равновесие между силой гравитации и внутренним давлением газа. Солнце находится в устойчивом состоянии, потому что колоссальная сила гравитации, стремящаяся сжать звезду в точку, в каждом слое уравновешивается силой газового давления, возникающей из-за высокой температуры и плотности вещества и направленной изнутри наружу.2
Какова оценочная температура в центре (ядре) Солнца?
Правильный ответ:
Около 14–15 миллионов КельвиновПояснение:
Правильный ответ — Около 14–15 миллионов Кельвинов. Теоретические модели внутреннего строения показывают, что для поддержания термоядерных реакций и создания давления, противодействующего гравитации, температура в центральной области должна достигать примерно 1,4–1,5 · 10^7 К. Средняя температура по всему объему ниже (около 4 млн К), а на поверхности — всего 6000 К.3
Какой основной химический процесс служит источником энергии Солнца?
Правильный ответ:
Термоядерный синтез гелия из водородаПояснение:
Правильный ответ — Термоядерный синтез гелия из водорода. В условиях сверхвысоких температур и давлений в ядре Солнца протекает протон-протонный цикл, при котором четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия. Разница масс исходных и конечных продуктов превращается в энергию излучения.4
Какие частицы, рождающиеся в центре Солнца, беспрепятственно и почти мгновенно покидают звезду?
Правильный ответ:
НейтриноПояснение:
Правильный ответ — Нейтрино. Эти элементарные частицы обладают уникальной проникающей способностью и крайне слабо взаимодействуют с веществом. В отличие от фотонов, которые «блуждают» в недрах миллионы лет, нейтрино проходят сквозь толщу Солнца со скоростью света, достигая Земли через 8 минут после рождения.5
Как осуществляется перенос энергии во внешнем слое солнечных недр (на расстоянии от 0,7–0,8 радиуса до поверхности)?
Правильный ответ:
КонвекциейПояснение:
Правильный ответ — Конвекцией. В этой зоне (конвективной зоне) температура и прозрачность вещества падают, и лучистый перенос становится неэффективным. Энергия начинает передаваться путем механического перемешивания вещества: горячие потоки плазмы поднимаются вверх, к фотосфере, а остывшие опускаются вниз.6
Каково примерное время, необходимое энергии (фотону), чтобы пройти путь от центра Солнца до его поверхности?
Правильный ответ:
Несколько миллионов летПояснение:
Правильный ответ — Несколько миллионов лет. Гамма-кванты, родившиеся в ядре, постоянно поглощаются и переизлучаются веществом в зоне лучистого переноса. Траектория их движения представляет собой сложную ломаную линию («случайное блуждание»), из-за чего путь наружу занимает колоссальное время.7
Какой метод использовался в эксперименте Р. Дэвиса для регистрации солнечных нейтрино?
Правильный ответ:
Химическое выделение атомов аргона из большого объема хлораПояснение:
Правильный ответ — Химическое выделение атомов аргона из большого объема хлора. Метод, предложенный Б. Понтекорво, основан на ядерной реакции превращения изотопа хлора-37 в радиоактивный аргон-37 при попадании нейтрино. Ученым приходилось выделять единичные атомы аргона из сотен тонн тетрахлорэтилена.8
Что такое дефект массы в контексте солнечной энергетики?
Правильный ответ:
Разница между массой четырех протонов и массой образовавшегося ядра гелияПояснение:
Правильный ответ — Разница между массой четырех протонов и массой образовавшегося ядра гелия. Масса ядра гелия примерно на 0,7% меньше суммы масс четырех исходных протонов. Эта «исчезнувшая» масса, согласно формуле E=mc², превращается в энергию, которая и заставляет Солнце светить.9
Какую долю радиуса Солнца занимает ядро, где происходят термоядерные реакции?
Правильный ответ:
Центральная область радиусом около 0,3 RПояснение:
Правильный ответ — Центральная область радиусом около 0,3 R. Термоядерные реакции требуют экстремальных температур и давлений, которые достигаются только в самых глубоких недрах звезды. За пределами этой зоны (r > 0,3 R) температура уже недостаточна для синтеза гелия.10
Почему эксперименты по улавливанию нейтрино проводятся глубоко под землей?
Правильный ответ:
Чтобы исключить влияние других космических частиц и излученийПояснение:
Правильный ответ — Чтобы исключить влияние других космических частиц и излучений. Поверхность Земли постоянно бомбардируется космическими лучами, которые могут вызывать ядерные реакции, имитирующие взаимодействие с нейтрино. Толща горных пород служит фильтром, задерживающим всё, кроме всепроникающих нейтрино.11
В каком агрегатном состоянии находится вещество в недрах Солнца?
Правильный ответ:
Полностью ионизированная плазмаПояснение:
Правильный ответ — Полностью ионизированная плазма. Из-за чудовищных температур (миллионы градусов) атомы не могут удерживать электроны. Вещество представляет собой «суп» из свободных атомных ядер и электронов. При расчетах его часто рассматривают как идеальный газ, но по физической сути это плазма.12
Чему примерно равна плотность вещества в центре Солнца?
Правильный ответ:
150 000 кг/м³ (150 г/см³)Пояснение:
Правильный ответ — 150 000 кг/м³. Хотя Солнце состоит из водорода и гелия, давление верхних слоев сжимает газ в центре до плотностей, в 100 раз превышающих среднюю плотность Солнца и в 150 раз — плотность воды. Однако благодаря высокой температуре вещество сохраняет свойства газа.13
На сколько лет, согласно расчетам, хватит запасов ядерной энергии Солнца при современной светимости?
Правильный ответ:
На 10 миллиардов лет (всего), осталось около 5 млрдПояснение:
Правильный ответ — На 10 миллиардов лет (всего). Полный запас водородного топлива в ядре, пригодного для реакций, позволяет Солнцу светить около 10 млрд лет. Так как Солнце существует уже около 5 млрд лет, то запасов энергии хватит еще примерно на такой же срок.14
Какое давление, согласно теоретическим расчетам, должно быть в недрах Солнца для противодействия гравитации?
Правильный ответ:
В миллиарды раз больше атмосферного давления ЗемлиПояснение:
Правильный ответ — В миллиарды раз больше атмосферного давления Земли. Простая оценка по модели двух полушарий показывает, что давление должно составлять величину порядка 2·10^14 Па (в 200 миллиардов раз больше атмосферного), а более точные модели дают еще большие значения (3·10^16 Па в центре).15
Какие частицы, помимо гелия и нейтрино, образуются в результате реакции 4H → He?
Правильный ответ:
Два позитронаПояснение:
Правильный ответ — Два позитрона. В ходе превращения четырех протонов (заряд +4) в ядро гелия (заряд +2) должны сохраниться электрический заряд и другие квантовые числа. «Лишний» положительный заряд уносится двумя позитронами (античастицами электрона), которые затем аннигилируют.16
В чем заключается так называемая «проблема солнечных нейтрино», решенная в последние десятилетия?
Правильный ответ:
Детекторы регистрировали меньше нейтрино, чем предсказывала теорияПояснение:
Правильный ответ — Детекторы регистрировали меньше нейтрино, чем предсказывала теория. Эксперимент Дэвиса показал поток в 3 раза меньше расчетного. Это долгое время ставило под сомнение стандартную модель Солнца, пока не выяснилось, что нейтрино осциллируют (меняют тип) по пути к Земле и становятся невидимыми для хлорного детектора.17
Какой параметр меняется по мере продвижения от ядра Солнца к поверхности?
Правильный ответ:
И плотность, и температура уменьшаютсяПояснение:
Правильный ответ — И плотность, и температура уменьшаются. В центре эти параметры максимальны (15 млн К и 150 г/см³). По мере удаления от центра давление, необходимое для равновесия, снижается, что ведет к падению плотности и температуры (до 6000 К и 10^-7 г/см³ в фотосфере).18
Почему гамма-кванты не выходят из ядра Солнца по прямой?
Правильный ответ:
Они постоянно поглощаются и рассеиваются плотным веществомПояснение:
Правильный ответ — Они постоянно поглощаются и рассеиваются плотным веществом. Свободный пробег фотона в плотной плазме ядра и лучистой зоны ничтожно мал (доли сантиметра). Фотон поглощается атомом (ионом), который затем переизлучает его в случайном направлении, создавая эффект «диффузии» излучения.19
Какое количество энергии выделяется одним килограммом солнечного вещества в секунду в среднем?
Правильный ответ:
Небольшое количество, сопоставимое с тепловыделением гниющих листьевПояснение:
Правильный ответ — Небольшое количество, сопоставимое с тепловыделением гниющих листьев. Удельное энерговыделение Солнца (на единицу массы) крайне мало. Его огромная светимость достигается только за счет колоссальной общей массы. Если бы не этот факт, Солнце взорвалось бы мгновенно, а не светило миллиарды лет.20
Какое физическое уравнение используется для теоретического расчета давления газа внутри Солнца?