Контрольная: Концепции современного естествознания

эта работа была сделана на заказ!

список оригинальных работ( больше 100) в режиме off-line вы можете

посмотреть по адресу:

http://www.sinor.ru/~ranger/Ref

также вы найдете много учебной литературы и статей по всем предметам в моей

библиотеке on-line

http://www.sinor.ru/~ranger

Государственный комитет по высшему образованию Российской Федерации

Новосибирская государственная академия экономики и управления

Кафедра концепций современного естествознания

контрольная работа

по курсу: Концепции Современного Естествознания

Вариант 5

Выполнил ст. 1-го курса

заочного факультета

спец. Бухучет и Аудит

Новосибирск 1999

1. Использование законов сохранения импульса и момента импульса в

современной цивилизации

Законы сохранения импульса и момента импульса выполняются при любом

взаимодействии, об этом свидетельствуют многочислен­ные экспериментальные

данные. Таким образом, эти законы спра­ведливы в мега-, макро- и микромире, и

называются великими за­конами сохранения.

В мега мире закон сохранения момен­та импульса объясняет наблюдаемую форму

галактик. Каждая галактика об­разовывалась из очень большой массы газа (порядка

1039—1040 кг), обладаю­щей первоначальным моментом

им­пульса.

Широкое применение в современ­ной технике имеет гироскоп. Гироскоп — это

осе симметричное тело, быстро вращающееся вокруг своей геометрической оси.

Простейшим примером этого прибора слу­жит знакомая всем еще с детства игрушка

— волчок. Ось вращения сохраняет свое направления в пространстве неизменным,

если для удержания гироскопа использовать так называемый карданов подвес.

Такие устройства нашли широкое применение в авиации и космо­навтике, в

устройствах, обеспечивающих ориентацию судов вблизи магнитного поля Земли.

При выборе огнестрельного оружия предпочтение отдается нарез­ному по

сравнению с гладкоствольным. Нарезное оружие, как изве­стно, стреляет на

большие расстояния и с большей точностью. Про­ходя через ствол, пуля

закручивается и приобретает момент импуль­са, направленный вдоль скорос­ти ее

движения. Этот момент им­пульса придает пуле устойчивую ориентацию в

пространстве, так, что различные турбулентности воздуха, возникающие в силу

быстрого ее движения, не могут отклонить ее от цели.

Из опытных данных хорошо известно, что элементарные час­тицы обладают

внутренним мо­ментом импульса.

Экспериментальные методы исследования элементарных частиц основаны на законе

сохранения импульса. При столкновении элемен­тарные частицы оставляют видимые

следы (треки) в специальных камерах, заполненных перенасыщенными парами воды

или перегре­той жидкостью. При этом выводы о массе и свойствах эле­ментарных

частиц делаются на основании закона сохранения импульса.

В игре "бильярд" сталкиваются шарики с равной массой. Как мож­но заметить из

опыта или заключить из закона сохранения импуль­са, при столкновении двух

шариков с равной массой, один из кото­рых покоился, движущийся шарик при

столкновении передаст часть или весь свой импульс покоящемуся, а сам замедлит

или остановит свое движение. При столкновении шариков с существенно разными

массами направление и скорость движения изменит только легкий шарик. По этой

причине во многих видах спорта участников сорев­нований делят на группы с

примерно одинаковой массой участни­ков в каждой из них.

Любое движение материальных тел осуществляется в строгом со­ответствии с

законом сохранения импульса. Поэтому освоение око­лоземного пространства и

полеты в космос невозможны без приме­нения реактивной тяги. Закон сохранения

импульса ставит непрос­тые вопросы перед "уфологами" периодически вступающими

в "кон­такт" с "инопланетным разумом".

2. поясните понятие инертной и гравитационной массы. Исходя из каких

окружающем мире, если бы эти массы не были пропорциональны друг другу.

Галилей открыл явление падения всех тел на Земле с одинако­вым ускорением. Масса

m связана с весом тела, но сам вес зависит от массы того тела, к которому

притягивается масса m. Следовательно, вес не может служить коэффициентом

пропорциональности между силой и ускорением, поэтому и вводят понятие инертной

массы M, которая характеризует "нежелание" тела сдвинуться с места. Мас­са не

зависит от направления движения (это многократно проверя­лось экспериментально)

и с точностью до 10-9является скалярной (лат. scataris

"ступенчатый") величиной.

Ньютон связал понятия массы и веса тела. Чтобы проверить выводы Галилея,

Ньютон провел серию опытов с маятниками и убедился, что свинцовый и

деревянный шары пада­ют с одинаковыми ускорениями, значит, Земля в этом

случае оди­наково действует на оба шара. Такое влияние Земли на каждый шар

(или каж­дое тело) можно выражать тяжестью, измеренной на весах путем

сравнения с тяжестью тела, принятой за единицу. Развивая мысль Галилея,

Ньютон вводит понятие силы F = MW как меру действия одного тела на другое,

отождествляя вес с силой действия, оказыва­емого на него Землей.

У Ньютона масса — единственная причина гравитационноного вза­имодействия.

Массы входящие в уравнение закона всемирного тяготения, называют

гравитационными. В отличие от инертных масс которые служат коэффициентом

пропорциональности между силой, действующей на тело, и его ускорением,

гравитационные массы определяют силу гравитационного взаимодействия между

телами.Инертная масса была определена в динамическом опы­те: прикладывается

известная сила, измеряется ускорение, и из фор­мулы F = MW выводится масса М.

В законе гравитационного взаимо­действия иная масса, она может определяться

из статического экспе­римента: измеряют силу взаимодействия между двумя

телами, рас­положенными на определенном расстоянии.

Галилей пришел к выводу о пропорциональности гравитационной m и инертной М масс,

сбрасывая тела с высоты. Попробуем просле­дить за его рассуждениями. Допустим,

мы бросили вниз одновремен­но два тела, отличающиеся весом, — m1g и

m2g. Согласно второму закону Ньютона, их ускорения соответственно

будут определятся из соотношений: F1 = M1W1 и

F2 = M2W2. Сила, действующая на каждое тело,

равна его весу: m1g = M1W1 и m2g =

M2W2. Ускорение каждого тела при падении равно: W1

= (m1/M1)g и W2 == (m2/M2

)g. Эксперимент Галилея показал, что все тела при отсутствии сопротивления

падают с одинаковым ускорением, т. е. отношение ускорений равно едини­це, или

(W1/M2)= (m1/М1)(М2/m

2) = 1. Это возможно только при про­порциональности инертной и

гравитационной масс.

Последние эксперименты подтверждают равенство m = М с точ­ностью до 10-11

. Опыты венгерского физика барона Лоранда фон Эт-веша показали универсальный

характер пропорциональ­ности гравитационной и инертной масс, т. е. при

соответствующем выборе единиц измерения коэффициент пропорциональности можно

сделать равным единице. Универсальность означает пропорциональ­ность масс для

всех веществ, поэтому они измеряются в граммах. Теория Ньютона не объясняет

причину этой пропорциональности.

Наглядным подтверждением совпадения инертной и гравитационной масс служит тот

факт, что все тела независимо от массы и состава падают на Землю с одним и

тем же ускорением свободного падения. Состояние невесомости - это состояние

свободного падения.

3. Поясните принцип Ле Шателье. Найдите примеры применения этого принципа

вне химии

Поскольку большинство химических реакций не идет до конца, то становится

важным понятие равновесия между прямой и обрат­ной реакциями. В какой-то

момент их скорости сравняются, и в дан­ной системе при данных условиях

установится динамическое равновеcue. Вывести систему из равновесия можно

только изменив условия согласно принципу, предложенному в 1884 г. Анри Луи

Ле: "Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов

равновесия, например, увеличить давление, то произойдет реакция,

сопровождающаяся уменьшением объема, и на­оборот. Если же такие реакции

происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на

равновесие".

Сейчас этот принцип формулируют так: внешнее воздействие, которое выводит

систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы,

направленные на ослабление резуль­татов такого влияния или, еще современнее,

что система выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным

производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на

ослабление внешнего воздействия. Ле Шателье применял этот закон в

промыш­ленных условиях для оптимизации синтеза аммиака, производства стекла и

цемента, выплавки металлов, получения взрывчатых ве­ществ. Катализаторы, как

оказалось, не влияют на положение рав­новесия: они одинаково влияют на прямую

и обратную реакции, ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его.

Примером применения этого принципа вне химии может быть следующая ситуация:

Массовое размножение грызунов влечет за собой увеличение численности хищников

и паразитов. Они сокращают численность популяции грызунов. Но вслед за этим

сокращается численность хищников, так как они начинают погибать от голода. Т.

е. Равновесие в экосистеме восстанавливается.

4. Поясните понятие «фазы» и «фазового перехода». Какие фазовые переходы

относят к фазовым переходам первого и второго родов, что лежит в основе такой

классификации. Приведите примеры.

фазами называют различные однородные части физико-химичес­ких систем.

Однородным является вещество, когда все параметры со­стояния вещества

одинаковы во всех его элементарных объемах, раз­меры которых велики по

сравнению с межатомными состояниями. Смеси различных газов всегда составляют

одну фазу, если во всем объеме они находятся в одинаковых концентрациях. Одно

и то же вещество в зависимости от внешних условий может быть в одном из трех

агрегатных состояний — жидком, твердом или газообразном. В зависимости от

внешних условий система может находиться в рав­новесии либо в одной фазе,

либо сразу в нескольких фазах.

Во время фазового перехода температура не меняется, но меняет­ся объем

системы. Фазовые переходы бывают нескольких родов. Существуют такие условия

давления и температуры, при которых вещество находится в равновесии в разных

фазах. Температуры, при которых происходят переходы из одной фазы в другую,

называются температурами перехода. Они зависят от дав­ления, хотя и в

различной степени: температура плавления — сла­бее, температуры

парообразования и сублимации — сильнее.

Изменения агрегатных состояний вещества называются фазовыми переходами 1-го

рода, если: 1) температура постоянна во время все­го перехода; 2) меняется

объем системы; 3) меняется энтропия системы.

Чтобы произошел такой фазовый переход, нужно данной массе вещества сообщить

определенное количество тепла, соответствующе­го скрытой теплоте превращения.

В самом деле, при переходе из бо­лее конденсированной фазы в фазу с меньшей

плотностью нужно сообщить некоторое количество энергии в форме теплоты,

которое пойдет на разрушение кристаллической решетки (при плавлении) или на

удаление молекул жидкости друг от. друга (при парообразова­нии). Во время

преобразования скрытая теплота пойдет на преодоле­ние сил сцепления,

интенсивность теплового движения не изменит­ся, в результате температура

остается постоянной. При таком перехо­де степень беспорядка, следовательно, и

энтропия, возрастает. Если процесс идет в обратном направления, то скрытая

теплота выделяется.

Фазовые переходы 2-го, 3-го и т.д. родов связаны с порядком тех производных

термодинамического потенциала дФ, которые ис­пытывают конечные изменения в

точке перехода.

Такая классификация фазовых превращений связана с работами физика-теоретика

Пауля Эренфеста. Так, в случае фа­зового перехода 2-го рода в точке перехода

испытывают скачки про­изводные второго порядка: теплоемкость при постоянном

давлении с = -Т(д2Ф/дТ2), сжимаемость b=-(1/V0

)( д2Ф/дp2), коэффициент теплового расширения a= (1/V

0)( д2Ф/дTp), тогда как первые произ­водные остаются

непрерывными. Это означает отсутствие выделения (поглощения) тепла и изменения

удельного объема (Ф — термоди­намический потенциал).

В 1937 г. Ландау показал, что фазовые переходы 2-го рода связаны с

изменени­ем симметрии системы: выше точки перехода система, как правило,

обладает бо­лее высокой симметрией. Например, в магнетике спиновые моменты

выше точки ориентированы хаотически, и одновременное вращение всех спинов

вокруг одной оси на одинаковый угол не изменяет свойств системы. Ниже точки

перехода спи­ны имеют некоторую преимущественную ориентацию, и одновременный

их пово­рот меняет направление магнитного момента системы. Ландау ввел

коэффициент упорядочения и разложил термодинамический потенциал в точке

перехода по сте­пеням этого коэффициента, на основе чего построил

классификацию всех возмож­ных типов переходов, а также теорию явлений

сверхтекучести и сверхпроводи­мости.

В окружающей нас природе мы особенно часто наблюдаем фазо­вые переходы воды.

При переходе воды в пар происходит сначала испарение — переход поверхностного

слоя жидкости в пар, при этом в пар переходят только самые быстрые молекулы:

они должны пре­одолеть притяжение окружающих молекул, поэтому уменьшаются их

средняя кинетическая энергия и, соответственно, температура жид­кости.

Наблюдается в быту и обратный процесс — конденсация.

Оба эти процесса зависят от внешних условий. В некоторых случа­ях между ними

устанавливается динамическое равновесие, когда чис­ло молекул, покидающих

жидкость, становится равным числу моле­кул, возвращающихся в нее. Опыт

показывает, что насыщенный пар, или пар, находящийся в динамическом

равновесии со своей жидко­стью, не подчиняется закону Бойля — Мариотта,

поскольку его дав­ление не зависит от объема. Процессы испарения и

конденсации воды обуславливают сложные взаимодействия атмосферы и гидросферы,

имеют важное значение в формировании погоды и климата. Между атмосферой и

гидросферой происходит непрерывный обмен веще­ством (круговорот воды) и

энергией.

Исследования показали, что с поверхности Мирового океана, со­ставляющего 94 %

земной гидросферы, за сутки испаряется около 7 000 км3 воды и

примерно столько же выпадает в виде осадков. Во­дяной пар, увлекаемый

конвекционным движением воздуха, подни­мается вверх и попадает в холодные слои

тропосферы. По мере подъе­ма пар становится все более насыщенным, затем

конденсируется, об­разуя дождевые и облачные капли. В процессе конденсации пара

в тропосфере за сутки выделяется около 1,6-1022 Дж теплоты, что в

десятки тысяч раз превосходит вырабатываемую человечеством энер­гию за то же

время.

Если процесс перехода жидкости в пар происходит во всем объе­ме, то его

называют кипением. Разрыв пузырьков у поверхности ки­пящей жидкости

свидетельствует, что давление пара в них превыша­ет давление над поверхностью

жидкости.

Поздней осенью, когда после сырой погоды наступает резкое по­холодание, на

ветвях деревьев и на проводах можно наблюдать иней — это десублимировавшие

кристаллики льда. Подобное явление ис­пользуют при хранении мороженого, когда

углекислота охлаждает­ся, так как переходящие в пар молекулы уносят энергию.

На Марсе явления сублимации и десублимации углекислоты в его полярных шапках

играют такую же роль, что и испарение — конденсация в атмосфере и гидросфере

Земли.

5. в чем уникальность строения атома углерода и почему он так

распространен в соединениях. Почему нашу жизнь иногда называют углеродной.

С точки зрения химии жизнь — это всевозможные превращения разнообразных

крупных и сложных молекул, главным элементом ко­торых является углерод. Он

важен не с точки зрения распространенности на Земле, в земной коре углерода

всего 0,055 %, в то время как кислорода 60,50 %, кремния 20,45 % и даже

титана 0,27 %. В атмосфере двуокиси углерода 0,03 %, т. е. углерода всего

0,008 %. Все биологически функциональные вещества, кроме несколь­ких солей и

воды, содержат углерод. Это белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число

соединений углерода огромно. Они назы­ваются органическими соединениями,

поскольку когда-то считалось, что такие молекулы могут образовываться только

в живых организ­мах.

Органическая химия посвящена изучению углерода и его соеди­нений. Атомный номер

углерода — 6, его ядро содержит шесть про­тонов и шесть нейтронов, вокруг ядра

вращаются шесть электронов, масса атома С равна 12. При химических реакциях

углерод способен присоединить 4 электрона и образовать устойчивую оболочку из

восьми электронов, т. е. имеет валентность, равную четырем, и спо­собен к

прочной ковалентной (присоединением электронов) связи. Например, эмпирическая

формула одного из таких прочных соеди­нений — метана — СН4, а в

структурном изображении — это тетра­эдр (четыре симметричные связи углерода).

Уникальным свойством углерода является его способность образо­вывать

стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнооб­разие органических

соединений, причем эти связи могут быть крат­ными. При этом важно

расположение атомов в пространстве, которое приводит к оптической активности

вещества, к отличию в повороте плоскости поляризации проходящего света (рис.

1). Структурные формулы наглядно отражают связь формулы со свойствами

вещества, с их помощью стало возможным объяснение изомерии и предсказа­ние

свойств неизвестных еще соединений.

Рис. 1. Способы соединения атомов углерода друг с другом Черточки со

свободными концами при каждом атоме углерода показывают, что он может

образовывать связи с атомами других элементов (обычно это водород, кислород,

азот, сера)

Зная валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение всех

недостающих водородных атомов, что позволяет со­средоточить внимание на

наиболее важных связях и химических груп­пах. Такие прочные ковалентные связи

углерод может образовывать и с атомами других элементов (Н, О, Р, N, S), и с

углеродными (С-С связь). Внутреннее отличие органики от большинства

неорга­нических соединений выражается в том, что химические связи, как

правило, в органических соединениях валентные, а ионные связи — очень редки.

Поэтому углерод обладает этими уникальными свойствами, среди которых еще не

отмечена способность соединений углерода к полимеризации и поликонденсации, а

наша жизнь называется углеродной.

6. Преобразования энергии и круговорот веществ в природе. Чем они

отличаются и что между ними общего.

Биосфера представляет из себя единство живого и минеральных элементов,

вовлеченных в сферу жизни. Она распределена по земной поверхности крайне

неравномерно и в различных природных услови­ях принимает вид относительно

независимых комплексов — биогеоценозов (или экосистем). Живая часть

биогеоценоза — биоценоз - состоит из популяций организмов разных видов.

Одним из самых больших достижений науки в XX в. является выяснение механизмов

превращения энергии в биологических системах Сейчас уже понятно, как солнечная

энергия преобразуется в специальных пигментных структурах расте­ний в энергию

химических связей, как превращаются вещества в процессах бро­жения и гликолиза

(окисление углеводов без кислорода), как происходит внутри­клеточное дыхание —

перенос электронов в митохондриях от коферментов к кис­лороду. В центре этих

превращений в клетке находится АТФ, которая синтезирует­ся из АДФ и Н3

РО4 за счет световой энергии или энергии, выделяемой при гликолизе,

брожении или дыхании. При гликолизе АТФ выделяется энергия, необходимая для

совершения всей работы живого организма — от создания градиентов концен­трации

ионов и сокращения мышц до синтеза белка.

Биосфера улавливает лишь небольшую часть солнечной энергии, поступающей на

Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая составляет 30 %

всей солнечной энергии, доходящей до Земли, практически полностью

задерживается атмосферой. Половина поступающей энергии превращается в тепло и

затем излучается в космическое пространство, 20% расходуется на испарение

воды и образование облаков и только около 0,02 % используется биосферой.

Зеленые расте­ния усваивают эту энергию, поглощая молекул».) хлорофилла, и

про­цессе фотосинтеза преобразуют ее и запасают и форме сахарен. От этого

процесса зависит нее существование биосферы.

Животные, поедая растения, а хищники — травоядных животных, освобождают для

себя эту энергию, сжигая сахара и другие пита­тельные вещества при помощи

кислорода. Переработка пищи в орга­низмах сопровождается выделением энергии,

при этом часть ее запа­сается в форме химической энергии и используется для

совершения работы. В отличие от простейших существ, у которых сжигание

веществ может происходить в любой части организма, высшие животные обладают

специальной системой, распределяющей по орга­низму кислород и энергоносители.

В легких кровь поглощает кисло­род и выделяет углекислый газ, в кишечнике она

получает пита­тельные вещества. Процессы переваривания пищи обеспечивают

раз­ложение сложных компонентов пищи на более простые, которые усваиваются

кишечником и поступают в кровь, при этом высво­бождается энергия. Конечные

продукты обмена веществ (избыток солей, воды, чужеродные и токсичные

соединения) поступают через почки в мочу и выводятся из организма.

Животные не получают необходимую им энергию непосредствен­но от Солнца. Для

добывания пищи им нужна сенсорная система ее обнаружения (глаза, уши, нос или

сонар — ультразвуковой лока­тор, иные органы) и мускульная система,

приводящая в движение их органы (руки, ноги, плавники, крылья и т.д.). Кроме

того, у растений и животных имеются регулирующие системы — железы, выделяющие

гормоны, и нервная система. В организме постоянно со­вершается работа:

перекачивается кровь, поглощаются питательные вещества, происходят процессы

возбуждения молекул, в которых запасается энергия, выводятся отходы

жизнедеятельности и вредные вещества и т. д. Для создания упорядоченных

систем (высокого уров­ня генетической или нервной организации) тоже

необходима энер­гия. Эффективное функционирование всех систем обеспечивается

также информацией о внешнем и внутреннем окружении. Работа со­стоит в

выработке сигналов, которые регулируют энергетические процессы, организуют

биоструктуры, контролируют расход энергии на разные раздражители и т. п.

Удовлетворение энергетических потребностей организмов проис­ходит в рамках

равновесия, которое устанавливается между различ­ными организмами данной

среды обитания (экосистемы). Среди оби­тателей обычно выделяют два типа

организмов: одни способны не­посредственно использовать солнечную энергию и

перерабатывать

в пищу вещества из неживой окружающей среды (автотрофы), дру­гие зависят от

остальных производителей энергии, т. е. сами не про­изводят необходимую им

пищу {гетеротрофы). Все элементы, из ко­торых построены организмы,

многократно используются в биосфе­ре, тем более, что масса всего живого,

когда-либо заселявшего Зем­лю, много больше массы самой Земли. Обмен энергии

в биосфере отличается от круговорота веществ в ней. Частично энергия

рассеива­ется при переходе от продуцентов (зеленых растений) к травоядным, а

затем и к плотоядным животным (редуцентам), поэтому необходи­ма постоянная

подпитка биосферы солнечной энергией.

Основу биосферы составляет биотический круговорот органичес­ких веществ при

участии всех населяющих ее организмов. В законо­мерностях этого круговорота

решена проблема развития и длитель­ного существования жизни. Мы не говорим

"бесконечного", потому что все на земле имеет конец: сама Земля представляет

собой огра­ниченное тело, конечен запас минеральных элементов и т. д.

"Един­ственный способ придать ограниченному количеству свойство

беско­нечного, — писал академик В. Р. Вильяме, — это заставить его вращаться

по замкнутой кривой. Зеленые растения создают органическое вещество,

незеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных из распада

органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое

вещество и так без конца".

Жизнь на Земле идет именно таким путем. Каждый вид — это только звено в

биотическом круговороте. Непрерывность жизни обес­печивается процессами

синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют

другие организмы. Особенно вели­ка в этом круговороте роль микроорганизмов,

которые превращают остатки животных и растений в минеральные соли и

простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растения­ми

для синтеза новых органических веществ. При разрушении слож­ных органических

соединений высвобождается энергия, теряется ин­формация, свойственная сложно

организованным существам. Любая форма жизни участвует в биотическом

круговороте, и на нем основана саморегуляция биосферы. Микроорганизмы при

этом играют двоякую роль: они быстро приспосабливаются к разным условиям

жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источ­ника углерода

и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями и потому

располагаются выше одноклеточных в эко­логической пирамиде, опираясь на них,

как на фундамент.

Биотический круговорот состоит из разных круговоротов, причем каждый биоценоз

представляет модель биосферы в миниатюре. Важ­ны и исторические факторы

формирования биоценоза, и климат, и ландшафт, и многое другое. Напри­мер,

экосистема леса включает биоценозы различных типов лесов — хвойные,

лиственные, тропические, каждый из которых характери­зуется своим

круговоротом веществ. В этом мне кажется проявляется отличие биотического

круговорота от круговорота энергии, второе отличие: по закону сохранения

энергии энергия не возникает ниоткуда и не уходит в никуда, т.е.

преобразование энергии вечно (именно в данном круговороте энергии), а

круговорот веществ в природе имеет свое окончание, как уже было сказано выше.

7. Какие виды взаимодействий Вы знаете и какие из них играют важную роль

в повседневной жизни и почему.

В настоящее время известны четыре типа взаимодействий: гра­витационные, слабые,

электромагнитные и сильные. Физике XVII—XVIII вв. были известны только

гравитационные взаимодей­ствия. Было найдено, что гравитационные силы прямо

пропорцио­нальны произведению масс и обратно пропорциональны квадрату

расстояния между массами. Мы постоянно ощущаем гравитацию в на­шей жизни.

Гравитация (лат gravifas "тяжесть"), или тяготение, не очень существенна при

взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную

систему и галактики. По закону всемирного тяготения (открытого Ньютоном),

описываю­щему это взаимодействие в хорошем приближении, две точечные массы

притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соеди­няющей их прямой: F

гр= - Gm1*m2/r2

Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние между

телами (считается, что размер тел много меньше г), m1 и m2

— массы тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину

гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг

от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67-1011 Н. Если бы

величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждение об

универсальности постоян­ной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой

момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными рас­стоянием

в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно гово­рить об универсальности

постоянной G и о том, что она определяет структуру гравитирующих систем.

Обратимся теперь к электромагнитному взаимодействию. И элек­трические, и

магнитные силы обусловлены электрическими заряда­ми. Силы взаимодействия

между зарядами сложным образом зависят от положения и движения зарядов. Если

два заряда e1 и е2, непод­вижны и сосредоточены в точках на расстоянии г, то

взаимодействие между ними чисто электрическое и определяется простой

зависимос­тью (закон Кулона):

Здесь сила электрического взаимодействия, направленная вдоль прямой, соединяющей

заряды, будет силой притяжения или оттал­кивания в зависимости от знаков

зарядов е1 и е2 Через e обозначе­на универсальная

постоянная, определяющая интенсивность элект­ростатического взаимодействия, ее

значение 8,85 • 1012 Ф/м. Электрический заряд всегда связан с

элементарными частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них

— протона и электрона — одинакова: это универсальная постоянная, равная 1,6 *10

-19 Кл. Заряд протона считается положительным (обозначает­ся е),

электрона — отрицательным.

Магнитные силы полностью порождаются электрическими тока­ми — движением

электрических зарядов. Существуют попытки объе­динения теорий с учетом

симметрий, в которых предсказывается су­ществование магнитных зарядов, но они

пока не обнаружены. По­этому величина е определяет и интенсивность магнитного

взаимо­действия.

Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отда­ют энергию в

виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Види­мый свет является

электромагнитным излучением определенного ди­апазона частот. Почти все

носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют

электромагнитную природу, хотя и проявляются подчас в сложных формах.

'Электромагнитные взаимо­действия определяют структуру и поведение атомов,

удерживают атомы от распада, отвечают за связи между молекулами, т.е. за

химические и биологические явления. Гравитация и электромагнетизм —

дальнодействующие силы, распространяющиеся на всю Вселенную.

Сильные и слабые ядерные взаимодействия — короткодействую­щие и проявляются

только в пределах размеров атомного ядра.

Слабое взаимодействие ответственно за многие ядерные процес­сы, например,

такие, как превращение нейтронов в протоны, и сильнее других сказывается на

превращениях частиц. Поэтому эф­фективность слабого взаимодействия можно

охарактеризовать уни­версальной постоянной связи g(W), определяющей скорость

протека­нии процессов типа распада нейтрона. Через ядерное слабое

взаимо­действие одни субатомные частицы могут превращаться в другие.

Сильное ядерное взаимодействие имеет более сложную природу. Именно оно

препятствует распаду атомных ядер, и не будь его, ядра распались бы из-за сил

электрического отталкивания протонов. С этим типом взаимодействия связаны

энергия, выделяемая Солн­цем и звездами, превращения в ядерных реакторах и

освобождение энергии. В ряде простейших случаев для его характеристики можно

ввести величину g(S), аналогичную электрическому заряду, но мно­го большую.

Здесь есть некоторые особенности — сильное взаимо­действие не удовлетворяет

закону обратной пропорциональности, как гравитационное или электромагнитное:

оно очень резко спадает за пределами эффективной области радиусом около 10

-15м. Кроме того, внутри протонов и нейтронов также существует сильное

взаимодей­ствие между теми элементарными частицами, из которых они состо­ят,

следовательно, взаимодействие протонов и нейтронов есть отражение их внутренних

взаимодействий. Но пока картина этих глубин­ных явлений скрыта от нас.

Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему

времени неясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самым

сильным является короткодейству­ющее сильное взаимодействие, электромагнитное

слабее его на два порядка, слабое — на 14 порядков, а гравитационнное — самое

сла­бое, оно меньше сильного на 39 порядков. В соответствии с величи­ной сил

взаимодействия они происходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия

происходят при столкновении частиц с око­лосветовыми скоростями, и время

реакций, определяемое делением радиуса действия сил на скорость света, дает

величину порядка 10-23 с. В случае слабого взаимодействия процессы

происходят медлен­ней — за 10-9 с. Характерные времена для

гравитационного взаимо­действия порядка 1016 с, или 300 млн лет.

Среди электромагнитных взаимодействий для примера можно выделить химическую

реакцию, в медицине - рентгеновское обследование. Что касается любви – то

это соединение всех четырех взаимодействий в одно.

8. В чем суть соотношения неопределенностей Гейзенберга? Как Вы понимаете

когда-нибудь приходилось видеть».

Гейзенберг представил физические величины как совокупность всех возможных

амплитуд перехода из одного квантового состояния в другие. Сама вероятность

перехода пропорциональна квадрату мо­дуля амплитуды, именно эти амплитуды и

наблюдаются в экспери­ментах. Тогда каждая величина должна иметь два индекса,

соответ­ствующих верхнему и нижнему состояниям. Эти величины называ­ются

матрицами. Гейзенберг получил и уравнения для наблюдаемых величин, но в

первоначальном виде они были сложными. В 1926 г. он сумел объяснить отличие

двух систем термов для пара- и ортогелия как соответствующих симметричным и

антисимметричным решениям его уравнения.

Гейзенберг в решении проблем, которыми начал заниматься с 1925 г., шел от

наглядных феноменологических моделей. В 1927 г. он при поддержке Бора и его

школы предложил устранить противоре­чие волна — частица, которое он понимал

как некую аналогию. Счи­тая, что "совокупность атомных явлений невозможно

непосредствен­но выразить нашим языком", он предложил отказаться от

представ­ления о материальной точке, точно локализованной во времени и

пространстве. Либо точное положение в пространстве при полной

не­определенности во времени, либо наоборот — таково требование квантовых

скачков.

Так Гейзенберг пришел к формулировке принципа неопределенно­сти,

устанавливающего границы применимости классической физи­ки. Этот принцип,

принесший ему большую известность и до сих пор вызывающий дискуссии,

представляет фундаментальное положение квантовой теории, отражая ограничение

информации о микробъектах самими средствами наблюдения. Гейзенберг подсчитал

Предельную точность определения положения и скорости электрона из так

называемых перестановочных соотношений квантовой меха­ники. В то время в

моде были мысленные эксперименты. Допустим, в какой-то момент нам нужно

угнать положение и скорость электрона. Самый точный метод — осветить электрон

пучком фотонов. Электрон столкнется с фотоном, и его положение будет

определено с точ­ностью до длины волны используемого фотона. Для максимальной

точности нужно использовать фотоны наимень­шей длины, т. е. большей частоты,

или обладающие большими энер­гией Е и импульсом hv/c. Но чем больше импульс

фотона, тем силь­нее он исказит импульс электрона. Чтобы знать точно

положение электрона, нужно использовать фотоны бесконечной частоты, но тогда

и импульс его будет бесконечным, так что количество движе­ния электрона будет

совершенно неопределенным. И, наоборот, же­лая определить точно импульс

электрона, из аналогичных рассужде­ний придем к неопределенности и положении.

Выразив неопределен­ность положения как Dq, а неопределенность импульса как

р, полу­чим Dq Dр³h. Если взять сопряженные им величины — энергию Е и

время t, то квантово-механическое соотношение неопределенности для них будет

Dt DЕ³h.

Высказывание Ричарда Феймана лишь доказывает что, сложно представить

частицу, которая бы обладала свойствами и волны, и частицы.

9. как происходит образование элементов во Вселенной по модели Большого

взрыва. Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе.

Светимость нашей Галактики оценивают числом 1054 эрг/с. Если возраст

Галактики 1010 лет, то при постоянной светимости она выделила за

-это время 2*1061 эрг. При образовании одного ядра гелия выделяется

энергия 2,5* 10-5 эрг. Следовательно, за время существования

Галактики в ней образовалось 1066 альфа-частиц. При массе частицы

6,67*10-24 г это составляет 7*1042 г, а масса Галактики —

4*1044 г. Поэтому к нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н

могло бы быть 7/400, или 1/57, по массе или 1/230 по числу атомов. Это меньше

наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализа состава звездных

атмосфер, космических лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких простых

оценок понятно, как получать согласие модели с данными соотношениями.

Плотность материи во Вселенной r практически совпадает с плот­ностью реликтового

излучения. Она может быть выражена через энергию r = Е/с2, а,

значит, и температуру Е = sТ4. С другой сторо­ны, r = M/(4/3)pR

3, R = (9GMt2/2)1/3 и r (5*105/t2

) г/см3. Здесь время t в секундах. Отсюда ясна связь температуры Т и

времени, прошедше­го от начала расширения: Т@ 1010/Öt

Сначала (при t<0,01 с) температура очень высока, и вещество со­стоит из

нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря при­сутствию электронов,

позитронов, нейтрино и антинейтрино проис­ходит непрерывное превращение n + е

+« р + u- и обратно, р + е- «n+ u. При охлаждении

за первые 10 с число протонов увеличится за счет нейтронов, и начнется

образование дейтерия, трития, изотопа гелия He-3 и Не-4. Через 100 с от начала

расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода получается 0,9,

гелия — 0,09, остальное приходится на более тяжелые элементы. По весу водород

составляет около 0,7, гелий — 0,3. Это и есть химический состав Все­ленной к

началу формирования звезд и галактик.

Для наглядности эту начальную стадию делят на четыре "эры". Для каждой из них

можно выделить преобладающую форму суще­ствования материи, в соответствии с

чем и даны названия.

В самом начале эры адронов, продолжавшейся 0,0001 с, была вели­ка энергия

гамма-квантов. При высоких температурах могли суще­ствовать частицы только

больших масс, для которых существенно и гравитационное взаимодействие.

Элементарные частицы разделяют на адроны и лептоны, причем первые могут

участвовать в сильных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и

медленных, поэтому первые эры получили такие названия.

Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов. Плотность d > 1014, Т

> 1012 К, t< 0,0001 с. Основную роль играет излучение,

количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце

адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но оста­ется некоторое

количество протонов. Из равновесия с излучением

вышли последовательно гипероны, нуклоны, К- и p-мезоны и их античастицы.

Продолжительность эры лептонов 0,0001 <t< 10с, при этом 1010 К

< Т <1012 К; 104 < d < 1014

Основную роль, играют легкие части­цы, принимающие участие в реакциях между

протонами и нейтро­нами. Постепенно из равновесия с излучением вышли мю-мезоны

и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны распались

на электроны, электронное антинейтрино и мю-онное нейтрино. В конце эры

лептонов происходит аннигиляция элек­тронов и позитронов. Спустя 0,2 с

Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино, и они перестают

взаимодействовать с ве­ществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино

сохранились до нашего времени, но температура их должна была снизиться до 2 К,

поэтому пока их не могут обнаружить.

Далее приходит фотонная эра продолжительностью 1 млн лет. Ос­новная доля

массы—энергии Вселенной приходится на фотоны, ко­торые еще взаимодействуют с

веществом. В первые 5 мин эры про­исходили события, во многом определившие

устройство нашего мира. В конце лептонной эры происходили взаимные

превращения прото­нов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов

количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов

стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказы­вались

энергетически более выгодными и, значит, более вероятны­ми. Это определило

скорости реакций, и к началу эры число нейтро­нов остановилось на 15%.

В начале эры излучения 3000 К < T< 1010 К; 10-21

< d < 104г/см3 ней­троны захватываются протонами, и

происходит образование ядер ге­лия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое

количество нейт­ронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое

количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла со­ставить 1/3.

В конце эры температура снизилась до 3 000 К, плотность уменьшилась на 5-6

порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов.

Излучение отделилось от веще­ства, Вселенная стала прозрачной для вещества, и

пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется

гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начина­ет

трать вещество.

В звездную эру, наступившую при t порядка 1 млн. лет, Т прибли­зительно равно 3

000 К, а плотность d порядка 10-21г/см3 Начинается

сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Основными источниками сведений о распространенности химических элементов

служат данные о составе Солнца полученные с помощью спектрального анализа, и

результаты лабораторных химических анализов материала земной коры.

метеоритов пород поверхности Луны и планет.. Принято выражать количество

атомов какого-либо химического элемента по отношению к кремнию в разных

природных системах. поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим

элeментам.

С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает

неравномерно, причем элементы с четным порядковым номе' ром более

распространены, чем с нечетным, особенно элементы с массовым числом, кратным

4, например. Не, С, О, Ne, Мд, Si, S, Ar, Са. ряд максимумов соответствует

элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно 2. 8. 20,

50, 82, 126 . Этим "магическим" числам соответствуют заполненные ядерные

оболочки, характеризующие устойчивые ядра. По этому поводу американс­кие

космохимики Гарольд Юри и Г.Зюсс сказали так: "Представляется, что

распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и

что окружающее нас вещество похоже на юлу космическою ядерною пожара, в

котором оно было создано".

Большинство газов (или летучей части солнечного вещества) — Н, Не, СО, О, N,

СО2 и все инертные газы. Основную часть внутрен­них планет и метеоритов

составляют нелетучие элементы солнечного вещества — Si, Ре, Vg, Са, Al, Mi,

Na. Проводя детальные сравнения, Виноградов показал, что эти породообразующие

элементы планет и метеоритов непосредственно выброшены Солнцем, и не

за­хвачены из других областей Галактики. Некоторые различия в составе планет

связаны с вторичными процессами и тем, что элементы входят в разные

соединения, пребывая в разных агрегатных состоя­ниях. Особенно близок состав

нелетучей части элементов Солнца и наиболее распространенных каменных

метеоритов — хондритов.

Летучая часть солнечного вещества, существующая в виде газов при Т>0, при

низких температурах переходит в твердое состояние, а атомы газов вступают в

соединения. Инертные газы в соединения не вступают, оставаясь и при низких

температурах в газообразном со­стоянии. Земля и метеориты сохранили летучие

элементы в той сте­пени, и какой они проявляли свою активность, поэтому

инертные газы как на Земле, так и в метеоритах встречаются редко. Что каса­ется

изотопного состава С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Со, Ва, К, Си, то он оди­наков на

Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований не

проведено, но для С12:С13 он такой же, как и на Земле. Исследования по инертным

газам показали идентичность изо­топного состава в солнечной системе, но на

других звездах это отно­шение иное.

Таким образом, все тела солнечной системы построены из неболь­шого числа

элементов (около 28 номера таблицы Менделеева распро­страненность существенно

падает) и имеют единое происхождение. Метеориты, большинство которых

оказались очень древними, дали ценную научную информацию об истории

возникновения отдельных тел солнечной системы. По оценкам, основанным на

радиоактив­ном распаде урана, тория, рубидия и калия, их возраст около

4,5—4,6 млрд лет, т. е. совпадает с возрастом Земли и Луны. В них

насчитываются примерно 66 минералов, большинство из них похожи на земные.

Вероятно, метеориты образовались тогда же, что и плане­ты земной группы.

Согласно принятой в геологии классификации, все элементы разделены на четыре

группы. Атмофильные элементы склонны накапливаться в атмосферах; литофильные

образуют твер­дые оболочки планет; халькофильные создают соединения с серой,

подобные меди; сидерофильные способны растворяться в сплавах же­леза.

10. Круговороты каких веществ определяют основные факторы

формирования климата и каким образом.

Планеты земной группы, как предполагают ученые, когда-то были похожи друг на

друга.

Разница в климате возникла из-зи разного круговорота углекислого газа при

обмене им между корой и атмосферой. Как и водяной пар, углекислый газ

является газом парниковым, так как он, пропуская солнечный свет, поглощает

тепло планеты и переизлучает часть его к поверхности.

Оценки сделанные М. Хартром, показали снижение содержания углекислого газа в

атмосфере со скоростью, точно компенсирующей возрастание светимости Солнца.

Он провел аналогичные рассчеты для иных, чем у Земли, расстояний от Солнца и

получил, что при расстоянии от Солнца меньше 1 а. Е. На 5% атмосфера бы

нагрелась настолько, что океаны испарились бы в результате разгоняющегося

парникового эффекта, а на расстоянии дальше на 1% а. Е. От Солнца имело бы

разгоняющееся оледенение. Только в узкой полоске расстояний между 0,95 и 1,01

а.е. Земля смогла бы избежать этой катастрофы климата.

Нелепо предполагать, что это редкая случайность – появление жизни на нашей

планете в таком узком кольце Солнечной системы. Скорее всего, содержание

углекислого газа менялось в соответствии с изменением температуры поверхности

Земли. Этот режим саморегуляции обеспечил нашей планете устойчивость климата.

Эта обратная связь могла обеспечиваться карбонатно-силикатным геохимическим

циклом, который способен отвечать за 80% обмена углекислым газом между

планетой и ее атмосферой на временных интервалах более 0,5 млн. лет.

Началом цикла можно считать растворение содержащегося в атмосфере углекислого

газа в водяных капельках и образование угольной кислоты. Дождевые осадки

разрушали горные породы, состоявшие из соединений кальция, кремния и кислорода.

Угольная кислота вступает в реакцию с породами на поверхности, высвобождая ионы

кальция и бикарбоната, которые поступают в грунтовые воды, а за­тем в океан,

где оседают в скелетах и раковинах планктона и других организмах, состоящих из

карбоната кальция (СаСО3). Останки этих организмов откладываются на

океанском дне, формируя осадочные породы. Дно моря расширяется, через много

тысяч лет эти породы приблизятся к краям континентов. Дно подтягивает их под

берег, они попадают в земные, недра, где на них действуют давление и

температура. Карбонат кальция соединяется с кремнием, образуя силикатные породы

и выделяя углекислый газ, т. е. происходит карбонатный метаболизм. Газ попадает

вновь в атмосферу через извержения вулканов и срединно-океанические хребты.

Цикл завер­шается (рис. 129).

Изменения температуры земной поверхности влияют на количе­ство углекислого газа

в атмосфере и величину парникового эффекта. Пусть по какой-то причине на Земле

стало прохладнее. При более низкой температуре меньше воды испарится из океана

в атмосферу, меньше выпадет дождей, и уменьшится эрозия почвы, вызванная

осадками. Тогда скорость покидания атмосферы углекислым газом уменьшится, а

скорость регенерации его в процессе карбонатного ме­таболизма и поступления в

атмосферу останется на прежнем уровне. Это приведет к накоплению СО2

, усилению парникового эффекта и восстановлению более теплого климата. Если по

какой-то причине на Земле произошло потепление, то обратная связь сработает в

другую сторону, и равновесие установится. Предположим, что все океаны

вымерзли, дожди прекратились,

содержание СО, в атмосфере возросло. При современной скорости выделения

давление его в 1 бар создается за 20 млн. лет, такого коли­чества углекислого

газа хватит на поднятие средней температуры до +50 °С. Значит, льды растают и

восстановится нормальный для жиз­ни климат.

В круговороте углекислого газа большую роль играют живые орга­низмы,

определяющие изменения климата. Часть углекислого газа (около 20 %), не

участвующая в карбонатно-силикатном обмене, вы­водится из атмосферы

фотосинтезирующими растениями. При гние­нии растений и окислении в почве

накапливается СО2, в результате его оказывается в почве больше, чем

было 400 млн. лет назад до появления растений, поэтому превращение силикатных

материалов в осадочные карбонатные породы происходит быстрее. Расчеты

пока­зывают, что исчезновение растений привело бы в повышению тем­пературы на

10° за счет отрицательной обратной связи силикатно-карбонатного цикла.