Реферат: Концепции современного естествознания

эта работа была сделана на заказ!

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

www.sinor.ru/~ranger/Ref

также  вы найдете много учебной литературы истатей по всем предметам в моей библиотеке on-line

www.sinor.ru/~ranger

Государственный комитет по высшему образованиюРоссийской Федерации

Новосибирская государственная академия экономики иуправления

Кафедра концепций современного естествознания

контрольная работа

по курсу:  Концепции Современного Естествознания

Вариант 5

Выполнил ст. 1-гокурса

                                                                                заочного факультета

                                                                                 спец. Бухучет и Аудит

Новосибирск 1999

1.   Использованиезаконов сохранения импульса и момента импульса в современной цивилизации

Законы сохранения импульса и момента импульсавыполняются при любом взаимодействии, об этом свидетельствуют многочислен­ныеэкспериментальные данные. Таким образом, эти законы спра­ведливы в мега-,макро- и микромире, и называются великими за­конами сохранения.

В мега мире закон сохранениямомен­та импульса объясняет наблюдаемую форму галактик. Каждая галактика об­разовываласьиз очень большой массы газа (порядка 1039—1040 кг),обладаю­щей первоначальным моментом им­пульса. 

Широкое применение в современ­ной технике имеетгироскоп.   Гироскоп — это осе симметричное тело, быстро вращающееся вокругсвоей геометрической оси. Простейшим примером этого прибора слу­жит знакомаявсем еще с детства игрушка — волчок. Ось вращения сохраняет свое направления в пространственеизменным, если для удержания гироскопа использовать так называемый кардановподвес. Такие устройства нашли широкое применение в авиации и космо­навтике, вустройствах, обеспечивающих ориентацию судов вблизи магнитного поля Земли.

При выборе огнестрельного оружия предпочтение отдаетсянарез­ному 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 скорос­тиее движения. Этот момент им­пульса придает пуле устойчивую ориентацию впространстве, так, что различные турбулентности воздуха, возникающие в силубыстрого ее движения, не могут отклонить ее от цели.

Из опытных данных хорошоизвестно, что элементарные час­тицы обладают внутренним мо­ментом импульса.

Экспериментальные методыисследования элементарных частиц основаны на законе сохранения импульса. Пристолкновении элемен­тарные частицы оставляют видимые следы (треки) вспециальных камерах, заполненных перенасыщенными парами воды или перегре­тойжидкостью. При этом выводы о массе и свойствах эле­ментарных частиц делаются наосновании закона сохранения импульса.

Вигре «бильярд» сталкиваются шарики с равной массой. Как мож­нозаметить из опыта или заключить из закона сохранения импуль­са, пристолкновении двух шариков с равной массой, один из кото­рых покоился,движущийся шарик при столкновении передаст часть или весь свой импульспокоящемуся, а сам замедлит или остановит свое движение. При столкновениишариков с существенно разными массами направление и скорость движения измениттолько легкий шарик. По этой причине во многих видах спорта участников сорев­нованийделят на группы с примерно одинаковой массой участни­ков в каждой из них.

Любое движение материальных тел осуществляется в строгомсо­ответствии с законом сохранения импульса. Поэтому освоение око­лоземногопространства и полеты в космос невозможны без приме­нения реактивной тяги.Закон сохранения импульса ставит непрос­тые вопросы перед «уфологами»периодически вступающими в «кон­такт» с «инопланетнымразумом».

2.   поясните понятие инертной игравитационной массы. Исходя из каких фактов делается утверждение об ихэквивалентности?Чтобы изменилось в окружающем мире, если бы эти массы не былипропорциональны друг другу.

Галилей открыл явление падениявсех тел на Земле с одинако­вым ускорением. Масса m связана с весом тела, но сам вес зависит отмассы того тела, к которому притягивается масса m. Следовательно, вес не может служить коэффициентомпропорциональности между силой и ускорением, поэтому и вводят понятие инертноймассы M, которая характеризует «нежелание» тела сдвинуться с места.Мас­са не зависит от направления движения (это многократно проверя­лосьэкспериментально) и с точностью до 10-9является скалярной (лат. scataris «ступенчатый»)величиной.

Ньютон связал понятия массы ивеса тела. Чтобы проверить выводы Галилея, Ньютон провел серию опытов смаятниками и убедился, что свинцовый и деревянный шары пада­ют с одинаковымиускорениями, 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 силойдействия, оказыва­емого на него Землей.

У Ньютона масса —единственная причина гравитационноного вза­имодействия.

Массы входящие вуравнение закона всемирного тяготения, называют гравитационными. В отличие отинертных масс которые служат коэффициентом пропорциональности между силой,действующей на тело, и его ускорением, гравитационные массы определяют силугравитационного взаимодействия между телами.Инертная масса была определена вдинамическом опы­те: прикладывается известная сила, измеряется ускорение, и изфор­мулы F = MW выводится масса М. В законегравитационного взаимо­действия иная масса, она может определяться изстатического экспе­римента: измеряют силу взаимодействия между двумя телами,рас­положенными на определенном расстоянии.

Галилей пришел квыводу о пропорциональности гравитационной m и инертной М масс, сбрасывая тела с высоты.Попробуем просле­дить за его рассуждениями. Допустим, мы бросили вниз одновремен­нодва тела, отличающиеся весом, — m1g и m2g. Согласно второму закону Ньютона, их ускорениясоответственно будут определятся из соотношений: F1 = M1W1 и F2 = M2W2. Сила, действующая на каждоетело, равна его весу: m1g = M1W1 и m2g = M2W2. Ускорение каждого тела припадении 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/m2)= 1. Это возможно только при про­порциональности инертной и гравитационноймасс.

Последние экспериментыподтверждают равенство m = М с точ­ностью до 10-11. Опытывенгерского физика барона Лоранда фон Эт-веша   показали универсальный характерпропорциональ­ности гравитационной и инертной масс, т. е. при соответствующемвыборе единиц измерения коэффициент пропорциональности можно сделать равнымединице. Универсальность означает пропорциональ­ность масс для всех веществ,поэтому они измеряются в граммах. Теория Ньютона не объясняет причину этойпропорциональности.

Наглядным подтверждениемсовпадения инертной и гравитационной масс служит тот факт, что все теланезависимо от массы и состава падают на Землю с одним и тем же ускорениемсвободного падения. Состояние невесомости  — это состояние свободного падения.

3.   Пояснитепринцип Ле Шателье. Найдите примеры применения этого принципа вне химии

Поскольку большинство химическихреакций не идет до конца,  то становится важным понятие равновесия между прямойи обрат­ной реакциями. В какой-то момент их скорости сравняются, и в дан­нойсистеме при данных условиях установится динамическое равновеcue. Вывести систему из равновесияможно только изменив условия согласно принципу, предложенному в 1884 г. АнриЛуи Ле: «Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один изфакторов равновесия, например, увеличить давление, то произойдет реакция,сопровождающаяся уменьшением объема, и на­оборот. Если же такие реакциипроисходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие».

Сейчас этот принцип формулируюттак: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояниятермодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные наослабление резуль­татов такого влияния или, еще современнее,  что системавыведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производствомэнтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнеговоздействия. Ле Шателье применял этот закон в промыш­ленных условиях дляоптимизации синтеза аммиака, производства стекла и цемента, выплавки металлов,получения взрывчатых ве­ществ. Катализаторы, как оказалось, не влияют наположение рав­новесия: они одинаково влияют на прямую и обратную реакции, ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его.

Примером применения этогопринципа вне химии может быть следующая ситуация:

Массовое размножение грызуноввлечет за собой увеличение численности хищников и паразитов. Они сокращаютчисленность популяции грызунов. Но вслед за этим сокращается численностьхищников, так как они начинают погибать от голода. Т. е. Равновесие вэкосистеме восстанавливается.

4.   Пояснитепонятие «фазы» и «фазового перехода». Какие фазовые переходы относят к фазовымпереходам первого и второго родов, что лежит в основе такой классификации.Приведите примеры.

фазами называют различныеоднородные части физико-химичес­ких систем. Однородным является вещество, когдавсе параметры со­стояния вещества одинаковы во всех его элементарных объемах,раз­меры которых велики по сравнению с межатомными состояниями. Смеси различныхгазов всегда составляют одну фазу, если во всем объеме они находятся водинаковых концентрациях. Одно и то же вещество в зависимости от внешнихусловий может быть в одном из трех агрегатных состояний — жидком, твердом илигазообразном. В зависимости от внешних условий система может находиться в рав­новесиилибо в одной фазе, либо сразу в нескольких фазах.

Во время фазового переходатемпература не меняется, но меняет­ся объем системы. Фазовые переходы бываютнескольких родов. Существуют такие условия давления и температуры, при которыхвещество находится в равновесии в разных фазах. Температуры, при которыхпроисходят 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.

Измененияагрегатных 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 произошелтакой фазовый переход, нужно данной массе вещества сообщить определенноеколичество тепла, соответствующе­го скрытой теплоте превращения. В самом деле,при переходе из бо­лее конденсированной фазы в фазу с меньшей плотностью нужносообщить некоторое количество энергии в форме теплоты, которое пойдет наразрушение кристаллической решетки (при плавлении) или на удаление молекулжидкости друг от. друга (при парообразова­нии). Во время преобразования скрытаятеплота пойдет на преодоле­ние сил сцепления, интенсивность теплового движенияне изменит­ся, в результате температура остается постоянной. При таком перехо­дестепень беспорядка, следовательно, и энтропия, возрастает. Если процесс идет вобратном направления, то скрытая теплота выделяется.

Фазовые переходы 2-го, 3-го ит.д. родов связаны с порядком тех производных термодинамического потенциала дФ,которые ис­пытывают конечные изменения в точке перехода.

Такая классификация фазовыхпревращений связана с работами физика-теоретика Пауля Эренфеста. Так, в случаефа­зового перехода 2-го рода в точке перехода испытывают скачки про­изводныевторого порядка: теплоемкость при постоянном давлении с = -Т(д2Ф/дТ2),сжимаемость b=-(1/V0)(д2Ф/дp2), коэффициент теплового расширения a= (1/V0)( д2Ф/дTp),тогда как первые произ­водные остаются непрерывными. Это означает отсутствиевыделения (поглощения) тепла и изменения удельного объема (Ф — термоди­намическийпотенциал).

В 1937 г. Ландау показал, чтофазовые переходы 2-го рода связаны с изменени­ем симметрии системы: выше точкиперехода система, как правило, обладает бо­лее высокой симметрией. Например, вмагнетике спиновые моменты выше точки ориентированы хаотически, и одновременноевращение всех спинов вокруг одной оси на одинаковый угол не изменяет свойствсистемы. Ниже точки перехода спи­ны имеют некоторую преимущественнуюориентацию, и одновременный их пово­рот меняет направление магнитного моментасистемы. Ландау ввел коэффициент упорядочения и разложил термодинамическийпотенциал в точке перехода по сте­пеням этого коэффициента, на основе чегопостроил классификацию всех возмож­ных типов переходов, а также теорию явленийсверхтекучести и сверхпроводи­мости.

В окружающей нас природе мыособенно часто наблюдаем фазо­вые переходы воды. При переходе воды в парпроисходит сначала испарение — переход поверхностного слоя жидкости в пар, приэтом в пар переходят только самые быстрые молекулы: они должны пре­одолетьпритяжение окружающих молекул, поэтому уменьшаются их средняя кинетическаяэнергия и, соответственно, температура жид­кости. Наблюдается в быту и обратныйпроцесс — конденсация.

Оба эти процесса зависят отвнешних условий. В некоторых случа­ях между ними устанавливается динамическоеравновесие, когда чис­ло молекул, покидающих жидкость, становится равным числумоле­кул, возвращающихся в нее. Опыт показывает, что насыщенный пар, или пар,находящийся в динамическом равновесии со своей жидко­стью, не подчиняетсязакону Бойля — Мариотта, поскольку его дав­ление не зависит от объема. Процессыиспарения и конденсации воды обуславливают сложные взаимодействия атмосферы игидросферы, имеют важное значение в формировании погоды и климата. Междуатмосферой и гидросферой происходит непрерывный обмен веще­ством (круговоротводы) и энергией.

Исследования показали, что споверхности Мирового океана, со­ставляющего 94 % земной гидросферы, за суткииспаряется около 7 000 км3 воды и примерно столько же выпадает ввиде осадков. Во­дяной пар, увлекаемый конвекционным движением воздуха, подни­маетсявверх и попадает в холодные слои тропосферы. По мере подъе­ма пар становитсявсе более насыщенным, затем конденсируется, об­разуя дождевые и облачные капли.В процессе конденсации пара в тропосфере за сутки выделяется около 1,6-1022Дж теплоты, что в десятки тысяч раз превосходит вырабатываемуючеловечеством энер­гию за то же время.

Если процесс перехода жидкости впар происходит во всем объе­ме, то его называют кипением. Разрыв пузырьков уповерхности ки­пящей жидкости свидетельствует, что давление пара в них превыша­етдавление над поверхностью жидкости.

Позднейосенью, когда после сырой погоды наступает резкое по­холодание, на ветвяхдеревьев и на проводах можно наблюдать иней — это десублимировавшие кристалликильда. Подобное явление ис­пользуют при хранении мороженого, когда углекислотаохлаждает­ся, так как переходящие в пар молекулы уносят энергию. На Марсеявления сублимации и десублимации углекислоты в его полярных шапках играюттакую же роль, что и испарение — конденсация в атмосфере и гидросфере Земли.

5.   вчем уникальность строения атомауглерода и почему он так распространен в соединениях. Почему нашу жизнь иногданазывают углеродной.

С точки зрения химии жизнь — этовсевозможные превращения разнообразных крупных и сложных молекул, главнымэлементом ко­торых является углерод. Он важен не с точки зренияраспространенности на Земле, в земной коре углерода всего 0,055 %, в то времякак кислорода 60,50 %, кремния 20,45 % и даже титана 0,27 %. В атмосфередвуокиси углерода 0,03 %, т. е. углерода всего 0,008 %. Все биологическифункциональные вещества, кроме несколь­ких солей и воды, содержат углерод. Этобелки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число соединений углерода огромно.Они назы­ваются органическими соединениями, поскольку когда-то считалось, чтотакие молекулы могут образовываться только в живых организ­мах.

Органическая химия посвященаизучению углерода и его соеди­нений. Атомный номер углерода — 6, его ядросодержит шесть про­тонов и шесть нейтронов, вокруг ядра вращаются шестьэлектронов, масса атома С равна 12. При химических реакциях углерод способенприсоединить 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 изтаких прочных соеди­нений — метана — СН4, а в структурномизображении — это тетра­эдр (четыре симметричные связи углерода).

Уникальным свойствомуглерода является его способность образо­вывать стабильные цепи и кольца, которыеобеспечивают разнооб­разие органических соединений, причем эти связи могут бытькрат­ными. При этом важно расположение атомов в пространстве, которое приводитк оптической активности вещества, к отличию в повороте плоскости поляризациипроходящего света  (рис. 1). Структурные формулы наглядно отражают связьформулы со свойствами вещества, с их помощью стало возможным объяснениеизомерии и предсказа­ние свойств неизвестных еще соединений.

/>

Рис. 1. Способы соединенияатомов углерода друг с другом Черточки со свободными концами при каждом атомеуглерода показывают, что он может образовывать связи с атомами других элементов(обычно это водород, кислород, азот, сера)

Зная валентность углерода, можнодостаточно просто изобразить положение всех недостающих водородных атомов, чтопозволяет со­средоточить внимание на наиболее важных связях и химических груп­пах.Такие прочные ковалентные связи углерод может образовывать и с атомами другихэлементов (Н, О, Р, N, S), и суглеродными (С-С связь). Внутреннее отличие органики от большинства неорга­ническихсоединений выражается в том, что химические связи, как правило, в органическихсоединениях валентные, а ионные связи — очень редки.  Поэтому углерод обладаетэтими уникальными свойствами, среди которых еще не отмечена способностьсоединений углерода к полимеризации и поликонденсации, а наша жизнь называетсяуглеродной.

6.   Преобразования энергии икруговорот веществ в природе. Чем они отличаются и что между ними общего.

Биосфера представляет из себяединство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Онараспределена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природныхуслови­ях принимает вид относительно независимых комплексов — биогеоценозов(или экосистем). Живая часть биогеоценоза — биоценоз — состоит из популяцийорганизмов разных видов.

Одним из самых большихдостижений науки в XX в. является выяснение механизмов превращения энергии вбиологических системах Сейчас уже понятно, как солнечная энергия преобразуетсяв специальных пигментных структурах расте­ний в энергию химических связей, какпревращаются вещества в процессах бро­жения и гликолиза (окисление углеводовбез кислорода), как происходит внутри­клеточное дыхание — перенос электронов вмитохондриях от коферментов к кис­лороду. В центре этих превращений в клеткенаходится АТФ, которая синтезирует­ся из АДФ и Н3РО4 засчет световой энергии или энергии, выделяемой при гликолизе, брожении илидыхании. При гликолизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всейработы живого организма — от создания градиентов концен­трации ионов исокращения мышц до синтеза белка.

Биосфера улавливает лишь небольшую часть солнечнойэнергии, поступающей на Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного излучения,которая  составляет 30 % всей солнечной энергии, доходящей до Земли,практически полностью задерживается атмосферой. Половина поступающей энергиипревращается 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, поглощаямолекул».) хлорофилла, и про­цессе фотосинтеза преобразуют ее и запасают иформе сахарен.  От этого процесса зависит нее существование биосферы.

Животные, поедая растения, а хищники— травоядных животных, освобождают для себя эту энергию, сжигая сахара и другиепита­тельные вещества при помощи кислорода. Переработка пищи в орга­низмахсопровождается выделением энергии, при этом часть ее запа­сается в формехимической энергии и используется для совершения работы. В отличие отпростейших существ, у которых сжигание веществ может происходить в любой частиорганизма, высшие животные обладают специальной системой, распределяющей поорга­низму кислород и энергоносители. В легких кровь поглощает кисло­род ивыделяет углекислый газ, в кишечнике она получает пита­тельные вещества.Процессы переваривания пищи обеспечивают раз­ложение сложных компонентов пищина более простые, которые усваиваются кишечником и поступают в кровь, при этомвысво­бождается энергия. Конечные продукты обмена веществ (избыток солей, воды,чужеродные и токсичные соединения) поступают через почки в мочу и выводятся изорганизма.

Животные не получают необходимуюим энергию непосредствен­но от Солнца. Для добывания пищи им нужна сенсорнаясистема 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 регулирующиесистемы — железы, выделяющие гормоны, и нервная система. В организме постоянносо­вершается работа: перекачивается кровь, поглощаются питательные вещества,происходят процессы возбуждения молекул, в которых запасается энергия,выводятся отходы жизнедеятельности и вредные вещества и т. д. Для созданияупорядоченных систем (высокого уров­ня генетической или нервной организации)тоже необходима энер­гия. Эффективное функционирование всех системобеспечивается также информацией о внешнем и внутреннем окружении. Работа со­стоитв выработке сигналов, которые регулируют энергетические процессы, организуютбиоструктуры, контролируют расход энергии на разные раздражители и т. п.

Удовлетворениеэнергетических потребностей организмов проис­ходит в рамках равновесия, котороеустанавливается между различ­ными организмами данной среды обитания(экосистемы). Среди оби­тателей обычно выделяют два типа организмов: одниспособны не­посредственно использовать солнечную энергию и перерабатывать

в пищу вещества из неживой окружающей среды (автотрофы),дру­гие зависят от остальных производителей энергии, т. е. сами не про­изводятнеобходимую им пищу {гетеротрофы). Все элементы, из ко­торых построеныорганизмы, многократно используются в биосфе­ре, тем более, что масса всегоживого, когда-либо заселявшего Зем­лю, много больше массы самой Земли. Обменэнергии в биосфере отличается от круговорота веществ в ней. Частично энергиярассеива­ется при переходе от продуцентов (зеленых растений) к травоядным, азатем и к плотоядным животным (редуцентам), поэтому необходи­ма постояннаяподпитка биосферы солнечной энергией.

Основу биосферы составляетбиотический круговорот органичес­ких веществ при участии всех населяющих ееорганизмов. В законо­мерностях этого круговорота решена проблема развития идлитель­ного существования жизни. Мы не говорим «бесконечного»,потому что все на земле имеет конец: сама Земля представляет собой огра­ниченноетело, конечен запас минеральных элементов и т. д. «Един­ственный способпридать ограниченному количеству свойство беско­нечного, — писал академик В. Р.Вильяме, — это заставить его вращаться по замкнутой кривой. Зеленые растениясоздают органическое вещество, незеленые разрушают его. Из минеральныхсоединений, полученных из распада органического вещества, новые зеленыерастения строят новое органическое вещество и так без конца».

Жизнь на Земле идет именно такимпутем. Каждый вид — это только звено в биотическом круговороте. Непрерывностьжизни обес­печивается процессами синтеза и распада, каждый организм отдает иливыделяет то, что используют другие организмы. Особенно вели­ка в этомкруговороте роль микроорганизмов, которые превращают остатки животных ирастений в минеральные соли и простейшие органические соединения, вновьиспользуемые зелеными растения­ми для синтеза новых органических веществ. Приразрушении слож­ных органических соединений высвобождается энергия, теряется ин­формация,свойственная сложно организованным существам. Любая форма жизни участвует вбиотическом круговороте, и на нем основана саморегуляция биосферы.Микроорганизмы при этом играют двоякую роль: они быстро приспосабливаются кразным условиям жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источ­никауглерода и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями и потомурасполагаются выше одноклеточных в эко­логической пирамиде, опираясь на них,как на фундамент.

Биотический круговорот состоитиз разных круговоротов, причем каждый биоценоз представляет модель биосферы вминиатюре. Важ­ны и исторические факторы формирования биоценоза, и климат, иландшафт, и многое другое.  Напри­мер, экосистема леса включает биоценозыразличных типов лесов — хвойные, лиственные, тропические, каждый из которыххарактери­зуется своим круговоротом веществ. В этом  мне кажется проявляется  отличиебиотического круговорота  от круговорота энергии, второе отличие:  по закону сохранения энергииэнергия не возникает ниоткуда и не уходит в никуда, т.е. преобразование энергиивечно (именно в данном круговороте энергии), а круговорот веществ в природеимеет свое окончание, как уже было сказано выше.

7.   Какие виды взаимодействий Вызнаете и какие из них играют важную роль в повседневной жизни и почему.

В настоящее время известнычетыре типа взаимодействий: гра­витационные, слабые, электромагнитные исильные. Физике XVII—XVIII вв. были известны только гравитационные взаимодей­ствия.Было найдено, что гравитационные силы прямо пропорцио­нальны произведению масси обратно пропорциональны квадрату расстояния между массами. Мы постоянноощущаем гравитацию в на­шей жизни. Гравитация (лат gravifas «тяжесть»), илитяготение, не очень существенна при взаимодействии между малыми частицами, ноона удерживает планеты, всю Солнечную систему и галактики. По закону всемирноготяготения (открытого Ньютоном), описываю­щему это взаимодействие в хорошемприближении, две точечные массы притягивают друг друга с силой, направленнойвдоль соеди­няющей их прямой: Fгр= — Gm1*m2/r2

Знак минус указывает, что мыимеем 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 теламассами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг от друга, то сила притяжениямежду ними равна 6,67-1011 Н. Если бы величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждениеоб универсальности постоян­ной G означает, что в любом месте Вселенной и влюбой момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными рас­стояниемв 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно гово­рить об универсальностипостоянной G и о том, что она определяет структуру гравитирующих систем.

Обратимся теперь кэлектромагнитному взаимодействию. И элек­трические, и магнитные силыобусловлены электрическими заряда­ми. Силы взаимодействия между зарядамисложным образом зависят от положения и движения зарядов. Если два заряда  e1 ие2, непод­вижны и сосредоточены в точках на расстоянии г, то взаимодействиемежду ними чисто электрическое и определяется простой зависимос­тью (закон Кулона):

/>

Здесь сила электрическоговзаимодействия, направленная вдоль прямой, соединяющей заряды, будет силойпритяжения или оттал­кивания в зависимости от знаков зарядов е1 и е2Через e обозначе­науниверсальная постоянная, определяющая интенсивность элект­ростатическоговзаимодействия, ее значение 8,85 • 1012 Ф/м. Электрический зарядвсегда связан с элементарными частицами. Численная величина заряда наиболееизвестных среди них — протона и электрона — одинакова: это универсальнаяпостоянная, равная 1,6 *10 -19 Кл. Заряд протона считаетсяположительным (обозначает­ся е),   электрона — отрицательным.

Магнитные силыполностью порождаются электрическими тока­ми — движением электрических зарядов.Существуют попытки объе­динения теорий с учетом симметрий, в которыхпредсказывается су­ществование магнитных зарядов, но они пока не обнаружены. По­этомувеличина е определяет и интенсивность магнитного взаимо­действия.

Если электрическиезаряды движутся с ускорением, то они отда­ют энергию в виде света, радиоволнили рентгеновских лучей. Види­мый свет является электромагнитным излучениемопределенного ди­апазона частот. Почти все носители информации, воспринимаемыенашими органами чувств, имеют электромагнитную природу, хотя и проявляютсяподчас в сложных формах. 'Электромагнитные взаимо­действия определяют структуруи поведение атомов, удерживают атомы от распада, отвечают за  связи междумолекулами, т.е. за химические ибиологические явления. Гравитация и электромагнетизм — дальнодействующие силы,распространяющиеся на всю Вселенную.

Сильные и слабые ядерныевзаимодействия — короткодействую­щие и проявляются только в пределах размероватомного ядра.

Слабое взаимодействиеответственно за многие ядерные процес­сы, например, такие, как превращениенейтронов в протоны, и сильнее других сказывается на превращениях частиц.Поэтому эф­фективность слабого взаимодействия можно охарактеризовать уни­версальнойпостоянной связи g(W),определяющей скорость протека­нии процессов типа распада нейтрона. Черезядерное слабое взаимо­действие одни субатомные частицы могут превращаться вдругие.

Сильное ядерное взаимодействиеимеет более сложную природу. Именно оно препятствует распаду атомных ядер, и небудь его, ядра распались бы из-за сил электрического отталкивания протонов. Сэтим типом взаимодействия связаны энергия, выделяемая Солн­цем и звездами,превращения в ядерных реакторах и освобождение энергии. В ряде простейшихслучаев для его характеристики можно ввести величину g(S), аналогичную электрическомузаряду, но мно­го большую. Здесь есть некоторые особенности — сильное взаимо­действиене удовлетворяет закону обратной пропорциональности, как гравитационное илиэлектромагнитное: оно очень резко спадает за пределами эффективной областирадиусом около 10-15м. Кроме того, внутри протонов и нейтронов такжесуществует сильное взаимодей­ствие между теми элементарными частицами, изкоторых они состо­ят, следовательно, взаимодействие протонов и нейтронов естьотражение их внутренних взаимодействий. Но пока картина этих глубин­ных явленийскрыта от нас.

Перечисленные типывзаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему времени неясно,исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самым сильным являетсякороткодейству­ющее сильное взаимодействие, электромагнитное слабее его на двапорядка, слабое — на 14 порядков, а гравитационнное — самое сла­бое, оно меньшесильного на 39 порядков. В соответствии с величи­ной сил взаимодействия онипроисходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия происходят пристолкновении частиц с око­лосветовыми скоростями, и время реакций, определяемоеделением радиуса действия сил на скорость света, дает величину порядка 10-23 с. В случае слабоговзаимодействия процессы происходят медлен­ней — за 10-9 с.Характерные времена для гравитационного взаимо­действия порядка 1016с, или 300 млн лет.

Среди электромагнитныхвзаимодействий для примера можно выделить химическую реакцию, в медицине - рентгеновское обследование. Что касается любви – то это соединение всех четырехвзаимодействий в одно.

8.   В чем суть соотношениянеопределенностей Гейзенберга?Как Вы понимаете слова Ричарда Феймана:«Микрочастицы не похожи ни начто, из того, что Вам хоть когда-нибудь приходилось видеть».

Гейзенберг представил физическиевеличины как совокупность всех возможных амплитуд перехода из одного квантовогосостояния в другие. Сама вероятность перехода пропорциональна квадрату мо­дуляамплитуды, именно эти амплитуды и наблюдаются в экспери­ментах. Тогда каждаявеличина должна иметь два индекса, соответ­ствующих верхнему и нижнемусостояниям. Эти величины называ­ются матрицами. Гейзенберг получил и уравнениядля наблюдаемых величин, но в первоначальном виде они были сложными. В 1926 г.он сумел объяснить отличие двух систем термов для пара- и ортогелия каксоответствующих симметричным и антисимметричным решениям его уравнения.

Гейзенберг в решении проблем,которыми начал заниматься с 1925 г., шел от наглядных феноменологическихмоделей. В 1927 г. он при поддержке Бора и его школы предложил устранитьпротиворе­чие волна — частица, которое он понимал как некую аналогию. Счи­тая,что «совокупность атомных явлений невозможно непосредствен­но выразитьнашим языком», он предложил отказаться от представ­ления о материальнойточке, точно локализованной во времени и пространстве. Либо точное положение впространстве при полной не­определенности во времени, либо наоборот — таковотребование квантовых скачков.

Так Гейзенберг пришел кформулировке принципа неопределенно­сти, устанавливающего границы применимостиклассической физи­ки. Этот принцип, принесший ему большую известность и до сихпор вызывающий дискуссии, представляет фундаментальное положение квантовойтеории, отражая ограничение информации о микробъектах самими средстваминаблюдения. Гейзенберг подсчитал Предельную точность определения положения искорости электрона  из так называемых перестановочных соотношений квантовоймеха­ники.   В то время в моде были мысленные эксперименты. Допустим, вкакой-то момент нам нужно угнать положение и скорость электрона. Самый точныйметод — осветить электрон пучком фотонов. Электрон  столкнется с фотоном, и егоположение 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 положениеэлектрона, нужно использовать фотоны бесконечной частоты, но тогда и импульсего будет бесконечным, так что количество движе­ния электрона будет совершеннонеопределенным. И, наоборот, же­лая определить точно импульс электрона, изаналогичных рассужде­ний придем к неопределенности и положении. Выразивнеопределен­ность положения как Dq, а неопределенность импульса как р, полу­чим Dq Dр³h. Если взять сопряженные имвеличины — энергию Е и время t, то квантово-механическое соотношение неопределенности для них будет Dt DЕ³h.

Высказывание Ричарда Фейманалишь доказывает что, сложно представить  частицу, которая бы обладала свойствамии волны, и частицы.

9.   как происходит образованиеэлементов во Вселенной по модели Большого взрыва. Поясните распространенностьхимических элементов в солнечной системе.

Светимость нашей  Галактики оценивают числом 1054эрг/с. Если возраст Галактики 1010 лет, то при постоянной светимости она выделила за -это время 2*1061 эрг. При образованииодного ядра гелия выделяется энергия 2,5* 10-5 эрг. Следовательно,за время существования Галактики в ней образовалось 1066альфа-частиц. При массе частицы 6,67*10-24 г это составляет 7*1042г, а масса Галактики — 4*1044 г. Поэтому к нашему времени отношениегелия к водороду Не/Н могло бы быть 7/400, или 1/57, по массе или 1/230 почислу атомов. Это меньше наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализасостава звездных атмосфер, космических лучей получается Не/Н порядка 1/11. Ужеиз таких простых оценок понятно, как получать согласие модели с даннымисоотношениями.

Плотность материи во Вселенной r практически совпадает с плот­ностьюреликтового излучения. Она может быть выражена через энергию r = Е/с2, а, значит, итемпературу Е = sТ4. С другой сторо­ны, r = M/(4/3)pR3, R = (9GMt2/2)1/3 и r (5*105/t2) г/см3. Здесь время t в секундах. Отсюда ясна связьтемпературы Т и времени, прошедше­го от начала расширения: Т@ 1010/Öt

Сначала (при t<0,01 с) температура очень высока, ивещество со­стоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря при­сутствиюэлектронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино проис­ходит непрерывноепревращение n + е+« р + u —  и обратно, р + е- «n+ u. При охлаждении за первые 10 счисло 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 ядерныепревращения: водорода получается 0,9, гелия — 0,09, остальное приходится наболее тяжелые элементы. По весу водород составляет около 0,7, гелий — 0,3. Этои есть химический состав Все­ленной к началу формирования звезд и галактик.

Для наглядности эту начальнуюстадию делят на четыре «эры». Для каждой из них можно выделитьпреобладающую форму суще­ствования материи, в соответствии с чем и даныназвания.

В самом начале эры адронов,продолжавшейся 0,0001 с, была вели­ка энергия гамма-квантов. При высокихтемпературах могли суще­ствовать частицы только больших масс, для которыхсущественно и гравитационное взаимодействие. Элементарные частицы разделяют наадроны и лептоны, причем первые могут участвовать в сильных и быстрыхвзаимодействиях, а вторые — в более слабых и медленных, поэтому первые эрыполучили такие названия.

Адронная эра — эра тяжелыхчастиц и мезонов. Плотность d > 1014, Т > 1012 К, t< 0,0001 с. Основную роль играетизлучение, количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. Вконце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но оста­етсянекоторое 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 Основнуюроль, играют легкие части­цы, принимающие участие в реакциях между протонами инейтро­нами. Постепенно из равновесия с излучением вышли мю-мезоны и ихантичастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны распались наэлектроны, электронное антинейтрино и мю-онное нейтрино. В конце эры лептоновпроисходит аннигиляция элек­тронов и позитронов. Спустя 0,2 с Вселеннаястановится прозрачной для электронных нейтрино, и они перестаютвзаимодействовать с ве­ществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтриносохранились до нашего времени, но температура их должна была снизиться до 2 К,поэтому пока их не могут обнаружить.

Далее приходит фотонная эрапродолжительностью 1 млн лет. Ос­новная доля массы—энергии Вселенной приходитсяна фотоны, ко­торые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин эры про­исходилисобытия, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эрыпроисходили взаимные превращения прото­нов и нейтронов друг в друга. К началуэры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температурыпротонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказы­валисьэнергетически более выгодными и, значит, более вероятны­ми. Это определилоскорости реакций, и к началу эры число нейтро­нов остановилось на 15%.

В начале эры излучения 3000 К< T< 1010 К; 10-21 < d < 104г/см3ней­троны захватываются протонами, и происходит образование ядер ге­лия. Крометого, за эти первые минуты некоторое количество нейт­ронов пошло на образованиеядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате долягелия в веществе могла со­ставить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3000 К, плотность уменьшилась на 5-6 порядков, в результате чего создалисьусловия 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 вобразовании вещества Вселенной начина­ет трать вещество.

В звездную эру, наступившую при t порядка 1 млн. лет, Тприбли­зительно равно 3 000 К, а плотность d порядка 10-21г/см3Начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Основными источниками сведений  о распространенностихимических элементов служат данные о составе Солнца полученные с помощьюспектрального  анализа, и результаты лабораторных   химических анализов материала земной коры.метеоритов пород поверхности Луны и планет… Принято выражать количество атомовкакого-либо химического элемента по отношению к кремнию в  разных природныхсистемах. поскольку кремний принадлежит к  обильным и труднолетучим  элeментам.

С ростом порядкового номера распространенность элементовубывает  неравномерно, причем элементы с четным порядковым номе' ром болеераспространены, чем с нечетным,  особенно элементы с массовым числом, кратным4, например. Не, С, О, Ne, Мд, Si, S, Ar,Са. ряд максимумов соответствуетэлементам 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 космохимикиГарольд Юри   и Г.Зюсс сказали так: «Представляется, чтораспространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и чтоокружающее нас вещество похоже на юлу космическою ядерною пожара, в котором онобыло создано».

Большинство газов (или летучей части солнечноговещества) — Н, Не, СО, О, N, СО2 и все инертные газы. Основную часть внутрен­них планет и метеоритовсоставляют нелетучие элементы солнечного вещества — Si, Ре, Vg, Са, Al, Mi, Na. Проводя детальные сравнения,Виноградов показал, что эти породообразующие элементы планет и метеоритовнепосредственно выброшены Солнцем, и не за­хвачены из других областейГалактики. Некоторые различия в составе планет связаны с вторичными процессамии тем, что элементы входят в разные соединения, пребывая в разных агрегатныхсостоя­ниях. Особенно близок состав нелетучей части элементов Солнца и наиболеераспространенных каменных метеоритов — хондритов.

Летучая часть солнечноговещества, существующая в виде газов при Т>0, при низких температурахпереходит в твердое состояние, а атомы газов вступают в соединения. Инертныегазы в соединения не вступают, оставаясь и при низких температурах вгазообразном со­стоянии. Земля и метеориты сохранили летучие элементы в той сте­пени,и какой они проявляли свою активность, поэтому инертные газы как на Земле, таки в метеоритах встречаются редко. Что каса­ется изотопного состава С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Со, Ва, К, Си, то он оди­наковна Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований непроведено, но для С12: С13 он такой же, как и на Земле. Исследования по инертнымгазам показали идентичность изо­топного состава в солнечной системе, но надругих звездах это отно­шение иное.

Таким образом, все теласолнечной системы построены из неболь­шого числа элементов (около 28 номератаблицы Менделеева распро­страненность существенно падает) и имеют единоепроисхождение. Метеориты, большинство которых оказались очень древними, далиценную научную информацию об истории возникновения отдельных тел солнечнойсистемы. По оценкам, основанным на радиоактив­ном распаде урана, тория, рубидияи калия, их возраст около 4,5—4,6 млрд лет, т. е. совпадает с возрастом Земли иЛуны. В них насчитываются примерно 66 минералов, большинство из них похожи наземные. Вероятно, метеориты образовались тогда же, что и плане­ты земнойгруппы. Согласно принятой в геологии классификации, все элементы разделены начетыре группы. Атмофильные элементы склонны накапливаться в атмосферах;литофильные образуют твер­дые оболочки планет; халькофильные создают соединенияс серой, подобные меди; сидерофильные способны растворяться в сплавах же­леза.

10.      Круговоротыкаких веществ определяют основные факторы формирования климата и каким образом.

Планеты земной группы, как предполагают ученые, когда-тобыли похожи друг на друга.

Разница в климате возникла из-зи разного круговоротауглекислого 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 снижениесодержания углекислого газа в атмосфере со скоростью, точно компенсирующейвозрастание светимости Солнца. Он провел аналогичные рассчеты для иных, чем уЗемли, 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  результатеразгоняющегося парникового эффекта, а на расстоянии дальше на 1% а. Е. ОтСолнца имело бы разгоняющееся оледенение. Только в узкой полоске расстояниймежду 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. Скореевсего, содержание углекислого газа менялось в соответствии с изменениемтемпературы поверхности Земли. Этот режим саморегуляции обеспечил нашей планетеустойчивость климата.

Эта обратная связь могла обеспечиватьсякарбонатно-силикатным геохимическим циклом, который способен отвечать за 80%обмена  углекислым газом между планетой и ее атмосферой на временных интервалахболее 0,5 млн. лет.
Началом цикла можно считать растворение содержащегося в атмосфере углекислогогаза в водяных капельках и образование угольной кислоты. Дождевые осадкиразрушали горные породы, состоявшие из соединений кальция, кремния и кислорода.Угольная кислота вступает в реакцию с породами на поверхности, высвобождая ионыкальция и бикарбоната, которые поступают в грунтовые воды, а за­тем в океан,где оседают в скелетах и раковинах планктона и других организмах, состоящих изкарбоната кальция (СаСО3). Останки этих организмов откладываются наокеанском дне, формируя осадочные породы. Дно моря расширяется, через многотысяч лет эти породы приблизятся к краям континентов. Дно подтягивает их подберег, они попадают в земные, недра, где на них действуют давление итемпература. Карбонат кальция соединяется с кремнием, образуя силикатные породыи выделяя углекислый газ, т. е. происходит карбонатный метаболизм. Газ попадаетвновь в атмосферу через извержения вулканов и срединно-океанические хребты.Цикл завер­шается (рис. 129).

Изменения температуры земнойповерхности влияют на количе­ство углекислого газа в атмосфере и величинупарникового эффекта. Пусть по какой-то причине на Земле стало прохладнее. Приболее низкой температуре меньше воды испарится из океана в атмосферу, меньшевыпадет дождей, и уменьшится эрозия почвы, вызванная осадками. Тогда скоростьпокидания атмосферы углекислым газом уменьшится, а скорость регенерации его впроцессе карбонатного ме­таболизма и поступления в атмосферу останется напрежнем уровне. Это приведет к накоплению СО2, усилению парниковогоэффекта и восстановлению более теплого климата. Если по какой-то причине наЗемле произошло потепление, то обратная связь сработает в другую  сторону, и равновесиеустановится.   Предположим,что все океаны вымерзли, дожди прекратились,

  содержание СО, в атмосфере возросло. При современнойскорости выделения давление его в 1 бар создается за 20 млн. лет, такого коли­чествауглекислого газа хватит на поднятие средней температуры до +50 °С. Значит, льдырастают и восстановится нормальный для жиз­ни климат.

В круговороте углекислого газа большую роль играют живыеорга­низмы, определяющие изменения климата. Часть углекислого газа (около 20%), не участвующая в карбонатно-силикатном обмене, вы­водится из атмосферыфотосинтезирующими растениями. При гние­нии растений и окислении в почвенакапливается СО2, в результате его оказывается в почве больше, чембыло 400 млн. лет назад до появления растений, поэтому превращение силикатныхматериалов в осадочные карбонатные породы происходит быстрее. Расчеты пока­зывают,что исчезновение растений привело бы в повышению тем­пературы на 10° за счетотрицательной обратной связи силикатно-карбонатного цикла.