Концепции современного естествознания

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 Н3РО4 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: Fгр= - 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):

[pic]

Здесь сила электрического взаимодействия, направленная вдоль прямой,

соединяющей заряды, будет силой притяжения или отталкивания в зависимости

от знаков зарядов е1 и е2 Через ( 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

слова Ричарда Феймана: «Микрочастицы не похожи ни на что, из того, что

Вам хоть 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 (q, а неопределенность импульса как р,

получим (q (р(h. Если взять сопряженные им величины — энергию Е и время t,

то квантово-механическое соотношение неопределенности для них будет (t

(Е(h.

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 ( практически совпадает с плотностью

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

значит, и температуру Е = (Т4. С другой стороны, ( = M/(4/3)(R(, R =

(9GMt2/2)1/3 и ( (5*105/t2) г/см3. Здесь время t в секундах. Отсюда ясна

связь температуры Т и времени, прошедшего от начала расширения: Т( 1010/(t

Сначала (при t 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 (-мезоны и их античастицы.

Продолжительность эры лептонов 0,0001 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.

-----------------------

[pic]

Страницы: 1, 2