Учебное пособие Концепции современного естествознания 8

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-30

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Имя

Выберите тип работы:

Принимаю Политику конфиденциальности

Скидка 25% при заказе до 25.12.2024

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московская государственная академия

приборостроения и информатики»

Е.Н. Фигуровский, Б.Я. Шпиченецкий

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

учебное пособие

Москва, 2005

УДК 50

Рекомендовано Ученым советом МГАПИ в качестве учебного пособия для студентов гуманитарных специальностей

Рецензент – доцент, к.ф. – м.н. Е.А. Коломийцева

Учебное пособие предназначено для студентов МГАПИ,

изучающих дисциплину «Концепции современного естествознания»
Издательство МГАПИ

Содержание

      Введение………………………………………………………4

1.   Панорама современного естествознания…………………………..4

2.   Иерархия структур в микро-, макро- и мегамире …………………..7

3.   Представления о концепциях материи, движения, пространства и

      времени ……………………………………………………..9

4.   Механическое движение. Классическая концепция Ньютона………..12

5.   Колебания и волны…………………………………………..18

6.   Фундаментальные взаимодействия. … ……………………………19

7.   Статистические и термодинамические свойства макросистем ……….23

8.   Концепция корпускулярно-волнового дуализма …………………….26

9.   Элементы атомной и ядерной физики ……………………………..29

10. Развитие химических концепций ………………………………….33

11. Мегамир. Современные космологические концепции ……………….39

12. Планета Земля и современные представления о литосфере..………….45

13. Биосфера. Биологические концепции…..……………………………48

14. Экология в современном мире …………………………………….52

15. Феномен человека ……………………………………………….56

16. Самоорганизация в природе ……………..…………………………58



      Вопросы для подготовки к экзамену…………………………….62

           Рекомендуемая литература……………………………………….63

Введение

Зачем будущим экономистам, юристам, управленцам надо изучать дисциплину «Концепции современного естествознания»? Концепция – это совокупность наиболее существенных элементов теории или учения, определённый способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения. Знание концепций современной физики, химии, биологии и других естественных наук позволит повысить профессионализм. Поясним вышесказанное примером. Юрист разбирает дело о столкновении судов. Конечно ему надо знать законы, принятые в мировой практике судовождения. Но с другой стороны, если он не знает, что такое масса, перемещение, скорость, ускорение и т.д. он не сможет применить свои профессиональные знания. Менеджер рекламирует изделия какого-то предприятия. Хорошо известно, что на выставках или просмотрах первые вопросы всегда касаются технических сторон изделия и он должен разбираться в этих вопросах. Это же относиться к специалистам по маркетингу, рекламе, управленцам.

1. Панорама современного естествознания

1.1. Естественнонаучная и гуманитарная культура

Под культурой понимается создание сферы жизнедеятельности, включающей в себя совокупность материальных и духовных ценностей. Культура делится на естественнонаучную, гуманитарную, техническую и т.д. Под естественнонаучной культурой понимается знание о природе.

Естествознание – это совокупность наук о природе: физики, химии, биологии, наук о Земле и всей Вселенной, экологии, физиологии и т.д. Физика – основа современного естествознания. Физика по-гречески «природа» - это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения. Естественные науки познают законы природы, независящие от постороннего влияния, поэтому их законы носят объективный характер.

Гуманитарная культура включает в себя знания о духовном мире человека и человеческом обществе. Это такие науки как философия, история, право, экономика, социология и др. Основной особенностью этих наук является направленность на человека. К гуманитарной культуре относятся: религия, искусство,… т.е. всё, что основано на человеческом общении.

1.2.Научный метод

Наука - является одним из важнейших элементов общественной жизни.

Наука – особый вид человеческой деятельности, направленный на получение, передачу, хранение и использование знаний. Это система достоверных знаний об объективных законах развития природы, общества.

Наука – это, прежде всего метод, определяющий путь исследований, Этот путь многие ученые проходят по следующим этапам: постановка задачи исследования; анализ известных теорий и методов решения задачи; опровержение известного, установление фактов, не укладывающихся в известные теории, и выдвижение гипотезы (обоснованного предположения) по устранению этого противоречия; теоретическая и экспериментальная проверка гипотезы; разработка новых теорий, позволяющих решить поставленную задачу.

Есть два логических способа применений научного метода: дедуктивный, предполагающий движение мысли от общего к частному и индуктивный - обобщение частных фактов, явлений в единой теории. Индуктивным методом воспользовался Ньютон при открытии второго закона. Он подверг сомнению принятый до него в науки тезис, что сила вызывает скорость, и выдвинул гипотезу о том, что сила вызывает изменение скорости, то есть ускорение. Проведя эксперименты, подтверждающие эту гипотезу, он пришёл к открытию второго закона.

1.3.   История развития естествознания

Парадигма - это общепринятая и достаточно устойчивая организация научных знаний, господствующая в течение определённого времени в научном сообществе и дающая представление о мире. Смена одной парадигмы на другую связана с коренной ломкой устоявшихся представлений, происходит достаточно редко и поэтому называется научной революцией. В истории естествознания обычно выделяют три такого рода научных революций, определивших и три этапа развития естествознания.

Первая из них относится к 6 - 4 веку до нашей эры и связана с формированием основ научного знания, которое заложили учёные Древней Греции. Так Демокрит утверждал, что мир состоит из корпускул (атомов). Тогда же была принята геоцентрическая картина мира, в основе которой было предположение, что Солнце движется вокруг Земли.

Вторая научная революция относится к 16 - 17 веку и характеризуется переходом к теории гелиоцентризма (Земля вместе с другими планетами движется вокруг Солнца), внедрение в науку экспериментального метода, а также создание классической механики.

Третья научная революция относится к концу 19, началу 20 века и связана с формированием частной и общей теории относительности и созданием квантовой механики.

В 20 веке объём естественнонаучных знаний стремительно увеличился. Были открыты способы использования энергии атома, лазеры, полупроводниковые приборы и др.

1.4.Физика - основа современного естествознания

Знание физики необходимо в наше время для специалиста любого профиля, поскольку физика – это одна из важнейших наук о природе.

Предметом физики, как уже отмечалось, является изучение наиболее общих свойств материи, закономерностей и форм ее движения. Физическими методами исследуются механические, молекулярные, гравитационные, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные процессы. Физика не единственная наука об окружающем нас мире, однако, она является важной потому, что имеет дело с такими свойствами материи, как время, пространство и движение.

Резкой границы между физикой и другими естественными науками провести нельзя. На отсутствие подобных границ указывает существование быстро развивающихся смежных наук - физической химии, геофизики, биофизики, астрофизики и др. Кроме того, во многих науках с каждым годом все шире применяются физические методы исследования.

В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т.д.

Слово "физика" появилось еще в древние времена. Одно из основных сочинений древнегреческого философа и ученого Аристотеля (381-322 до н. э.), ученика Платона, так и называлось "Физика". Физика тех времен, конечно, носила натурфилософский характер. Тем не менее, предвидя развитие физики, Аристотель писал: «Наука о природе изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движений, а кроме того, начала такого рода бытия».

«Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира» - так считал А. Эйнштейн.

Повторим, что одна из задач физики – это выявление самого простого и самого общего в природе. В современном представлении самое простое - так называемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т.п. А наиболее общими свойствами материи принято считать движение, пространство и время, массу, энергию и др. Конечно, физика изучает и очень сложные явления и объекты. Но при их изучении сложное сводится к простому, конкретное - к общему. При этом устанавливаются универсальные законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и в околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из существенных признаков физики как фундаментальной науки.

Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа:

древний и средневековый, классической физики, современной физики.

Первый этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать полностью оправданным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., поэтому и называется древним и средневековым этапом.

Начало второго этапа связывают с одним из основателей точного естествознания - итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником классической физики, английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Этот этап продолжался до конца XIX в.

К началу XX столетия появились экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый подход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858-1917), вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории.

2. Иерархия структур в микро-, макро- и мегамире

Слово «иерархия» отображает в данном случае лестницу объектов, качественно отличающихся или характеризующихся степенью сложности. На сегодняшний день принята следующая иерархия объектов: микрочастицы, ядра, атомы, молекулы, макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), планеты, звезды, галактики, Вселенная. Человек чаще всего имеет дело с макротелами (макромир) и сам таковым является.

Микрочастицы (элементарные частицы) – мельчайшие частицы материи при условии, что они не являются ядрами и атомами (исключение – протоны). Микрочастицы делятся на две группы адроны и лептоны.

Адроны

Барионы (протон, нейтрон, гипероны)

                   Мезоны (- мезоны, К - мезоны, h - мезоны)

Лептоны – электрон, мюон, t - лептон; электронное, мюонное и t -нейтрино.

Кроме перечисленных частиц, существуют так называемые резонансы (барионные и мезонные). Особняком от этих микрочастиц стоит фотон – квант электромагнитного поля. Адроны - наиболее тяжелые частицы - не являются неделимыми. Они состоят из кварков - пока истинно элементарных частиц. Гипотезу о кварках выдвинули в 1964 г. Гелл-Ман и Цвейг.

Объединение релятивистских и квантовых представлений привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний - открытию античастиц, которые отличается от частиц электрическим зарядом, магнитным моментом или другими характеристиками. Античастицы могут собираться в антивещество (например, антигелий-3). Однако во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколь-нибудь заметным содержанием антивещества.

Ядра - центральные, массивные части атома, состоящие из нуклонов. Масса ядра более, чем в тысячу раз больше массы электронов, входящих в атом. Размеры ядра – 10^-14 - 10^-15м. Число нуклонов в 1м³ достигает 10⁴⁴ , а плотность – 10¹⁷кг/ м³. Ядра могут быть стабильными и нестабильными.

Атомы и молекулы. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены отрицательно заряженными электронами. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Электроны, находящиеся на верхних орбитах определяют их способность вступать в соединения с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна.

Наименьшей структурной единицей сложного химического соединения является молекула ( в том числе и одноатомная).Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет около 10⁶. Некоторые атомы (углерод, водород и др.) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой образования макромолекул, проявляющие также и биологические свойства.

Макротела. При достаточно низких температурах практически все тела   являются твердыми. В них атомы не могут значительно удаляться от своих равновесных положений. Твердые тела имеют различные механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и другие свойства, которые определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (алмаз и углерод).

При нагревании твёрдых тел происходит плавление и переход в жидкое состояние. В жидкостях атомы уже не являются строго локализованными, тепловое движение атомов и молекул носит довольно сложный характер.

При дальнейшем повышении температуры - жидкости превращаются в газообразное состояние. Газы с хорошей точностью подчиняются статистическим и термодинамическим закономерностям (см. п. 7).

При вecьмa значительном повышении температуры среды (до 10⁴ - 10⁵К) происходит ионизация атомов, т.е. распад их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазмой. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает их с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями.

Планеты. Следующей ступенью в иерархии объектов природы являются макротела астрономического масштаба - планеты, изучение которых по существу только начинается. Однако, уже ceйчас ясно, что условия в которых находится вещество многих планет, отличаются от земных (так Юпитер, превосходящий по размерам Землю почти в 10 раз, вероятно, находится в жидком состоянии, исключая центральные области планеты, которые, по-видимому, состоят из металлического водорода). Однако в составе вещества планет не обнаружено никаких новых химических элементов по сравнению с земными.

Звёзды. Галактики. Вселенная

Как ни странно, но физики гораздо лучше представляют себе состояние вещества внутренних областей звёзд, чем планет. Так центральные области Солнца имеют температуру 10⁷К и давление 10¹⁶ Па. В этих условиях вещество полностью ионизировано (плазма) и при этом становятся возможными термоядерные реакции, окончательным итогом которых является слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия. Эта термоядерная реакция служит источником энергии звезд.

По мере потери энергии звезды уплотняются. Происходит захват электронов протонами с превращением последних в нейтроны, при этом одновременно испускаются нейтрино. В результате такой реакции уменьшается заряд ядра (при неизменной его массе), что, вообще говоря, приводит к уменьшению энергии связи ядра. В конце концов, ядра, содержащие слишком много нейтронов, станут неустойчивыми и распадутся. Вещество звезды будет представлять собой сверхплотный нейтронный газ.

Галактики — это звездные системы. Число звезд в них ~ 10⁹ - 10¹². Если масса звезды порядка 10³⁰ кг (как у нашего Солнца), то масса Галактики ~ 10⁴¹ кг. Известная нам часть Вселенной содержит число галактик порядка 10¹¹.

Оставим в стороне доказательства и способы измерений, которые сделали возможным привести названные здесь числа. Замечательно то, что эти числа нам известны; конечно, некоторые из них являются только приближенными.

Астрономические данные показывают, что галактики во Вселенной стремительно «разбегаются» друг от друга. Расширение Вселенной позволяет предположить, что когда-то в прошлом она занимала весьма малый объем. Это в свою очередь означает, что «дозвездное вещество» было сверхплотным и чрезвычайно горячим (температура порядка 10¹³К). При таких температурах вещество может состоять в основном из излучений — фотонов и нейтрино (более подробно см. п. 11).

3. Представление о концепциях материи, движения,

пространства и времени

Важнейшая задача естествознания - создание естественно - научной картины мира. Естественно-научная картина природы образует в целом упорядоченную систему, которая по мере развития науки уточняется и пополняется. Научный язык во многом похож на повседневный язык общения людей, но и отличается от него тем, что научные термины являются, во-первых, более общими и абстрактными и, во-вторых, они более сконцентрированы и точны. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает.

Выделение общего ведет к абстракциям, т. е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой - общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время. Эти понятия широко используются не только в естествознании, но и во многих гуманитарных сферах, например, в искусстве, в экономике, не говоря уже о философии.

Окружающий нас мир, всё существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к этим двум следует добавить третий вид материи - физический вакуум. Некоторые ученые в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма объединяют вещество и поле в единый тип реальности, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с собой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других - как поле. Однако такое объединение в большей степени касается не макро-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер. Неотъемлемый атрибут материи – движение.

3.1.Основные свойства пространства и времени

Пространство и время - категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время - порядок смены изменений явлений и объектов.

Свойства пространства, свободного от силовых полей (классическая концепция):

1.Трёхмерность.

2.Плоскостность, то есть подчинение геометрии Евклида.

3.Однородность, то есть все точки пространства равноправны (пространство инвариантно по отношению к параллельному переносу)

4.Изотропность, то есть все направления равноправны (пространство инвариантно по отношению к повороту).

5.Непрерывность вплоть до 10^-18м (затем пространство становится дискретным или зернистым); квант пространства равен 10^-35м (предположительно).

Свойства времени:

1.Одномерность.

2.Однородность, то есть одно и то же событие развивается одинаково в разные моменты времени.

3.Анизотропность, то есть для времени характерно выделенное направление - "стрела времени": все события развиваются от прошлого через настоящее к будущему.

4.Непрерывность вплоть до 10^-23с; квант времени равен 10^-43с (предположительно).

В релятивистской механике (от лат. relativus – относительный), когда скорость движения тела сравнима со скоростью света, выявилась зависимость пространственно - временных характеристик объектов от скорости их движения.

Частная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум: пространство – время. Основанием для такого объединения послужили и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел - скорости света в вакууме с = 3 × 10⁸ м/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, равномерно движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер.

Общая теория относительности (ОТО) вскрыла зависимость метрических характеристик пространства времени от распределения гравитационных масс, наличие которых приводит к искривлению пространства - времени, при этом такие категории как конечность и бесконечность также обнаружили свою относительность.

3. 2.
Принципы относительности и инвариантность. Симметрия

Установлено, что во всех инерциальных системах отсчета (движущихся без ускорения) законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом сущность механического принципа относительности – принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т. е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы не можем определить, движется ли корабль, не выглянув в окно.

Пуанкаре распространил принцип относительности на все электромагнитные процессы, а Эйнштейн использовал его для частной теории относительности.

Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с законами сохранения и вообще с законами природы.

Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Из частной теории относительности вытекает ряд инвариантов для инерциальных систем отсчета: скорость света, масса, электрический заряд, интервал и д.р. Они остаются неизменными относительно преобразований Лоренца, предложенных им в 1904 г., еще до появления теории относительности, как преобразования, относительно которых уравнения Максвелла инвариантны.

Релятивистский эффект замедления времени экспериментально подтвержден при исследовании нестабильных, самопроизвольно распадающихся элементарных частиц в опытах с пи-мезонами.

Частная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Частную теорию относительности часто называют релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистским эффектом. В основе частной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

1)принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника или наблюдателя, и одинакова во всех инерциальных системах отсчета (с = 3 × 10⁸м/с).

В соответствии с первым постулатом все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т.е. явления механические, электродинамические, оптические и другие во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Согласно второму постулату постоянство скорости света в вакууме – фундаментальное свойство природы. Она не зависит от скорости движения источника и приемника света.

Частная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время.

Из частной теории относительности следуют новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени.

Симметрия – это инвариантность в неизменности свойств системы при изменении (преобразовании) её параметров. Так кристалл может быть совместим с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований системы.

Крупнейшие открытия в физике ХХ века связаны с изучением различных симметрий. Можно расширить понятие симметрии и назвать группой симметрии такие преобразования пространства и времени, при которых формы записи уравнений или комбинации физических величин остаются неизмененными. В этом смысле говорят о симметрии физических законов, исследовании свойств симметрии физических явлений для познания фундаментальных закономерностей Природы. Вся гармония Природы должна, в конечном счете, быть выражена и обобщена принципиальным математическим единством её законов.

4. Механическое движение. Классическая концепция Ньютона

Механика - раздел физики, в котором изучаются механические движения и взаимодействия материальных тел. В настоящее время различают четыре разновидности механики: классическую, релятивистскую, квантовую и релятивистскую квантовую механику.

Под механическим движением понимают изменение, с течением времени положения тел или их частей в пространстве. То есть, можно сказать, что движение происходит в пространстве и во времени.

В зависимости от вида реальных тел имеем механику материальной точки, твердого тела и сплошной среды. Материальная точка - тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других тел (в условиях данной задачи). Под твёрдым телом понимается абсолютно твёрдое тело, деформациями которого пренебрегают в условиях данной задачи. Любое твёрдое тело можно представить как систему материальных точек. К сплошной среде относятся, например: жидкости, газы.

Механика подразделяется на кинематику, которая изучает движение тел без выяснения причин, их вызывающих; динамику, которая изучает законы движения взаимодействующих тел; статику, изучающую условия равновесия тел и являющуюся частным случаем динамики.

4.1. Физические величины и их единицы измерения

Физическая величина – измеряемая характеристика одного из свойств физического объекта, его состояния, процесса (например: длина, масса m, время t и т.п.). Единица измерения физической величины – конкретная физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения физических величин. Как и физические величины, их единицы измерения имеют наименования и обозначения (так, наименованием единицы измерения длины является метр, обозначение – м).

В 1960г. Введена международная (интернациональная) система единиц измерения физических величин (СИ)

Bсe физические величины и их единицы измерения разделяют на основные, дополнительные и производные. Основная физическая величина – величина, условно принятая в качестве независящих от других величин. Производная физическая величина – величина, определяемая через основные физические величины посредством математических формул (к примеру, скорость , ускорение ).

В СИ приняты семь основных и две дополнительные единицы измерения.

Основные единицы измерения

1. Длина – метр (м),

2. Масса – килограмм (кг),

3. Время – секунда (с),

4. Сила электрического тока – ампер (А),

5. Термодинамическая температура – кельвин (К). T=273,15+t°C.

6. Количество вещества – моль (моль);

7. Сила света – кандела («свеча», по-латински) (кд).

Дополнительные единицы измерения

1. Плоский угол – радиан (рад);

2. Телесный угол – стерадиан (ср);

Производные единицы, например, Н, Дж, Вт, В, Ом, Ф, Тл и др.

Более широкими понятиями (категориями) нежели физическая величина являются явление и свойство тела. Их сущность раскрывается в следующих примерах. Инерция – явление сохранения состояния покоя или равномерного прямолинейного движения.

Инертность – свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. В общем смысле – сохранять какое-то состояние.

Масса – скалярная физическая величина, характеризующая инертность тела. В более широком смысле масса – одна из основных характеристик материи, определяющая её инерционные (инертная масса ) и гравитационные (гравитационная масса ) свойства.

Силы инерции в ускоренной системе отсчета эквивалентны гравитационным силам. Этот факт называют, принципом эквивалентности Эйнштейна. При соответствующем выборе единиц измерения m_u и m_гр принимают m_u = m_гр.

Кинематика поступательного движения оперирует следующими физическими величинами: время t, путь , перемещение, скорость и ускорение .

Линия, описываемая в пространстве движущимся телом, называется траекторией. Расстояние между двумя точками, измеренное вдоль траектории, есть длина пути, или просто путь. Вектор , соединяющий две точки траектории (например, начальную и конечную), называют перемещением.

Кинематика основывается на двух формулах, которые описывают равномерное, равнопеременное и неравномерное движение тел (материальных точек):   ,                         ,

где – скорость – векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела (); – ускорение – векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения вектора скорости.

Интегрируя последние формулы можно получить уравнения для любых видов движения в явном виде. Например, для равнопеременного движения (=const):

.

Система отсчета в механике – это совокупность системы координат и часов, связанных с некоторым телом, по отношению к которому определяется положение других тел в различные моменты времени.

Системы отсчета подразделяются на инерциальные, т.е. покоящиеся или движущиеся равномерно и прямолинейно, и неинерциальные, перемещающиеся с ускорением.

4.2. Классическая концепция Ньютона

Классическая механика сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания.

Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания.

В основе классической механики лежит концепция Ньютона. Её сущность наиболее кратко и отчётливо выразил А. Эйнштейн:

«Согласно ньютоновской системе физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами».

В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как большинство физических   законов) обобщением результатов огромного человеческого опыта, о чем сам Ньютон образно сказал: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». 3аконы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязи законов.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точки (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.

Стремление тела сохранить состояние покоя или   равномерного прямолинейного движения называется (как отмечалось) инерцией (см.п.п.4.1.). Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции.

Второй закон Ньютона утверждает, что скорость изменения импульса пропорциональна приложенной к телу силе и имеет тоже направление:

,

При неизменной массе тела (m=const): , где                                – результирующая сила.

Импульс – векторная физическая величина, характеризующая меру поступательного движения и равная произведению массы тела на его линейную скорость: , .

Сила – векторная физическая величина, характеризующая меру взаимодействия тел. = =

Третий закон Ньютона: силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению:. (Следует иметь в виду, что эти силы приложены к разным телам).

Силы. Закон всемирного тяготения

Все силы, встречающиеся в природе, сводятся к силам гравитационного притяжения, электромагнитным силам, слабым и сильным взаимодействиям.

В классической механике различают гравитационные силы: силы тяжести и тяготения, упругие силы, силы трения, вес тела, которые являются по своей природе электромагнитными.

В соответствии с установленным Ньютоном законом всемирного тяготения сила тяготения гравитационного взаимодействия двух материальных точек. , где r - расстояние между материальными точками, m₁ и m₂ - их массы, G – коэффициент пропорциональности, называемый гравитационной постоянной, G – 6,67-10^-11 .
Закон сохранения импульса

Совокупность взаимодействующих тел называют механической системой. Силы, действующие между телами системы, называют внутренними, а со стороны тел, не принадлежащих этой системе, - внешними. Если действием внешних сил можно пренебречь, то систему называют замкнутой или изолированной.

Полный импульс всех тел замкнутой системы не изменяется со временем (это и есть закон сохранения импульса):

В основе закона сохранения импульса лежит одно из свойств симметрии пространства, а именно однородность пространства – инвариантность физических законов относительно параллельных пространственных сдвигов замкнутых систем, то есть одинаковость свойств пространства во всех точках.

4.3. Работа, мощность, энергия

Работа А силы – скалярная физическая величина, характеризующая меру действия силы, приложенной к телу. Работа постоянной силы на конечном перемещении : где - угол между и . За единицу измерения работы в СИ принят джоуль: .

Мощность N – скалярная физическая величина, характеризующая быстроту (скорость) совершения работы: , Вт.

Энергия – скалярная физическая величина, характеризующая общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи. В механике используют также более краткое определение: механическая энергия – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела совершать работу.

Один из видов механической энергии – кинетическая энергия           – энергия движения, определяемая массой тела и его скоростью. При . Положительная работа внешних сил увеличивает кинетическую энергию тела: .

Другой вид механической энергии – потенциальная энергия, – скалярная физическая величина, характеризующая взаимодействие тел, зависящее от их взаимного расположения. Для тел, удаленных друг от друга на бесконечно большое расстояние, их потенциальная энергия равна нулю.

При положительной работе сил взаимодействия потенциальная энергия уменьшается: . Для тел массой , расположенных на Земле или в близи неё .

Потенциальная энергия гравитационного притяжения двух материальных точек (см.п. 6.4) отрицательна; для увеличения необходимо воздействие внешних сил.

4.4. Закон сохранения механической энергии

Механическая энергия системы материальных точек, находящихся под действием консервативных сил, остается постоянной. В такой системе могут происходить лишь превращения потенциальной энергии в кинетическую и обратно, но полный запас энергии системы измениться не может. При наличии неконсервативных сил (например, сил трения, сил сопротивления…) механическая энергия системы не сохраняется, она уменьшается, что приводит к нагреванию системы. Такой процесс называется диссипацией (рассеянием) энергии.

Силы называют консервативными, если их работа зависит только от начального и конечного положений тела. Работа консервативной силы по замкнутой траектории равна нулю. Примером консервативной силы является сила тяготения . материальных точек массами и (см. закон всемирного тяготения п. 4.2).

Закон сохранения механической энергии математически выглядит так:

,

где – механическая энергия материальной точки.

Этот закон связан с однородностью времени, то есть с инвариантностью физических законов относительно выбора начала отсчета времени.

4.5. Общефизический закон сохранения энергии

Классическая механика учитывает только кинетическую энергию макроскопического движения тел и их макроскопических частей, а также их потенциальную энергию. Но она полностью отвлекается от внутреннего атомистического строения вещества. При ударе, трении и аналогичных процессах кинетическая энергия видимого движения тел не пропадает. Она только переходит в кинетическую энергию невидимого беспорядочного движения атомов и молекул вещества, а также в потенциальную энергию их взаимодействия. Эта часть энергии получила название внутренней энергии.

Беспорядочное движение атомов и молекул воспринимается нашими органами чувств в виде тепла. Таково физическое объяснение кажущейся потери механической энергии при ударе, трении и пр.

В физике закон сохранения энергии распространяют не только на явления, рассматриваемые в механике, но и на все без исключения процессы, происходящие в природе.

Полное количество энергии в изолированной системе тел и полей всегда остается постоянным; энергия лишь может переходить из одной формы в другую.

Идея этого закона принадлежит Ломоносову, изложившему закон сохранения материи и движения.

,

где ,(– количество теплоты, – энергия излучения света)

Общефизический закон сохранения энергии не может быть выведен из уравнений механики и должен рассматриваться как одно из наиболее широких обобщений опытных фактов.

5. Колебания и волны

5.1. Гармонические колебания и их характеристики

Колебание – это периодически повторяющийся процесс. Колебания делятся на свободные и вынужденные. В свою очередь свободные колебания разделяются на незатухающие, когда амплитуда колебаний со временем не изменяется, и затухающие. Простейшим случаем свободных незатухающих колебаний являются гармонические колебания. В этом случае смещение тела от положения равновесия изменятся по закону синуса или косинуса.

Уравнение гармонических колебаний имеет вид:

где – амплитуда или максимальное смещение; w - циклическая частота, (w
t
+
j
₀) и j
₀
– соответственно фаза и начальная фаза колебаний.

где Т – период колебаний, частота, измеряется в герцах (Гц).

Чисто гармонических колебаний в природе нет. Но любой колебательный процесс можно представить как сумму гармонических колебаний, которые совершают только идеализированные системы. К ним, к примеру, относятся математический, пружинный и физический маятники (механические осцилляторы).

Примерами колебаний в биологии являются биоритмы (см. п.15.5), например, сокращения миокарда, в химии – «химические часы» (см. п.16.3), в экономике – экономические циклы, т.е. цикличность экономического развития, заключающаяся в чередовании основных фаз цикла: подъем, спад, депрессия.

5.2. Вынужденные колебания. Резонанс

Вынужденные колебания возникают при действии на колебательную систему внешней силы, изменяющейся со временем по гармоническому закону: , где и - амплитуда и циклическая частота вынуждающей силы.

Резонанс – это явление резкого увеличения амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты внешних воздействий к частоте собственных колебаний системы. Данное явление следует учитывать при конструировании мостов, машин, кораблей, самолетов и т.д. Необходимо, чтобы частоты их колебаний не совпадали с частотой внешних воздействий.

5.3. Волновые процессы

Если возбудить колебания в какой-то точке среды (твердой, жидкой или газообразной), то они распространяются в этой среде с конечной скоростью от одной точки среды к другой.

Процесс распространения колебаний в пространстве называется волновым процессом или волной.

При распространении волны частицы среды не движутся вместе с ней, а колеблются около своих положений равновесия, при этом происходит перенос энергии волны.

Среди разнообразных волн, встречающихся в природе и технике, выделяются следующие типы: волны на поверхности жидкости, упругие и электромагнитные волны.

Упругими
волнами называются механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Они бывают продольными и поперечными. В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны; в поперечных – в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны.

Уравнение плоской упругой волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси х в среде, не поглощающей энергию, имеет вид:                   ,

где – смещение колеблющихся частиц, k – волновое число, , где l – длина волны .

5.4. Свойства волн: интерференция, дифракция

Волны называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени. Когерентными могут быть волны, имеющие одинаковую частоту.

При наложении в пространстве когерентных волн в зависимости от соотношения между фазами этих волн наблюдается усиление или ослабление результирующей волны. Это явление называют интерференцией.         Дифракцией
называется явление огибания волнами препятствий на их пути, если размеры препятствий соизмеримы с длиной волны. Благодаря дифракции волны могут огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экране и т.д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, так как звуковые волны его огибают.

6.
Фундаментальные взаимодействия

6.1. Концепции близкодействия и дальнодействия

Взаимодействие – это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их первоначального состояния (движения, положения).

В классической механике взаимодействие характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия.

Первоначально имело место представление о том, что взаимодействие может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участие в передаче взаимодействия, причем эта передача происходит мгновенно. В этом состояла концепция дальнодействия.

Однако, после открытия и исследования электромагнитного поля эти представления были признаны несостоятельными. Возникла новая концепция – концепция близкодействия, согласно которой взаимодействие между телами осуществляется посредствам тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. После появления квантовой теории поля эта концепция претерпела изменения: любое поле не непрерывно, а имеет дискретную структуру.

Каждому полю соответствуют определенные частицы.

6.2 Виды фундаментальных взаимодействий

К настоящему времени известны 4 вида фундаментальных взаимодействий:

Виды взаимодействия	Константа взаимодействия	Радиус действия м
Сильное	1	Около 10^-15
Электромагнитное	1/137	∞
Слабое	10^-14	Около 10^-18
Гравитационное	6·10^-39	∞

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется законом всемирного тяготения (см. п.4.2).

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существует как положительные, так и отрицательное заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия (притяжение или отталкивание). При движении зарядов следует учитывать еще и направление их перемещения.

Электромагнитное взаимодействие описывается законами электростатики и электродинамики: законами Кулона, Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами частицами – глюонами.

Наконец, слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений, взаимодействие нейтронов с веществом.

6.3. Понятие физического поля

Все взаимодействия осуществляются посредством особой формой материи – физическим полем. Оно может быть векторным или скалярным. Физическое поле связывает тела в единые системы и передает взаимодействие с конечной скоростью (в вакууме – со скоростью света). Поле, проявляющее себя в действии сил на различные тела, называют силовым полем. Каждое тело создает вокруг себя поле. Силовому полю как одной из форм материи присущи ее свойства: пространственно-временная протяженность, инертность, движение, энергия, импульс. Не изменяющееся со временем силовое поле называют стационарным. Если силы, действующие на тело, во всех точках одинаковы по модулю и направлению (), поле называют однородным.

Силовое поле, в котором работа силы поля А зависит только от начального и конечного положений тела и не зависит от вида его траектории, называется потенциальным (консервативным).

Никаких силовых взаимодействий, кроме полевых, современная физика не признает. Взаимодействия, возникающие при соприкосновении тел, являются частным случаем полевого взаимодействия. Так, вес тела, силы упругости и трения создаются электромагнитными полями. Они быстро убывают с расстоянием и проявляются, как правило, на расстояниях менее 10^-9м. Поэтому-то такие полевые взаимодействия и воспринимаются макроскопически как «взаимодействия соприкосновения».

6.4. Гравитационное поле

Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством центрального гравитационного поля (поля тяготения), источником которого является масса тела. Для количественной характеристики гравитационного поля вводят две физические величины – напряженность и потенциал поля тяготения.

Напряженность гравитационного поля – векторная физическая величина, равная по величине и направлению силе тяготения, действующей на единичную массу, помещенную в данную точку поля: .

Направлена напряженность к телу, создающему гравитационное поле. Для материальной точки массой М, на расстоянии r от нее:

(см.п.4.2),

где g – ускорение силы тяжести (тяготения).

Потенциал гравитационного поля - скалярная физическая величина, численно равная потенциальной энергии единичной массы, помещенной в данную точку поля (см. п.4.3.):

Потенциал увеличивается с расстоянием, максимальное его значение соответствует r = ∞, то есть бесконечному удалению материальной точки от центра сил.

6.5. Электромагнитные поля и волны

Среди четырех видов фундаментальных взаимодействий – гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого – электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы мышц человека и животных и т.д.

Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас многообразные предметы и тела, так как свет – одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая предложением Максвелла - идеи о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.

В 60-х годах 19 в. Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Эта была первая теория поля, успешно объяснившая многие электромагнитные явления. Максвелл высказал гипотезу, что, во-первых, электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем (согласно закону Фарадея), как и само магнитное поле, является вихревым, и, во-вторых, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать в окружающем пространстве появление вихревого магнитного поля.

Таким образом, переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле.

Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, не только смогла объяснить уже известные к тому времени экспериментальные факты, что также является важным её следствием, но и предсказала новые явления. Так было предсказано существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитные волны имеют много общего с механическими и акустическими волнами. И те, и другие представляют собой распространение колебаний в пространстве; характеризуются одними и теми же параметрами: длинной волны – λ, частотой ν и циклической частотой ω, периодом Т, амплитудой А, Е₀, Н₀, волновым числом k=2π/λ и др. Уравнения этих волн так же аналогичны. Распространение электромагнитных волн описывается аналогичными уравнениями механических волн (см.п.5.3):

,

где и - напряженности (и их амплитуды) электрического и магнитного полей.

Но между ними существуют и различия. Если механические и акустические волны способны распространяться только в упругой среде (твердые тела, жидкости, газы), то электромагнитные волны могут перемещаться и в вакууме. Механические волны могут быть и поперечными и продольными, электромагнитные волны – только поперечными. Волны в упругих средах не могут, как электромагнитные волны распространяться со скоростью света.

Длина электромагнитной волны в вакууме .

6.6. Принцип суперпозиции

Согласно принципу суперпозиции результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности, при условии, что последние взаимно не влияют друг на друга.

Так, слабое гравитационное поле (как причина гравитационного воздействия) с хорошей точностью подчиняется принципу суперпозиции. Математически это выражается следующим образом: ,

где – напряженность гравитационного поля.

Классическое электромагнитное поле также удовлетворяет принципу суперпозиции.

В квантовой механике принцип суперпозиции – один из основных постулатов, определяющий вместе с соотношением неопределенностей Гейзенберга структуру математического аппарата теории.

6.7. Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны имеют весьма широкий диапазон частот ν и длин λ. Волны различной частоты отличаются друг от друга как по свойствам, так и по способам получения. В этой связи электромагнитные волны принято подразделять на несколько видов, образующих шкалу электромагнитных волн. Резкой границы между соседними видами не существует: частотные интервалы соседних видов взаимно перекрываются.

При этом ультрафиолетовое УФ, инфракрасное ИК излучения и видимый свет ВС возникают при переходе электронов в атоме с более высокой орбиты на более низкую.

7. Статистические и термодинамические свойства макросистем

7.1. Основные понятия молекулярной физики

Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств микросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй - молекулярной физики.

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Их поведение анализируется с помощью статистического метода, который основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяется свойствами частиц систем, особенностями их движения и усреднёнными значениями кинетических и динамических характеристик этих частиц.

Идеальный газ – это модель газа, в которой не учитывается взаимодействие молекул, а сами молекулы рассматриваются как материальные точки.

Идеальный газ характеризуется внешними и внутренними параметрами. К внешним параметрам относится: давление (р), температура (Т) и объём (V); к внутренним – среднеарифметическая <> и среднеквадратическая <> скорости, средняя энергия <>.

Взаимосвязь между внешними и внутренними параметрами газа описывается молекулярно-кинетической теорией. Например, между Т и <> имеет место следующее соотношение для поступательного движения: молекулы идеального газа:

где - постоянная Больцмана.

Уравнение состояния идеального газа – уравнение                 Менделеева-Клапейрона имеет вид:

где R=8,31Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная,                 М – молярная масса, m – масса газа. ,

где N_A=6.02·10²³ 1/моль – постоянная Авогадро.

Для идеального газа массой m, содержащего N молекул, полная энергия движения молекул, называемая внутренней энергией газа: , где i – число степеней свободы молекулы.

7.2. Термодинамические законы

Итак, всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией - энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Возможны два способа изменения внутренней энергии: путем совершения работы и путем теплообмена.

Известно, что в процессе превращения энергии выполняется закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии. В этом заключается качественная формулировка закона для термодинамической системы – первое начало термодинамики. Его формулировка: количество теплоты Q сообщенное системе, идет на увеличение внутренней энергии системы и на совершении системой работы А, т.е.

или

7.3. Энтропия

Энтропия является количественной характеристикой, определяющий характер процессов (равновесный, неравновесный), направление протекания (обратимый, необратимый) и вероятность процессов. Энтропия характеризует меру разупорядоченности системы.

Поскольку тепловое движение молекул является хаотичным, беспорядочным, то с помощью энтропии можно определить степень молекулярного беспорядка (хаоса).

С другой стороны, степень разупорядоченности системы можно характеризовать так называемой термодинамической вероятностью состояния (статистическим весом) W.

Термодинамическая вероятность (W) – это число различных способов, которыми может быть осуществлено данное состояние W1. Однако пользоваться термодинамической вероятностью для количественной оценки направленности протекания процессов неудобно, так как в случае нескольких систем необходимо прибегать к перемножению вероятностей. Удобнее, если бы удалось ограничится суммированием каких-то величин. Такой величиной и является энтропия, которую можно математически выразить через термодинамическую вероятность следующим образом:


Свойства энтропии:

1) если движение системы абсолютно упорядочено, то W=1 и S=0;

2) энтропия изолированной системой не может быть <0, поскольку в этом случае не может быть меньше единицы термодинамическая вероятность;

3) при необратимых процессах энтропия возрастает. Действительно, если, например, рассмотреть процесс расширения газа в пустоту, то при этом число способов которыми может быть осуществлено новое состояние больше, чем прежнее, т.е. , а поэтому ;

4) уменьшаться энтропия может только в случае неизолированной системы.

7.4. Второе начало термодинамики

Второе начало термодинамики определяет направление протекания происходящих в природе процессов. Его можно сформулировать несколькими способами.

Наиболее очевидная формулировка второго начала принадлежит Клаузиусу: теплота не может сама собой переходить от тела, менее нагретого, к телу более нагретому.

Второе начало, записанное в дифференциальной форме, постулирует существование дифференциала энтропии (dS) и является его определением:
                                                         .

7.5. Термодинамика открытых систем

Если первое начало термодинамики справедливо для любых систем, то второе начало – только для изолированных систем, т. е. таких, которые защищены от внешнего мира непрозрачной оболочкой и не обмениваются с окружающей средой энергией и веществом.

В самом деле, из формулы Больцмана следует, что, когда температура всех тел Вселенной сравняется, т. е. S
=
Smax, должно было бы наступить тепловое равновесие или тепловая смерть Вселенной. Но этого не произойдёт, так как Вселенная – это открытая система, т. е. она обменивается с окружающей средой энергией, веществом и информацией.

Если энтропия изолированной системы при протекании в ней реальных процессов может только увеличиваться, достигая максимума в состоянии равновесия, то энтропия открытой системы может также уменьшаться.

Приведём пример. Если принять, что теплота , отдаваемая Землёй за счёт теплового излучения, равна теплоте , полученной Землёй за счёт солнечного излучения, (), температура поверхности Земли           T₁ = 300К, а температура поверхности Солнца T₂ = 5800К, то изменение энтропии Земли: .

Таким образом, за счёт того, что Земля получает высококачественное излучение и отдаёт более низкокачественное, приращение энтропии отрицательно. Это способствует упорядоченности системы, например: развитию эмбриона и других объектов живой природы.

Человек - также открытая система, и приращение его энтропии также отрицательно в период его роста, в период старения приращение энтропии становится положительным за счёт апоптоза – запрограммированного старения и гибели клеток. Апоптоз обусловлен наличием у клетки генетического кода. Как писал один стареющий физик: «Меня съедает энтропия и целиком, и по частям». Когда энтропия достигает максимального значения, система становится изолированной и наступает смерть.

8. Концепция корпускулярно-волнового дуализма

8.1. Природа света

Свет имеет двойственную природу – корпускулярно-волновую. С одной стороны свет – это электромагнитные волны оптического диапазона (инфракрасные лучи, видимый свет и ультрафиолетовые лучи), а с другой – поток частиц – фотонов.

Волновую природу света подтверждают явления интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии, поглощения света и др.; корпускулярную природу: тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона.

Согласно гипотезе Планка электромагнитное излучение испускается не непрерывно, а порциями – квантами. Позже кванты электромагнитного излучения были названы фотонами.

Фотон – микрочастица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света), который распространяется со скоростью с. Фотон представляет собой частицу особого рода, отличную от таких микрочастиц, как электрон, протон и др., которые не могут двигаться со скоростью света в вакууме.

Энергия фотона: , где h - постоянная Планка;                   ν – частота света; - скорость света в вакууме; λ – длина волны фотона. Импульс фотона .

Эта формула показывает связь между характеристикой волны – длиной волны и характеристикой частицы – импульсом.

8.2. Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц

Французский учёный де Бройль, осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами. То есть любой частице, обладающей импульсом, сопоставляется волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля:    .

Эта формула справедлива для любой частицы с импульсом P.

Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально американскими физиками Дэвиссоном и Джермером, которые обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решётки – кристалла никеля, даёт отчётливую дифракционную картину.

Подтверждённая экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещества коренным образом изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микрообъектам присущи и корпускулярные и волновые свойства: для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

8.3. Принципы неопределённости и дополнительности

Согласно двойственной корпускулярно-волновой природе частиц вещества для описания свойств микрочастиц используются либо волновые, либо корпускулярные представления. Приписать им все свойства частиц и все свойства волн нельзя. Возникает необходимость введения некоторых ограничений в применении к объектам микромира понятий классической механики.

В классической механике всякая частица движется по определённой траектории так, что в любой момент времени точно фиксированы её координата и импульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных различий заключается в том, что нельзя говорить о движении микрочастицы по определённой траектории и об одновременных точных значениях её координаты и импульса.

Немецкий физик Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришёл в 1927 г. к выводу: объект микромира невозможно одновременно с любой наперёд заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно точно определенные координату х и импульс P, причём неопределённости этих величин удовлетворяют условию: ∆x ∙ ∆P ≥ h, т. е. произведение неопределённостей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка.

Соотношение неопределённостей неоднократно являлось предметом философских дискуссий, приводивших некоторых философов к его идеалистическому истолкованию: соотношение неопределённостей, не давая возможности одновременно точно определить координаты и импульсы (скорости) частиц, устанавливает границу познаваемости мира, с одной стороны, и существования микрообъектов вне пространства и времени – с другой. На самом деле соотношение неопределённостей не ставит какого-либо предела познанию микромира, а только указывает, насколько применимы к нему понятия классической механики.

Для описания микрообъектов Бор сформулировал в 1927 г. принципиальное положение квантовой механики – принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы и её скорость (или импульс), энергию и время.

С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют (следуя Бору) влиянием измерительного прибора (микроскопического объекта) на состояние микрообъекта.

С позиции современной квантовой теории роль прибора в измерениях заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы. Состояния, в котором взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определённые значения, принципиально невозможны, причём если одна из таких величин точно определена, то значения другой полностью неопределенны. Таким образом, фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем.

9. Элементы атомной и ядерной физики

9.1. Физика атома

В конце XIX столетия атом рассматривался как неделимая, элементарная частица. Открытие электрона и явление радиоактивного распада показало, что атом является сложным образованием. Спектроскопические исследования светящихся газов подтвердили это положение.

В 1913 г. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома, которая, однако, оказалась в противоречии с законами классической механики и термодинамики. Необходимо было найти новые закономерности. Это сделал Бор, положив в основу своей теории следующие постулаты.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса. Этот постулат находится в противоречии с классической теорией.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией:
=
hν
= Е₂ – Е₁, Дж,

где Е₂ и Е₁ - соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения).

Немецкие физики Франк и Герц, изучая методом задерживающего потенциала столкновение электронов с атомами газов (1913 г.), экспериментально подтвердили существование стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов.

Теория Бора была крупным шагом в развитии теории атома. Но её слабой стороной являлось то, что она была ни последовательно классической, ни последовательно квантовой.

Только с помощью квантовой механики (уравнение Шрёдингера и др.) стало возможным ответить на многие вопросы, касающиеся строения и свойств любых элементов.

9.2. Строение атомного ядра

Примерно через 20 лет после того, как Резерфорд «разглядел» в недрах атома его ядро, был открыт нейтрон – частица по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода протон, но только без электрического заряда.

Вскоре после этого открытия Гейзенберг и Иваненко выдвинули гипотезу о том, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. На этом постулате базируется современный взгляд на строение атома.

Протоны и нейтроны называются, одним словом нуклоны. Протоны – это элементарные частицы, которые являются, например, ядрами атомов легчайшего элемента – водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается Z (число нейтронов - N). Протон имеет положительный электрический заряд.

В ядре нуклоны связаны силами особого рода – ядерными. Одна из характерных их особенностей – короткодействие: на расстояниях порядка и меньше они превышают любые другие силы, вследствие чего нуклоны не разлетаются под действием электростатического отталкивания одноименно заряженных протонов. При больших расстояниях ядерные силы очень быстро уменьшаются до нуля.

9.3.
Дефект массы и энергия связи ядра. Явление радиоактивности. Виды радиоактивного распада

Масса ядра определяется массой входящих в его состав нейтронов и протонов. Поскольку любое ядро состоит из Z протонов и N = A – Z нейтронов, где A – массовое число (число нуклонов в ядре), то на первый взгляд масса ядра должна просто равняться сумме масс протонов и нейтронов. Однако, как показывают результаты измерений, реальная масса ядра всегда меньше такой суммы. Их разность получила название дефекта массы Δm.

Энергия – одна из важнейших характеристик протекания любых физических процессов. В ядерной физике её роль особенно велика, поскольку незыблемость закона сохранения энергии позволяет делать достаточно точные расчёты даже в тех случаях, когда многие детали явлений остаются неизвестными.

Разорвать ядро на отдельные нуклоны можно, лишь введя в него извне каким-либо способом энергию не меньше той, что выделилась в процессе его образования. Это и есть энергия связи ядра Есв. С энергией связи непосредственно связано происхождение дефекта массы. В соответствии с формулой Эйнштейна: Е_СВ = Δmc², Дж, уменьшение энергии системы при образовании ядра на какую-то величину должно неизбежно приводить к уменьшению общей массы.

В общем виде формулу для определения дефекта массы Δm можно представить так: Δm = Z ∙ m_P + (A – Z)m_n – m_Я,

где A – массовое число, Z – число протонов, (A – Z) – число нейтронов, m_Я – масса ядра, m_Р и m_n – массы протона и нейтрона.

У каждого нуклона есть ограниченный запас возможностей взаимодействия, и если этот запас уже израсходован на связь с двумя-тремя соседними нуклонами, то остальные связи оказываются ослабленными даже на очень близких расстояниях.

Наиболее прочными являются ядра со средними массовыми числами. В лёгких ядрах все или почти все нуклоны лежат вблизи на поверхности ядра, и поэтому не в полной мере используют свои возможности взаимодействия, что несколько уменьшает удельную энергию связи. С ростом массового числа увеличивается доля нуклонов, лежащих в глубине ядра, которые свои возможности могут использовать полностью, поэтому значение удельной энергии связи постоянно увеличивается. При дальнейшем увеличении массового числа начинает всё сильнее сказываться взаимное отталкивание протонов, которое стремится разорвать ядро и поэтому уменьшает удельную энергию связи. Это приводит к тому, что все тяжёлые ядра оказываются нестабильными.

Радиоактивность – способность некоторых ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием микрочастиц.

К радиоактивным превращениям относятся: альфа-распад, все виды бета-распада, спонтанное деление ядер и др. Существует естественная и искусственная радиоактивность. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется закону радиоактивного распада:

где N₀  - количество ядер в начальный момент отсчёта (t = 0),

N    - число еще не распавшихся ядер в момент времени t,

λ    - постоянная радиоактивного распада.

Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называют периодом полураспада T: T = ℓn2/λ = 0,693/λ

9.4. Ядерные и термоядерные реакции

Реакция деления ядер была открыта в 1938 – 1939 годах (Ферми, Ган, Штрассман, Жолио-Кюри). Было доказано, что ядро урана при столкновении с нейтроном делится на два осколка.

Особенности этой реакции: а) деление тяжёлого ядра сопровождается освобождением большой энергии (около 200МэВ) на каждое разделившееся ядро; б) при расщеплении ядер выделяются вторичные нейтроны (от одного до трёх на каждый акт деления). Наличие вторичных нейтронов при условии, что вещество имеет массу больше критической, может привести к цепной реакции деления.

Термоядерные реакции – это реакции синтеза ядер, происходящие при высоких температурах. Они играют огромную роль в жизни Вселенной, являясь основным источником энергии звёзд. Большой интерес представляет и возможность реализации управляемых термоядерных реакций, поскольку из всех известных науке превращений веществ, происходящих с выделением энергии, эти реакции дают максимум энергии, отнесённой к единице массы. В качестве «горючего» для таких реакций может быть использован целый ряд веществ (дейтерий, тритий и др.)

В принципе уже сегодня энергию термоядерного синтеза можно получить на Земле. Нагреть вещество до звёздных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба, где взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву. Но это неуправляемый процесс.

Для осуществления управляемого ядерного синтеза требуется несколько условий. Во-первых, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Во-вторых, необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем её затрачивается на нагрев вещества.

Для осуществления термоядерной реакции наиболее выгодна температура около 100 млн. градусов. Что касается времени удержания энергии, т. е. качества изоляции, то в данном случае условие следующее: плазма с плотностью 10¹⁴ ионов в 1 см³ должна заметно остывать не быстрее, чем за 1 секунду.

Удержание плазмы от попадания на теплоизолирующие стенки осуществляется при помощи магнитных полей, направляющих поток частиц по спирали, замкнутой в кольцо. Так как плазма состоит из ионов и электронов, магнитное поле имеет на неё прямое влияние.

Для нагрева можно использовать ток, протекающий по плазменному «шнуру». Есть и другие способы нагрева – высокочастотными электромагнитными волнами, пучками быстрых частиц, световыми пучками, генерируемыми лазерами.

Чем больше мощность нагревающего устройства, тем быстрее можно разогреть плазму до требуемой температуры. Последние разработки позволяют это делать за столь короткое время, что вещество успевает вступить в реакцию синтеза раньше, чем разлететься из-за теплового движения. В таких условиях дополнительная термоизоляция оказывается ненужной. Единственное, что удерживает частицы от разлета, это их собственная инерция. Данное направление – инерционный термоядерный синтез – усиленно развивается в последнее время.

9.5. Воздействие излучения на человека. Радиационно-биологические процессы

В природе все радиоактивные процессы сопровождаются α-, β- и гамма – излучением. Гамма - фотоны и рентгеновские фотоны взаимодействуют с веществом, в результате чего в облучаемой среде возникает большое число быстро движущихся электронов. Значительная часть их обладает энергией, достаточной для ионизации атомов вещества. Энергия, поглощения при этом средой, определяет радиационный эффект. Как известно, ионизация – это процесс разделения электрически нейтрального атома на электрон и положительный ион.

Облучение, означает, по сути, взаимодействие излучения со средой. С точки зрения радиационного эффекта наиболее важной частью излучения является «ионизирующее излучение» - излучение, энергия которого достаточна для ионизации облучаемой среды.

Для количественной характеристики радиационного эффекта введем следующие понятия и термины.

Экспозиционная доза излучения – количественная характеристика ионизирующего излучения, основанная на величине ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении. Единицей измерения экспозиционной дозы является рентген (Р). 1Р=2,58×10^-2 Кл/кг.

Поскольку известна энергия, необходимая для ионизации воздуха экспозиционную дозу можно выразить через поглощенную              1Р=0,88×10^-3 Дж/кг.

Поглощенная доза – количество энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. Единицей дозы является рад. 1 рад = 10^-2 Дж/кг. В СИ новой единицей поглощенной дозы является грей (Гр). 1 Гр = 100 рад.

Для мягких тканей в поле рентгеновского и гамма – излучения поглощенная доза в 1 рад примерно соответствует экспозиционной дозе в 1 Р (точно 1Р=0,88 рад=0,88×10^-3 Гр).

Между поглощенной дозой и радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект. Доза, которая вызывает гибель 50% людей через 30 суток после облучения равна 3 Гр (примерно 300 Р).

При лечении рака гамма – излучение направляется на опухоль, в которую предварительно вводятся специальные вещества – сенсибилизаторы, усиливающие радиационный эффект.

10. Развитие химических концепций

10.1. Эволюция химических знаний

Первое научное определение химического элемента сделал Бойль, положивший начало химическому анализу, основанному на экспериментальном методе.

Когда Ломоносов сформулировал закон сохранения энергии, завершился период превращения химии в науку.

В начале XIX века Дальтон заложил основы химической атомистики. Авогадро ввел понятие «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества.

Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения вещества. Менделеев открыл периодический закон химических элементов.

С конца XX века важнейшим направлением химии стало изучение закономерностей химических процессов. Управление химическими процессами – одна из главных проблем современной химии. На стыке химии и других отраслей естествознания возникли, например, биохимия, агрохимия, геохимия.

В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на молекулярном уровне.

10.2. Основные понятия химии

Одним из важнейших разделов современного естествознания является химия – наука о веществах, их составе, строении, свойствах и взаимных превращениях.

Превращение одних веществ в другие принято называть химическими реакциями, например, горение водорода в атмосфере кислорода, в результате которого получается вода.

Химическим элементом называют совокупность атомов, характеризуемым одним и тем же зарядом ядра, и, следовательно, одинаковым числом электронов в атомной оболочке. Атомы одного и того же элемента, имеющие разную массу (массовое число) являются изотопами, у них одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного элемента, называются простыми (например, кислород O₂), если молекулы состоят из атомов разных элементов, связанных между собой постоянными соотношениями, то они являются сложными веществами или химическими соединениями (например, вода H₂O). Вещества, состоящие из нескольких соединений, не связанных между собой постоянными соотношениями называют смесью или раствором. Пример: морская вода – смесь воды и растворенных в ней солей.

10.3. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева и её современный вид

Менделеев в 1869 году открыл периодический закон химических элементов – «опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве».

После великих открытий в физике в начале XX века стало понятно, что в периодической системе:

-                    элементы располагаются в порядке возрастания заряда ядра;

-                    в каждой группе (по вертикали) располагаются элементы с одинаковым числом электронов, расположенных на внешней оболочке – валентных электронов;

-                    в каждом периоде (по горизонтали) располагаются элементы с одинаковым числом электронных оболочек.

До 30-х годов нашего столетия эта система состояла из 88 элементов. С учетом свободных клеток с номерами 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат) и 87 (франций), в ней было всего 92 места. Элемент с атомным номером 92 – это уран.

В 1940 г. был получен первый трансурановый элемент – нептуний, а за три года до этого открыт первый искусственный элемент – технеций. Затем в лабораторных условиях были зарегистрированы ещё 15 трансурановых элементов с атомными номерами до 107.

Международный союз чистой и прикладной химии в 1997 г. узаконил названия резерфордий, дубний, сибортий, борий, хассий и мейтнерий. В феврале 1999 г. появилось сообщение о том, что ученые из Объединенного института ядерных исследований в Дубне открыли выходящий за пределы периодической таблицы Менделеева новый химический элемент с периодом полураспада намного большим, чем у открытых в последнее время сверхтяжелых элементов.

Современная теория позволяет с вполне определенной вероятностью рассчитать стабильность сверхтяжелых элементов, а также предсказать наиболее вероятные их физические и химические свойства. Из подобных расчетов следует, что элементы с атомными номерами 114 и 164 должны обладать неожиданно высокой стабильностью.

10.4. Виды химической связи

Лишь немногие химические элементы (благородные газы) в обычных условиях находятся в состоянии одноатомного газа. Атомы остальных элементов входят в состав молекул или кристаллических решеток, образуемых совокупностью атомов.

Следовательно, существует причина, по которой атомы «связываются друг с другом». Эта причина получила название: «химическая связь». Она обусловлена тем, что между атомами существуют электростатические силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются валентные электроны и ядра атомов.

В зависимости от характера распределения электронной плотности в молекуле различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Универсальный тип химической связи – ковалентная (гомеополярная) связь, которая возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов. Эта связь является причиной сосуществования молекул простых газов (Н₂, Сℓ₂ и пр.), различных соединений (Н₂О, NH₃ и др.), многочисленных органических молекул (СН₄, Н₃С – СН₃ и т. п.), а также атомных кристаллов (фосфор, сера, графит и др.). Если химическая связь осуществляется между двумя одинаковыми атомами, она называется неполярной (например, N₂, О₂, атомы полупроводников Ge, Si и др.), в противном случае – полярной (к примеру, НСℓ).

   В предельном случае полярности, когда электронные облака взаимодействующих атомов настолько разделены, что можно говорить об образовании катионов и анионов, имеет место ионная связь, которая осуществляется за счет кулоновского притяжения разноименно заряженных ионов (например, NaСℓ, CaF₂, нитриты, сульфиты, фосфаты и другие соли металлов).

По традиции к химическим связям относят также металлическую и водородную связи, хотя они отражают специфику химических объектов и агрегатных состояний, а не действующих сил.

10.5. Реакционная способность веществ. Химические реакции

Реакционная способность вещества – это его химическая активность. Примером является восстановительная способность, когда вещество отдает электроны, и окислительная способность, когда вещество присоединяет электроны. Восстановительной способностью обладают металлы, окислительной – неметаллы.

Различают химические реакции замещения, разложения, соединения, обмена.

Примеры химических реакций:

а) реакция замещения:                 б) реакция разложения: при нагревании

2HgNO₃+Fe=Fe(NO₃)₂+2Hg                      CaCO₃ ₌^t CaO + CO₂

сложное     простое                                    г) реакция обмена:
в) реакция соединения:                             HСℓ + KOH = KСℓ + H₂O

S + O₂ = SO₂                                                сложное    простое

Скорость химических реакций. Современный катализ

Скорость химических реакций определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий, в которых реакция протекает. Важнейшим из них является концентрация, температура и присутствие катализатора. Катализатор – это вещество, изменяющее скорость химической реакции, но которое не входит в состав конечных продуктов. Катализ – ускорение химической реакции в присутствии катализаторов.

Каталитические процессы можно классифицировать с учетом их физической и химической природы. В гетерогенном катализе химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов. Гомогенный катализ происходит либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты. В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. При этом, в отличие от гетерогенного катализа здесь есть возможность управлять процессом при изменение силы электрического тока. В фотокатализе химическая реакция может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе и стимулирует её энергия поглощенного излучения. Ферментативному катализу присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты – большие белковые структуры способные удерживать молекулы реагента в ожидании реакции. Кроме того, фермент собирает подходящее химическое окружение, катализирующее нужную реакцию.

Обратимые и необратимые химические реакции

Реакция называется необратимой, если в результате образуются газ, осадок или слабодиссицирующие вещество, например, вода. Например, реакция: HСℓ + NaOH = NaСℓ + H₂O.

Химическая реакция не всегда «доходит до конца», другими словами, исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит потому, что по мере накопления продуктов реакции могут создаваться условия для протекания реакции в противоположенном направлении.

Химические реакции, которые могут идти и в противоположенных направлениях, называются обратимыми. Например, реакция получения аммиака:            N₂(t) + 3H₂(t) 2NH₃

Состояние, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называется химическим равновесием.

Принцип Ле Шателье

Состояния химического равновесия при неизменных внешних условиях могут сохраняться бесконечно долго. В реальной действительности при изменении температуры, давления или концентрации реагентов «равновесие» может сместиться в ту или иную сторону.

Согласно принципу Ле Шателье внешнее воздействие на систему, находящуюся в равновесии, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется. Таким образом, внешнее воздействие на систему изменяет соотношение между скоростями прямого и обратного процесса, благопрепятствуя тому из них, который противодействует внешнему влиянию. Например, в реакции получения аммиака, чтобы увеличить выход продукта (аммиака) надо увеличить давление. При этом равновесие нарушается – увеличивается скорость прямой реакции.

Тепловой эффект реакции

Для каждого химического соединения теплота разложения равна теплоте его образования, но имеет противоположенный знак. Так при разложении 1 моля метана на углерод и водород поглощается 49 кДж теплоты:

CH₄ C + 2H₂ – 49 кДж;

А при соединении углерода и водорода выделяется 49 кДж теплоты:

C + 2H₂ CH₄ + 49 кДж.

10.6. Методы качественного и количественного анализа

Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их структуры и состава) в аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания – количественным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа основываются на последних достижениях различных областей естествознания и в первую очередь физики. Методы аналитической химии широко применяются во многих отраслях: в химии, медицине, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т. п.

Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объединяющих большое количество атомов с различными взаимными связями, широко применяются основанные на физических принципах экспериментальные методы ядерного, магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и др.

Метод ядерного магнитного резонанса основан на анализе резонансного поглощения электромагнитных волн. Данный метод – один из важнейших в различных областях естествознания и особенно в химии.

Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения.

В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ ионизируется и ионы ускоряются электрическим полем до заданной кинетической энергии. Масса частиц может быть определена двумя способами: измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния. Масс-спектроскопия широко применяется для анализа химических элементов, определения изотопного состава и строения молекул в таких областях, как производство интегральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная и фармацевтическая промышленность. Сочетание хроматографа с масс-спектрометром – лучший аналитический прибор для работы со сложными смесями, позволяющий решать разнообразные задачи химии, экологии, криминалистики и других наук.

Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности для исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящие внутри клетки.

Один из наиболее распространенных методов исследования молекулярных структур – рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении дифракции. Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография; для неё необходимы потоки нейтронов, которые формируются с применением радиоактивных изотопов, что несколько ограничивает применение данного метода. Отличительная особенность нейтронографии – высокая точность определения относительного расстояния между атомами. Она успешно применяется при определении структур сверхполупроводников, рибосом и других сложных молекулярных образований.

10.7. Синтез вещества

Синтез – получение сложных веществ из более простых, основанное на знании молекулярного строения и реакционной способности последних. Особенно большое значение имеет в органической химии. На основе органического синтеза возникли и развились крупнейшие отрасли промышленности: красителей, пластмасс, синтетических каучуков и др. Существует фото- и биосинтез.

Фотохимический синтез основан на действии излучения. После поглощения энергии молекула переходит в возбужденное энергетическое состояние. Химические свойства молекул существенно зависят от свойств поглощенного света. Активность химического синтеза в значительной степени зависит от длинны волны возбуждаемого излучения и температуры.

Биосинтез. Среди природных веществ есть регуляторы роста растений и животных, органические соединения, используемые насекомыми в качестве средств коммуникации, пестициды, антибиотики, витамины и многие целебные вещества. Природное соединение сначала необходимо обнаружить, затем выделить его химическим путем, определить его структуру и свойства и, наконец, произвести необходимый синтез.

Одно из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений – синтез алмазов, который осуществляется при давлении 50000 атм и температуре 2000⁰С. Промышленный синтез алмазов основан на превращении графита в реакторе высокого давления. Катализатором при этом служат различные вещества: металлический никель, сложные смеси железа, никеля и хрома, смеси карбида железа с графитом и т.п.

В настоящее время налажено производство не только искусственных алмазов, но и других драгоценных камней: корунда (красного рубина и синего сапфира), изумруда и др.

11. Мегамир: современные космологические концепции

Мегамир или космос современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем (возникающих вокруг звезд), звезд и звездных систем – галактик (см.п.11.2.). Все существующие галактики входятв систему самого высокого порядка – Метагалактику. Размеры Метагалактики грандиозны: радиус космологического горизонта составляет 15 – 20 млрд. световых лет (I световой год (св.г.) = 9,4605·10¹⁵ м). Понятие «Метагалактика» очень близко понятию «Вселенная».

Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Возраст Вселенной порядка           18 млрд. лет.

Метагалактика – тот же мир, но с точки зрения его структуры – как упорядоченная система галактик.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности (ОТО). Свойства Вселенной как целого обусловлены средней плотностью материи и другими физическими факторами. Её динамика определяется гравитационным взаимодействием тел.

11.1. Концепции эволюции Вселенной

Существуют три концепции эволюции Вселенной:

1. Гипотеза Большого взрыва.

2. Инфляционная модель Вселенной, отличие которой от первой концепции касается только первоначального этапа возникновения мира (порядка 10^-30с) и связано с расхождением мировоззренческих установок.

3. Концепция креационизма, т.е. творения. При этом эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир.

Остановимся более подробно на первой концепции.

В 1922 г. российский математик Фридман создал теорию эволюции наблюдаемой Вселенной, в соответствии с которой получен важный вывод: Вселенная является нестационарной системой. Причем возможны два основных варианта её эволюции: бесконечное расширение или пульсирующее расширение и сжатие. В настоящее время Вселенная расширяется, но будет ли она когда-то сжиматься пока неизвестно.

Ученик Фридмана Гамов разработал модель начальной стадии горячей Вселенной и назвал её «космологией Большого Взрыва». Согласно этой теории, в результате Взрыва высвободилось огромное количество энергии и раскаленного до миллиардов градусов первовещества.

В современной космологии начальную стадию эволюции Вселенной делят на эры (эпохи): эра адронов, эра лептонов, ядерная эра, фотонная эра и звездная эра.

Эра адронов. Продолжительность 10^-4 с, температура 10¹² К. Эра лептонов. Временный интервал 10^-4 с < t <1 c, температура ~ 10¹⁰ К. Ядерная эра. Временной интервал 1 с < t <100 c, температура изменяется от 10¹⁰ К до 10⁹ К. Фотонная эра. Продолжительность ~ 1 млн. лет. К концу эры температура падает до ~ 400 К.

Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной, когда начинается процесс образования протозвезд и протогалактик. (Протозвезды – звезды, в недрах которых ещё не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерной реакции. Протогалактика включает в себя протозвезды). Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

Галактики (galaktikos – млечный) – гигантские (до сотен млрд звезд) системы, состоящие из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно делят на четыре типа: эллиптические, спиральные, линзообразные и неправильные. Некоторые галактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

Наша Галактика, которую можно наблюдать в виде Млечного Пути, имея примерный возраст 10 млрд. лет, насчитывает в своем составе по усредненным оценкам около 200 млрд. звезд. В свою очередь наша спиральная Галактика входит в так называемую Местную Группу галактик, находящуюся на периферии еще более крупного галактического образования – Сверхскопления галактик, образованного примерно из 10 000 галактических объектов и имеющего диаметр около 40 Мпк (I парсек (пк)=3,60857·10¹⁶м).

11.2. Концепции эволюции звездных объектов

На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч – самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включая проблему непрерывного образования звезд из конденсирующейся диффузной (рассеянной) материи.

Большая заслуга в разработке концепции звездной эволюции принадлежит российскому астроному Шкловскому.

Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, благодаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течение времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как правило, начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам – плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

Собственно моментом рождения звезды можно считать достижение системой критической температуры около 10 млн. градусов, при которой и начинается ядерная реакция синтеза.

Имеет место несколько циклов термоядерного синтеза. Длительность первого из них, связанного со сгоранием водорода и превращением его в гелий, занимает примерно 80% всего времени жизни любой звезды. При достижении температуры около 150 млн. градусов начинается второй цикл, при котором столкновения высокоэнергичных ядер гелия приводят к образованию углерода. При этом размеры звезды увеличиваются под действием энергии излучения в десятки раз. Температура внешних слоев «раздувшейся» звезды снижается, придавая ей красноватый цвет, и она переходит в разряд красных гигантов. Дальнейшие циклы термоядерного синтеза проходят во все ускоряющемся темпе и при стремительно возрастающих температурах ядра звезды. Наконец, при достижении температуры 3 млрд. градусов и синтезе железа энерговыделение резко снижается, а возросшая плотность центральной части оказывается настолько большой, что энергии излучения уже недостаточно, чтобы противостоять гравитационным силам сжатия. Ядро звезды стремительно уменьшается в размерах.

Последующая судьба звездных объектов во многом определяется значениями масс и размеров каждого из них, а также взаимным соотношением указанных параметров.

В соответствии с результатами ОТО, возможны следующие основные варианты звездной эволюции.

Если масса звезды меньше 1,4 М_Солнца, то процесс сжатия ядра протекает сравнительно спокойно и звезда превращается в белый карлик (см.стр.43), который может устойчиво излучать энергию в течение миллиардов лет. Однако его температура постепенно снижается, и он переходит в черный карлик.

Если же масса звезды больше 1,4 М_Солнца, то сжатие такого объекта происходит с обвальной скоростью и сопровождается в конце сжатия образованием громадной ударной волны обратного действия, результатом которой является сверхмощный взрыв сверхновой звезды. Рождения таких звезд были зарегистрированы в 1054, 1572, 1604, 2004 годах.

В том случае, когда полного разрушения ядра при взрыве сверхновой звезды не произошло, возможно, образование одного из двух весьма экзотических звездных объектов: пульсара (см. стр.43) или черной дыры. В настоящее время обнаружено более 300 пульсаров, которые, согласно существующей концепции, представляют собой быстровращающиеся остатки ядер сверхновых звезд или так называемые нейтронные звезды (см.стр.43).

Черные дыры

Черная дыра – космический объект, возникающий в результате сжатия тела гравитационными силами до размеров меньших его гравитационного радиуса , где М – масса тела, G – гравитационная постоянная, с – скорость света.

Предсказание о существовании черных дыр сделано на основе общей теории относительности (ОТО). Согласно ОТО вещество тела, достигшего r_Г, должно неудержимо сжиматься к центру (испытывать релятивистский гравитационный коллапс). Один из возможных путей образования черной дыры указывает теория эволюции звезд. Черной дырой может стать звезда, в недрах которой угасли термоядерные источники энергии. В таких звездах (с массой М > М_{критич.} = (1,5 3)·М_Солнца) силы внутреннего давления уже не могут противостоять силам гравитации. Звезда начинает сжиматься. Если её радиус достигнет r_Г, то никакие сигналы (свет, частицы), испускаемые ею, не могут выйти наружу и достигнуть внешнего наблюдателя. Сохраняющиеся у черной дыры внешние проявления связаны с существованием у неё гравитационного и электрического полей (для заряженной сколлапсированной звезды).

Кроме черных дыр, возникающих в процессе эволюции звезд, теория рассматривает черные дыры, образовавшиеся на ранних (горячих и сверхплотных) стадиях развития Вселенной. Это первичные черные дыры.

Поиски черных дыр – важнейшая проблема современной астрономии. Наиболее вероятное их обнаружение в двойных звездных системах: «черная дыра – красный гигант». При этом вещество звезды – гиганта перетекает к черной дыре (аккреция), что приводит к разогреву вещества (до десятков миллионов градусов) и появлению рентгеновского теплового излучения, которое может быть зарегистрировано на Земле.

Предполагается также, что в активных ядрах галактик и в квазарах (см. стр.44) могут находится сверхмассивные черные дыры (М ~ (10⁶ 10⁸)·М_Солнца). Наблюдаемая активность этих объектов возможно обусловлена аккрецией на черную дыру окружающего газа.

Белые карлики

Белые карлики – компактные звезды с массами порядка массы Солнца и радиусами R0,01R_Солнца. Равновесие их поддерживается при средней плотности вещества ~ 10² – 10⁴ кг/м³ давлением электронного вырожденного газа. Для физики белые карлики интересны, прежде всего, как объекты применения теории сверхплотной плазмы.

Белыми карликами становятся звезды в конце своей эволюции (после исчерпания запасов термоядерного горючего) после сброса внешних слоев. Обнажившееся ядро имеет очень высокую температуру поверхности (5·10³ 7·10⁴)К. Постепенно остывая, оно переходит в белый карлик, основной источник светимости которого – запасенная в звезде энергия теплового движения ионов.

Белые карлики существуют благодаря устойчивому равновесию сил гравитации и внутреннего давления вырожденного электронного газа.

Нейтронные звезды

Нейтронные звезды – гидростатически равновесные звезды, состоящие из нейтронов с малой примесью электронов, сверхтяжелых атомных ядер и протонов, с плотностью вещества порядка плотности атомных ядер. Их возникновение связано с нейтронизацией вещества в условиях высокой плотности ~ 10¹¹ кг/м³. Гидростатическое равновесие в нейтронных звездах обеспечивается давлением вырожденного нейтронного газа или упругостью нейтронного кристалла и жидкости. Они были открыты в 1967 году в виде пульсаров. Нейтронные звезды могут проявлять себя еще как открытые в 1975 году барстеры – импульсные источники гамма- и рентгеновского излучений.

Согласно теории эволюции звезд, нейтронные звезды рождаются в результате гравитационного коллапса звезд массой М1,2М_Солнца, в результате которого возникает горячая нейтронная звезда с температурой в центре ~ 10¹¹К, которая за время (10 100)с охлаждается до 10⁹К за счет излучения нейтрино.

Пульсары

Пульсар – космический источник импульсного электромагнитного излучения. Периоды повторения импульсов лежат в пределах от нескольких сотых долей секунды до секунд. Большинство пульсаров излучает в радиодиапазоне от метровых до сантиметровых волн, однако существуют также оптические, рентгеновские и гамма-пульсары.

Согласно современным представлениям, радио-пульсары – это нейтронные звезды, которые при массе примерно равной массе Солнца имеют диаметры около 20 км. Энергия их излучения черпается из энергии вращения звезды. Источник излучения рентгеновских и гамма-пульсаров – гравитационная энергия, выделяющаяся при аккреции на нейтронную звезду или черную дыру вещества, перетекающего от соседней нормальной звезды.

Большинство пульсаров находятся от Земли на расстояниях 200 7000 световых лет, что относит их к внутригалактическим источникам излучения.

Квазары

Квазары – квазизвездные мощные внегалактические источники электромагнитного излучения, представляющие собой активные ядра далеких галактик. Открыты в 1960 году. Квазары находятся от Земли на расстоянии свыше 200 Мпк, а некоторые из них удалены более чем на 5000 Мпк. Они излучают в радио-, оптическом и рентгеновском диапазонах. Мощность излучения типичного квазара достигает 10⁴⁰Вт, т.е. 10³ – 10⁴ раз превышает мощность излучения всех звезд крупной галактики и почти в 10²⁰ раз больше мощности излучения Солнца. Размеры квазаров меньше м, т.е. сравнимы с расстоянием от Земли до Солнца. Исследование пространственного распределения квазаров и различий в их свойствах может пролить свет на ранние стадии эволюции Вселенной.

11.3. Концепции эволюции Солнечной системы

Солнце – это рядовая желтая звезда среднего возраста (примерно 5 млрд. лет), прошедшая около половины срока активного существования. Оно расположено в переферийной части Млечного Пути, на расстоянии ~ 2/3 от «густонаселенного» галактического центра. В состав Солнечной системы входят 9 планет и огромное количество астероидов, комет, метеорных тел, космической пыли, межпланетного газа.

Среди планет Солнечной системы выделяют две основные группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) со средней плотностью вещества ~ 5·10³кг/м³ и планеты – гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), у которых средняя плотность ~ 1,4·10^-3 кг/м³. Последняя из планет – Плутон стоит особняком: он имеет очень вытянутую эллиптическую орбиту и аномально большой наклон плоскости этой орбиты относительно других планет. Создается впечатление, что Плутон является совершенно чужеродным объектом, захваченным когда-то в просторах космоса гравитационным полем Солнца.

Само Солнце представляет собой центр массы Солнечной системы, имея в своем составе 99,85% всего входящего в нее вещества. Принимая среднюю удаленность нашей планеты от центра Солнца, равную 1,496·10¹¹ м, за астрономическую единицу длины (а.е.д.), Боде и Тициус установили следующую закономерность в расположении наших планет:

R_n= 0,3·2⁽ⁿ^-2) + 0,4, где R_n – средний радиус орбит, n – номер планеты, считая от Солнца.

Важным свидетельством единства процесса образования большинства планет Солнечной системы является их однонаправленное движение практически в одной плоскости по почти круговым орбитам вокруг Солнца, медленно вращающегося в том же направлении.

Общепризнано, что планеты Солнечной системы образовались из плоского газово-пылевого облака, окружавшего центральную звезду. По ориентировочным оценкам, аккумуляция вещества при образовании Земли длилась около 60 млн. лет, образование планет внешней группы происходило, по-видимому, значительно дольше.

По современным представлениям малые тела нашей системы, к числу которых относятся астероиды и кометы, являются неприсоединившимися к планетам древнейшими остатками промежуточной аккумуляции первовещества. Причем астероиды – это каменистые образования внутренней зоны Солнечной системы, а кометы - ледяные тела внешней зоны. Существование пояса астероидов объясняется достаточно широким промежутком, разделяющим планеты земной группы и планеты-гиганты.

12. Планета Земля и современные представления о литосфере

-12.1. Внутреннее
строение и история геологического развития Земли

Земля представляет собой близкое к шарообразной форме тело диаметром около 12700км и массой кг. Возраст Земли 4,6-4,7 млрд. лет. Рассматривая Землю, как бы в разрезе, можно убедиться в существенной неоднородности ее внутренней структуры. Несмотря на то, что наиболее глубокие из пробуренных скважин не превышают 8 км, полученные данные позволяют утверждать, что по своему строению наша планета делится на следующие основные концентрические зоны:

-        земная кора средней толщиной 50 км;

-        мантия, простирающаяся до глубины 2900 км;

-        центральное ядро диаметром около 7000 км, перешедшее под действием высокого давления в металлическое состояние.

Верхний слой планеты или литосфера, образующий земную кору, составляет 1% от массы Земли. По химическому составу наибольшая доля приходится на кислород (47,2%), кремний (27,6%), алюминий (8,8%), и железо (5,3%). Под материками и океанами литосфера неодинакова. Материковая зона состоит из трех слоев: верхнего - осадочного (до 10 км), среднего - гранитного (до 15 км) и нижнего - базальтового (до 20 км). Осадочный слой содержит основные запасы угля, нефти, газа и других полезных ископаемых. Толщина океанографического слоя 5-15 км. Он состоит из рыхлых осадков, лежащих на тонком базальтовом основании.

Ниже базальтового слоя начинается мантия Земли, состоящая из верхней мантии толщиной 800 км, а также промежуточного слоя - астеносферы, обладающей повышенной текучестью и температурой 2900. В литосферу кроме земной коры входит и часть верхней мантии до глубины 170 - 200 км. При образовании трещин в земной 'коре жидкая магма астеносферы изливается под давлением на поверхность Земли, вызывая мощные извержения вулканов.

Центральное ядро Земли составляет по массе 34%, т.е. почти 1/3 от массы всей планеты и состоит из внутреннего ядра, образованного железом, и внешнего ядра, представляющего собой силикаты, перешедшие под действием высокого давления в металлическое состояние.

Из современных взглядов на происхождение Земли наиболее распространена теория Шмидта об образовании Земли из холодного газопылевого облака. Взрыв новой звезды около этого места привел облако во вращательное движение вокруг центра. В центре было больше вещества и образовалось Солнце. Частицы этого облака, вращаясь вокруг Солнца под действием сил гравитации, сталкивались, сменялись, образуя сгустки, нараставшие как снежный ком, образуя планеты и их спутники. В недрах Земли происходили при высокой температуре реакции, побочными продуктами которых   были газы и пары воды. Они выходили наружу через трещины в земной коре, которая в то время была тонкой. Когда температура понизилась пары воды сконденсировались и образовался первичный океан.

Большинство ученых считает, что сначала на нашей планете образовалась кора океанического типа. Под влиянием процессов, происходящих внутри Земли, на ее поверхности образовались складки, т.е. горные участки. Толщина коры увеличивалась, образовались выступы материков. Относительно дальнейшего развития материков и впадин океанов существует ряд гипотез. В последние годы создана теория строения коры, основанная на представлениях о литосферных плитах.

12.2. Теория литосферных плит

Согласно теории литосферных плит, земная кора вместе с частью верхней мантии не является монолитным панцирем планеты, а состоит из семи громадных плит толщиной от 6 до 100 км и десятков плит поменьше, между ними находятся разломы. Эти плиты очень медленно перемещаются со скоростью 1-6 см в год, как бы плавая на пластичной астеносфере. Согласно теории мобилизма, верхняя мантия находится в движении. В местах ее подъема она проплавляет земную кору, образуя разломы, через которые вытекают потоки магмы (силикатные расплавы и газы), в результате образуются срединные океанографические хребты на дне океана. В местах опускания - происходит столкновение литосферных плит:

-        при столкновении двух одинаковых плит образуются складчатые горы, происходят землетрясения. Плиты земной коры сталкиваются и своими краями, цепляются друг за друга, пока одна из них не высвободится, происходит толчок, от которого земля содрогается или встряхивается. Это и есть землетрясение. В результате землетрясения произошедшего на дне индийского океана в конце 2004 г. образовались гигантские цунами, которые вызвали гибель большого числа людей и сильные разрушения.

-        при столкновении двух разных (континентальной и океанографической) плит, образуются складчатые горы и глубоководные желоба.
12.3. Географическая оболочка Земли

Географическая оболочка включает в себя верхние части литосферы, воды Мирового океана, в том числе озер, рек, ледников (гидросферу) и взаимодействующие с окружающей средой формы жизни (биосферу). Все элементы географической оболочки Земли активно взаимодействуют друг с другом. В настоящее время 2/3 земной поверхности занято Мировым океаном. Из всего количества воды на Земле, только 1% пресной. Все процессы в географической оболочке Земли происходят под действием солнечной энергии и в меньшей степени внутренних земных источников.

Луна также оказывает влияние на географическую оболочку Земли. В основном благодаря гравитационному притяжению воды к Луне происходят приливы и отливы. Луна воздействует и на астеносферу, вызывая приливы в ней на высоту до 0,5 м. Воздействие Луны на астеносферу было значительным в период образования Земли. Тогда Луна была ближе к Земле, и возникали сильные землетрясения и извержения вулканов.

12.4. Условия, способствующие возникновению жизни на Земле.

Наличие планетарной системы является необходимым условием жизни на Земле, также как и достаточное время устойчивого излучения Солнца. На поверхности звезды из-за высоких температур жизнь невозможна.

Масса Земли достаточна для удержания вокруг себя с помощью гравитационных сил атмосферы состоящей из азота, кислорода, водорода, углерода и других газов и примесей. По газовому составу древняя атмосфера нашей Земли была совсем иной, чем в настоящее время, и мало отличалась от атмосферы Венеры или Марса, она содержала в основном углекислый газ и водород.

После появления около 3 млрд. лет назад первых водорослей и других растений углеводородная атмосфера земли была переработана путем фотосинтеза в современный тип атмосферы, содержащий 78% азота и 21% кислорода. Атмосфера Земли состоит из четырех слоев: тропосферы (0 – 20км), стратосферы (20 – 50 км), мезосферы (50 – 85 км) и термосферы (свыше 85 км). В тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается до – 70 ⁰С, в стратосфере она сначала не меняется, а затем растет до 0 ⁰С, в мезосфере температура снова уменьшается до – 100 ⁰С, и, наконец, в термосфере начинается её рост, достигая на высоте 400 км уже 1000 ⁰С. Но так как, на больших высотах атмосфера становится крайне разреженной, поэтому никакой «жары» там нет. Более того, космонавты, выходящие на таких высотах в открытый космос, находятся в условиях «космического холода».

Удаленность Земли от Солнца является оптимальной, чтобы с одной стороны избежать перегрева атмосферы в результате парникового эффекта (как на Венере), и с другой стороны не заморозить планету до твердого кристаллического состояния.

Вода на земле является альтернативной формой существования кислорода в связанном виде по сравнению с углекислом газом, распространенном в атмосфере Венеры и Марса. Кроме того, вода является универсальным растворителем многих химических элементов. Она обладает замечательным свойством расширяться при замерзании, в результате в любом водоеме на поверхности Земли лед образуется, начиная с поверхности, а не со дна, что благоприятно сказалось и сказывается на жизни водоплавающих.

Все это привело к тому, что планета Земля представляет собой редчайший случай природной сбалансированности огромного количества природных факторов, приведших в результате длительной эволюции к появлению жизни и разума в нашей части Галактики.

13. Биосфера. Биологические концепции

13.1. Развитие биологических концепций

Биология – совокупность наук о живой природе, об огромном многообразии вымерших и населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

На начальном этапе развития биология носила описательный характер и была названа традиционной биологией. Объект ее изучения – живая природа в ее естественном состоянии и целостности. Значительный вклад в традиционную биологию внесли шведский естествоиспытатель Линней, французский ботаник Адамсон, которые предложили принципы классификации растительного и животного мира, а также другие ученые.

Традиционная биология продолжает развиваться и в настоящее время. Для живой природы постоянное развитие – наиболее важное и характерное свойство. В связи с этим концепция ее развития представляет фундамент, на котором построена эволюционная биология.

Эволюционная биология как наука о развитии живой природы начиналась с материалистической теории эволюции, основанной на воззрениях английского естествоиспытателя Чарльза Дарвина. В процессе развития эволюционного учения возникли разные направления, которые базируются на последних достижениях смежных отраслей биологии и естествознания, в том числе и нейтралистская теория эволюции.

13.2. Концепции происхождения жизни

В настоящее время распространены следующие концепции происхождения жизни:

1.                Жизнь создана высшими божественными силами.

2.                Жизнь занесена на поверхность Земли из космоса.

3.                Жизнь существовала всегда.

4.                Жизнь на Земле возникла из неживых элементов путем длительной эволюции.

Последнюю концепцию предложил академик Опарин, и на ее основе была разработана теория эволюционного происхождения жизни. Эта теория была подтверждена экспериментами американских ученых Миллера и Юри, они получили аминокислоты из набора химических элементов, которые были распространены в первичной атмосфере Земли. На космической станции «Мир» были проведены опыты, в результате которых под действием жесткого космического излучения проходило преобразование неорганических молекул в органические.

13.3. Принципы развития, эволюции и воспроизводства живых систем

Отличительной особенностью биологических (живых) систем от физических (неживых) систем является их способность к развитию и самовоспроизведению.

Способность к развитию – всеобщее свойство живой материи. Эволюция – это процесс непрерывного направленного развития в живой и неживой природе и социуме.

В биологии эволюция определяется наследственностью, изменчивостью и естественным отбором организмов. Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она определяется стабильностью, т.е. постоянством строения молекул ДНК. Изменчивость -    способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которых лежат изменения биологических матриц. Эта способность обусловлена приспособлением особей к конкретным условиям существования в природных условиях. Под действием естественного отбора устраняются организмы, не приспособленные к условиям существования. Благодаря наследственности, изменчивости и естественному отбору организмы в процессе эволюции накапливают новые приспособительные функции, что в конечном результате ведет к образованию новых видов.

Основным принципом воспроизводимости живых организмов является дискретность, т.е. на любом уровне организации живых организмов материя представлена элементарными структурными единицами. Для клетки – это жизненно важные структуры – органоиды. Целостность клетки определяется воспроизведением новых органоидов вместо износившихся. Развитие и существование организмов обуславливается размножением клеток. Каждая особь данного вида смертна и ее существование поддерживается размножением организмов. Таким образом, дискретность жизни предполагает ее воспроизводство и размножение.

Соматические клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние клетки. При делении дочерней клетке передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Поэтому перед делением число хромосом в клетке удваивается и каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками называется митозом.

13.4. Биосфера и ее свойства

Биосфера
– активная оболочка Земли, в которой живые организма, в том числе и человек, и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. В биосферу входят нижние слои атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, органически связанные с живым веществом. По Вернадскому живым организмам отводится роль главной преобразующей силы.

Биосфера Земли образовалась в результате того, что около 3–3,5 млрд. лет назад вследствие благоприятных условий и закономерной эволюции материи на Земле возникла жизнь. Совокупность всех населяющих планету живых организмов, так называемое, живое вещество Земли, оказало значительное влияние на состав атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы.

Биосфера – это открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне. Она обладает способностью поддерживать свои параметры и функции в определенном диапазоне. Это свойство называется гомеостазом. Важное свойство биосферы – круговорот веществ между живыми организмами.

13.5. Биологические уровни организации материи

1.                 Молекулярный. Любая биосистема, как бы сложно она не была организована, проявляется на уровне функционирования биологических макромолекул – белков, нуклеиновых кислот, аминокислот и др.

2.                 Клеточный. Клетка является структурной и функциональной единицей всех живых организмов, обитающих на Земле. Основными частями клетки зукариот являются мембрана, цитоплазма и ядро. Мембрана – это специальная оболочка, проницаемая для строго определенных веществ и не пропускающая большинство соединений, создающихся в цитоплазме. Мембрана имеет тонкий наружный слой – гликокаликс, на котором располагаются рецепторы, обуславливающие взаимодействие клеток в тканях и в организме в целом. Благодаря этому обеспечивается защитная функция клетки. Эта функция нарушается при резких колебаниях параметров внешней среды и при стрессах.

Цитоплазма управляет процессами обмена веществ и метаболизмом, синтезом белков и т.д. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы – внутриклеточные элементы, окруженными своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии – мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них осуществляется функция энергообразования. В цитоплазме есть и небольшие тельца – рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты с помощью которых осуществляется синтез белка. Внутриклеточная среда достаточна вязкая, хотя 65 – 85% массы клетки составляет вода.

Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро, а в нем – хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и присоединенного к ней белка. Ядро выполняет две главные функции: хранение и воспроизводство генетической информации и регуляция процессов обмена веществ, протекающих в клетках.

3.                 Тканевой. Ткань представляет собой совокупность одинаковых по строению клеток, объединенных выполняемой общей функцией, например, мышечная ткань.

4.                 Органный. Орган – это функциональное объединение нескольких типов тканей. например, кожа человека как орган, выполняющий целый ряд функций, основная из которых защита внутренней среды человека от воздействия окружающей среды.

5.                 Организменный
. Многоклеточный организм – это целостная система органов и систем, специализированных на выполнение различных функций. Организм человека содержит 10¹⁵ самых разнообразных клеток.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы: прокариоты и зукариоты. К прокариотам относятся бактерии, а к зукариотам – все остальные организмы: простейшие, грибы, растения и животные. Зукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными.

6.                 Популяционно
-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенных общим местом обитания, создает популяцию.

7.                 Биогеоценотический. Биогеоценоз – совокупность организмов различных видов со всеми факторами среды их обитания.

8.                 Биосферный
. Биосфера – это совокупность всех биогеоценозов; система высшего порядка, охватывающая все явления жизни на Земле.

13.6. Генетика и эволюция

Генетика – это наука о наследственности, изменчивости организмов и методах управления ими. Обычно наследственность определяется, как способность родителей передавать свои признаки и особенности развития следующему поколению. Возможности их развития в значительной степени зависит от условий окружающей среды.

Информация о наследственности содержится в гене, который представляет собой участок цепи (ДНК), используемой для кодирования белка определенного вида. Ген отвечает за формирование, какого-либо признака, способен к воспроизведению и расположен в определенном участке хромосомы.

Совокупность всех генов одного организма – генотип. Изменчивость заключается в изменении наследственных зачатков – генов и в изменении их проявления в процессе развития организма.

Совокупность всех признаков организма – фенотип. В ходе процесса эволюции, длящегося миллионы лет, появилось поразительное многообразие форм живого.

Основу современной эволюционной теории составляет изучение популяционной генетики. Гены, действуя независимо друг от друга или совместно с факторами внешней среды, определяют фенотипические признаки организмов и обусловливают изменчивость в популяциях. В ходе естественного отбора фенотипы, которые смогли приспособиться к условиям данной среды, сохраняются, тогда как фенотипы, которые не могут приспособиться, подавляются и, в конце концов, исчезают. Изменение генетического состава популяции приводит к прогрессивному усилению строения форм всего живого, примером этого может служить возникновение современного человека.

Перспективными направлениями генетики, развиваемыми в последние годы, являются генная инженерия, клонирование, выявление наследственных заболеваний.

В результате генной инженерии создаются не только современные лекарственные препараты, но и, генетически модифицированные продукты питания, изготавливаемые из искусственно создаваемых биологических форм, в частности, сои. Для этого в исходные продукты добавляют или убирают определенные гены. Например, благодаря использованию гена рыбы, живущей в полярных широтах, получены холодоустойчивые помидоры, которые могут длительное время храниться в холодильнике.

Клонирование – это процесс создания клонов. В процессе размножения большинства высших организмов дочерняя особь получает половину генов от своего отца, а половину – от матери. Клоны же – это организмы, имеющие совершенно идентичные генотипы. Для создания клонов используются соматические клетки, в которых содержится полный набор хромосом, тогда как в половых клетках содержится только половина этого набора. В 1997 году была получена знаменитая овца Долли – генетическая копия своей матери. Для этого из клетки её вымени было взято ядро и пересажено в яйцеклетку другой овцы.

Недостаток или наличие лишней хромосомы является свидетельством определенных наследственных заболеваний. В 2004 году был открыт ген, несущий информацию о предрасположенности человека к раку. В настоящее время ученые близки к разгадке генетического кода человека.

Успехи в области генетики во многом определяют прогресс в трансплантологии, травматологии, в других областях медицины и биологии, а также в производстве продуктов питания.

14.Экология в современном мире

14.1. Основные направления экологии

Живые организмы не просто обитают в той или иной среде. Они находятся в постоянном взаимодействии с факторами неживой и живой природы и друг с другом. Наука о взаимоотношениях организмов со средой называется экологией.

Экологическая система (экосистема) или биогеоценоз - это взаимодействующие между собой живые организмы и среда их обитания.

Факторы внешней среды, действующие на организм, носят название экологических факторов. Их можно разделить на три группы:

1) абиотические, куда входят факторы неживой природы - свет, температура, влажность, геомагнитное поле Земли, гравитация, состав водной, воздушной, почвенной среды, природные ресурсы. Эти факторы необходимы для поддержания жизнедеятельности живых организмов, в том числе и человека.

2) биотические, связанные с влиянием других живых организмов

3) антропогенные, к которым относятся разнообразные проявления деятельности человека.

Целью экологии является эффективная защита биосферы от негативного влияния на неё деятельности человека.

Академик Вернадский ввёл понятие ноосферы, под которой понимал любые результаты разумной деятельности человека. Элементами биосферы можно считать оросительные каналы, электростанции, добычу полезных ископаемых, заводы, транспортные средства и т.д. Однако по мере их строительства и эксплуатации в окружающей среде происходят изменения, которые вызывают ухудшение экологической обстановки. Отсюда возникает необходимость создания таких технологий, которые в наименьшей степени влияют на окружающую среду. Этим занимается инженерная экология.

В результате преобразования человеком естественной среды обитания можно говорить уже о реальном существовании нового её существования – о техносфере. Понятие «техносфера» - выражает совокупность технических устройств и систем вместе с областью технической деятельности человека. Её структура включает в себя: техногенное вещество, технические системы, живое вещество, верхнюю часть земной коры, атмосферу, гидросферу, а с начала эры космических полетов – и околоземный космос.

В настоящее время сильно обострилась проблема гуманизации техносферы, так как последствия непродуманности, некомплексного и, как следствие, антигуманного воздействия на природу удручают. Технические ландшафты из отходов производства, уничтожение признаков жизни в целых регионах, загнанная в резервации природа – вот реальные плоды отрицательного влияния человека, вооруженного техникой, на окружающую природу.

Отбросов, загрязняющих окружающую среду, будет меньше, как только мы научимся использовать отходы одного производства в качестве сырья для другого. В этом заключается «безотходное производство».

Второе направление экологии - это оценка воздействия промышленности на окружающую среду. Не загрязняющих производств не может быть в принципе. Поэтому и родилась концепция ПДК - предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе, воде, почве.

Чтобы успешно внедрять технические решения, необходимо собрать объективную информацию о степени негативного влияния на окружающую среду.

Существует два вида источников, влияющих на окружающую среду: источники естественного происхождения (космическая, вулканическая пыль, пепел и др.) и искусственные, т.е. антропогенные источники, возникающие в результате хозяйственной деятельности человека.

Экологический мониторинг - информационная система, которая позволяет оценить влияние антропогенных источников загрязнения окружающей среды на фоне природных процессов. Применение экологического подхода позволяет обеспечить целостность экосистемы, защитить литосферу от негативного влияния на неё человека и своевременную ликвидацию такого воздействия, если всё же природе нанесён ущерб.
14.2. Вредные вещества и их реальная опасность

Чтобы эффективно защищать окружающую среду, надо знать, какие вредные вещества содержатся в воздухе, воде, почве, пище и какова их реальная опасность. Распространенное заблуждение: вещество, обладающее выраженной токсичностью при определённой концентрации - токсично всегда. Например, угарный газ (СО). Это обычный компонент атмосферы опасен для здоровья только при концентрациях превышающих ПДК. Нужно лишь определить ПДК вредных веществ. Это делается с помощью современных физических и химических методов.

14.3. Сохранение озонового слоя

Содержащийся в стратосфере озон (О₃), выполняет важную роль естественного фильтра, поглощающего губительное для всего живого ультрафиолетовое излучение Солнца. Стратосфера- слой атмосферы, расположенный над более плотной тропосферой на высоте от 10 до 50 км. Воздух в стратосфере перемешивается очень медленно по вертикали и относительно быстро - по горизонтали. Поэтому опасные вещества, попавшие в стратосферу, остаются в ней на долгие годы и распространяются вокруг Земли.

_{Озоносфера}_, в которой озон имеет максимальную концентрацию, находится на высоте 20-25км. При попадании в озоносферу моноксида азота (NO) начинается цепная реакция: одна молекула NО может разрушить много тысяч молекул озона, прежде чем попадёт в более плотные слои атмосферы. Основным источником NО являются отработанные газы различного рода машин и летательных аппаратов, ядерные взрывы, фреон в холодильных установках.

14.4. Кислотные осадки

Это оксиды серы и азота, возникающие в газах, выбрасываемых автомобильным транспортом, теплоэлектростанциями, плавильными печами и т.д. В некоторых местах выпадают осадки по кислотности, приближающиеся к столовому уксусу. Особенно большой вред наносится озёрам, вода которых не содержит щелочных соединений, способных нейтрализовать кислотные осадки.

14.5. Парниковый эффект

Парниковый эффект это нагревание поверхности Земли. Физический смысл такого эффекта прост. Углекислый газ (СО₂) и водяной пар пропускают идущее к Земле излучение Солнца, и оно нагревает поверхность Земли, но экранируют инфракрасное тепловое излучение Земли.

Этот эффект связан с всё большим расходованием ископаемого топлива и выбросом в атмосферу продуктов горения. При этом образуется громадное количество углекислого газа. Если сохранятся современные темпы промышленного производства, то к 30-м годам XXI века концентрация углекислоты в атмосфере удвоится. Это приведёт к значительным климатическим сдвигам, среднегодовая температура повысится на несколько градусов.

14.6. Захоронение радиоактивных отходов

В настоящее время принято считать, что оптимальным является захоронение радиоактивных отходов не в океане, а в могильниках под землёй. Доказано, что при таком способе продукты деления урана в течение длительного времени не подвергаются существенной миграции и поэтому такой способ надежен.

14.7.

Экологические функции литосферы

При экологическом подходе в первую очередь учитывается не экономическая целесообразность того или иного инженерного сооружения и его значимость для человека, а то, каким образом это сооружение «вписано» в природную обстановку, как оно влияет на геологическую среду экосистемы. Изучением этого сложного взаимодействия занимается экологическая геология, которая изучает верхние горизонты литосферы, как абиотическую основу жизни экосистем, обитающих на Земле.

Ресурсная функция литосферы как раз и заключается в ее способности обеспечения экосистемы необходимыми ресурсами. Среди природных ресурсов на Земле по их значимости для развитых государств стоят энергоресурсы, которые составляют 70% полезных ископаемых в мире. Потребности в энергоресурсах развитых стран все более и более возрастают. На фоне нехватки собственных природных ресурсов они стремятся захватить мировые рынки сбыта полезных ископаемых, прежде всего нефти и газа, руд и т.д., объявляя их зоной своих национальных интересов.

С точки зрения экологии необходимо обеспечить добычу и переработку энергоресурсов таким образом, чтобы минимизировать загрязнение окружающей среды. Для снижения негативного влияния на литосферу при добыче сырья целесообразно использовать вторичные ресурсы. Одно из направлений их использования – это, например, переработка компьютерного лома.

Геодинамическая функция литосферы в экологическом аспекте проявляется в ходе различных природных геологических процессов, землетрясений, вулканических извержений, обвалов, селей, оползней и т.д., так или иначе влияющих на различные экосистемы, в том числе и на человеческое общество. Поэтому необходимы прогноз и защита территорий с развитыми в них экосистемами от негативного влияния этих процессов. Основная задача заключается в том, чтобы научиться правильно прогнозировать экологические последствия тех или иных техногенных воздействий на литосферу.

Геохимическая функция литосферы в экологическом аспекте заключается в её активном участии в круговороте веществ в природе. Примером этого является распространение загрязняющих веществ в верхних слоях Земли и как, следствие, загрязнение водоносных слоев. Это указывает на нежелательность использования колодцев как источников воды.

Учёт экологических функций литосферы и других проблем экологии позволит воплотить в жизнь идею Вернадского о создании такой ноосферы, которая направлена на защиту и развитие биосферы в интересах человека, его будущего.

15. Феномен Человек

15.1. Возникновение человека

Согласно принятой в настоящее время теории, человек - следствие длительной эволюции позвоночных. Одна из групп обезьян, обитавших более 10-12 млн. лет назад, дала начало ветви, ведущей к человеку. Эти человекообразные обезьяны-австралопитеки, получили название «человек умелый» и передвигались на двух ногах.

Изготовление орудий и использование огня обусловило переход к новой стадии эволюции - появлению древних людей - неандертальцев. Их масса мозга составляла 750 гр. Именно при такой массе мозга ребёнок овладевает речью. Объединение сил отдельных особей во время охоты, защита от врагов, от неблагоприятных природных воздействий привело к появлению вида человека разумный (Ноmо Sарiеns), первыми из которых были кроманьонцы.

Всё современное человечество принадлежит к одному виду Ноmо Sарiеns. Внутри этого вида выделяют три большие расы: негроидную (черную), европеоидную (белую), монголоидную (желтую). Для современного этапа эволюции характерно резкое снижение роли биологических факторов; ведущее значение приобрели социальные факторы.

15.2.

Человек: физиология, здоровье, работоспособность, эмоции

Физиология изучает процессы, протекающие в организме человека. Человек самое высокоорганизованное живое существо и поэтому в его организме протекают сложные физиологические процессы, которые изменяются с возрастом. Каждому возрастному этапу развития человека присущи свои физиологические функции. Сложный организм человека представляет собой одно целое. Целостность организма, находящегося во взаимодействии с окружающей средой, обеспечивается нервной системой и ее ведущим отделом - корой головного мозга. Кора головного мозга весьма тонко и точно улавливает изменения внутренней и внешней среды и своей деятельностью обеспечивает приспособление организма к окружающей среде и его активное влияние на среду.

Нервная система состоит из нервных клеток — нейронов. Нейроны, число которых составляет 25 млрд., находятся в коре головного мозга, толщиной всего 2,5-З мм. После рождения человека масса мозга составляет 350-390 г. её рост продолжится до 20 лет и составит 1300- 1500 г. (иногда до 2000 г.).

Нейроны взаимодействуют между собой посредством электрических импульсов и химических веществ, называемых нейротрансмиттерами. Нейрон имеет сотни или тысячи связей. Каждое внешнее раздражение поступающее от одного из наших органов чувств, вызывает электрические импульсы и выделение малого количества нейротрансмиттеров. Например, формы букв и слов, которые вы видите при чтении этой фразы передаются в кору головного мозга, затем они интерпретируются в мысли. Природа наших мыслей зависит от генетического состава, обучения, опыта и памяти.

У каждого из нас свои модели мира и поведения в нем. В последние годы выяснилось, что простейшей структурной единицей мозга является не нейрон, а структурный ансамбль клеток со сложными, но фиксированными разветвлениями взаимосвязей .

Один ансамбль обычно управляет одним процессом или одной функцией мозга. Элементы разумного поведения проявляют высшие животные и некоторые птицы. Но полноценное проявление разума присуще только человеку.

Созданный человеком коллективный аппарат сбора, накопления, обобщения и хранения знаний Вернадский назвал научной мыслью. Научная мысль в сочетании с трудовой деятельностью является великой движущей силой, способной преобразовать биосферу.

Эмоция - реакция на случившееся или ожидаемое событие, проявление чувств. Положительные эмоции стимулируют одну часть мозга и выделение одних нейротрансмиттеров, отрицательные эмоции стимулируют другую часть мозга и выделение других нейротрансмиттеров. Необходимо научится управлять своим эмоциональным состоянием, вызывая положительные эмоции. В этом случае улучшается здоровье, работоспособность. Здоровье, а, следовательно, работоспособность человека зависит не только от эмоционального состояния, но и от физической формы, в которой он находится, а также от умения предупреждать болезни.

15.3. Творчество

Внешне картина творчества выглядит следующим образом. В процессе трудовой деятельности человек сталкивается с трудностями в реализации своих целей. Когда попытки преодолеть эти затруднения заканчиваются безрезультатно, тогда в его деятельности наступает пауза, которую называют стадией созревания идеи. Заканчивается эта пауза тем, что возникает идея решения сложившейся перед ним проблемы, происходит «озарение». Однако такое классическое представление о природе творчества не учитывает того обстоятельства, что человек для видения условий ситуации использует, хочет он этого или нет, опыт других людей. Необходимым условием для творчества является стремление человека узнать что-то новое для себя. Точно лаконично это внутреннее беспокойство «творческой деятельности» высказал поэт Твардовский: «Так, как я хочу, не умею. Так, как умею, не хочу!».

Как отмечал известный психолог Нечаев: «Под творчеством понимается самопреодоление своих возможностей через конструирование новых возможностей, отвечающих задачам деятельности, используя опыт других людей». Поэтому учебная деятельности должна быть творческой деятельностью. Хороший учитель не преподносит ученику готовую истину, а побуждает размышлять о ней. В этом случае мозг максимально растет, развивается и повышается способность к решению новых задач.

15.4. Биоэтика

Под биологической этикой понимается применение понятий и норм человеческой морали, нравственности к жизни на Земле. Первоочередными проблемами в настоящее время являются: угроза частичного или полного уничтожения тех или иных форм жизни на Земле, забор органов необходимых для трансплантации, клонирование человека, целесообразность поддерживания жизни смертельно больного человека и др.

15.5.

Космические и биологические циклы

Ритм (цикл) - повторение одного и того же состояния через равные промежутки времени. Он обусловлен колебательными процессами, происходящими в живой и неживой природе. Океанические приливы и отливы, смена дня и ночи, фаз Луны, чередование времен года, периодические изменения солнечной активности - всё это различные формы колебательных процессов. В период солнечной активности происходит увеличение пятен и вспышек на Солнце, его излучение достигает максимальной интенсивности, что вызывает магнитные бури.

Биологическая ритмичность направлена на согласование функций организма с окружающей средой, т.е. на приспособление к постоянно меняющимся условиям существования. Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности у некоторых млекопитающих и многие другие. Русский биолог Чижевский установил зависимость биологических процессов и общественной жизни от солнечной активности. Так в период солнечной активности изменяется скорость' роста растений, ухудшается здоровье у человека, социальная активность в обществе возрастает до 60%. Последний пик солнечной активности был в 2002 году, а его цикл составляет примерно 11 лет.

16.Самоорганизация
в
природе

16.1. Синергетика - новая междисциплинарная наука

Термин «синергетика» происходит от греческого – согласованное действие, содействие, сотрудничество. Этот термин ввел немецкий физик Хакен. Синергетика - это наука о самоорганизации. Самоорганизация по Хакену - «спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса». Спонтанный переход из неупорядоченных состояний к упорядоченному происходит за счет совместного (синхронного) действия многих подсистем.

Синергетика - междисциплинарная наука, так как она позволяет объяснить процессы самоорганизации в живой и неживой природе, в обществе. Приведем примеры из разных областей знания.

Примером самоорганизации в живой природе может служить теория эволюционизма - самопроизвольного формирования биологических систем из неживых химических элементов. Это нашло подтверждение в фактах обнаружения аминокислот в кометах и метеоритах.

Эволюция привела к появлению современного человека, которая является самым высокоорганизованным живым существом.

Примеры самоорганизации в неживой природе приведены в п. 16.3.

16.2. Порядок
из хаоса

Самоорганизация - это процесс движения от хаоса к порядку, возникновение нового. Под хаосом понимается отсутствие корреляции (взаимосвязи) процесса, его неупорядоченность. Примером хаоса является броуновское движение. Мера неорганизованности, хаоса называется энтропией.

Приведем пример самоорганизации в физической системе. Если охлаждать водяной пар при постоянном объеме, то тепловое движение молекул становится все менее интенсивным и упорядоченность системы молекул повышается; когда водяной пар конденсируется в жидкость, происходит скачкообразное уменьшение энтропии и выделяется теплота. При дальнейшем снижении температуры тепловое движение молекул становится все менее интенсивным и происходит дальнейшее уменьшение энтропии. Когда жидкость отвердевает, молекулы в кристалле льда занимают строго определенные положения, энтропия скачком уменьшается и выделяется теплота.

16.3. Диссипативные структуры

Из рассмотренного в п.16.2 примера видно, что переходу водяного пара в воду, воды в лед предшествуют случайные отклонения от положения равновесия, называемые флуктуациями. В особой точке, называемой точкой бифуркации, флуктуации достигают такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается.

В этой точке система находится одновременно как бы в двух состояниях (например, при гололедице под ногами находится и вода и лед) и точно предсказать ее поведение не возможно. Затем при достижении параметром внешней среды некоторого критического значения система скачком переходит в устойчивое состояние. Новые структуры, полученные таким образом называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии. Это, например, вода, образованная из водяного пара, лед – из воды.

Рассмотрим другие примеры диссипативных структур: ячейки Бенара, турбулентность, колебательные химические реакции, лазер.

При нагревании ртути, налитой в широкий плоский сосуд, слой ртути, после того, как температура достигнет некоторого критического значения, распадается на одинаковые шестигранные призмы – ячейки Бенара.

В качестве другого примера возникновения самоорганизации рассмотрим переход послойного (ламинарного) течения жидкости в вихревое (турбулентное). Этот переход возникает, если на пути движения жидкости поместить какое-то тело (например, шар) и увеличивать давление и соответственно скорость потока. При увеличении скорости потока выше критической за телом образуются завихрения, т.е. вместо спокойного ламинарного движения возникает турбулентное движение жидкости.

Одним из наиболее-впечатляющих примеров возникновения самоорганизации является химическая реакция Белоусова-Жаботинского, в результате которой специальный раствор начинает периодически менять цвет с красного на голубой. Поэтому такую реакцию называют «химическими часами».

Наиболее значительным примером самоорганизации, нашедшим широкое применение в науке и технике, является лазер. В твердотельном лазере атомы, возбужденные накачкой энергией от внешнего источника, испускают световые электромагнитные волны несогласованно (не когерентно). Если увеличить мощность накачки выше определенного значения, то атомы начинают испускать свет в одинаковой фазе, с одной частотой, с одинаковым направлением поляризации (когерентные волны). Этот когерентный свет усиливается за счет многократного прохождения по активной среде и вовлечения в этот индуцированный процесс новых атомов активированной среды. Лазер переходит в режим генерации, испуская усиленное, направленное, монохроматическое, когерентное излучение.

Во всех самоорганизующихся системах происходят коллективные процессы: коллективно выстраиваются молекулы в узлах кристаллической системы; вихри внутри жидкости; коллективно и согласованно атомы испускают когерентное излучение в лазере.

16.4. Концепции самоорганизации

Для того чтобы происходил процесс самоорганизации, должны быть выполнены следующие условия:

- система должна находится вдали от равновесия, т.е. быть нелинейной;

- наличие флуктуации, т.е. отклонения от среднего значения, соответствующего равновесному состоянию.

Процесс самоорганизации протекает следующим образом. Вследствие флуктуации система попадает в неустойчивое состояние. В точке бифуркации система встает на новый путь развития. Те направления, по которым возможно развитие системы после точки бифуркации и, которые отличаются относительной устойчивостью, ведут в новое состояние называемое аттактор; в этом состоянии возникают более упорядоченные диссипативные структуры.

В основе самоорганизации лежит принцип положительной обратной связи, суть которого заключается в том, что изменения, возникающие в системе, не подавляются или корректируются, а накапливаются и при достижении некоторого фактора внешней среды критического значения, приводят к разрушению прежней системы и возникновению новой, более упорядоченной системы.

16.5.
Принцип универсального эволюционизма. Путь к единой культуре

Синергетический подход может служить новой парадигмой к описанию объектов живой, неживой природы и социума. Синергетическим представлениям полностью отвечает принцип универсального эволюционизма

, суть которого заключается в том, что развитие объектов живой, неживой природы, социума происходит в направлении повышения структурной организации. Вся история развития Вселенной от момента нахождения в точечном объеме в сверхплотном состоянии до возникновения человека может быть представлена в виде единого процесса самоорганизации.

Вместе с синергетикой пришло понимание единства неорганического и органического мира, понимание того, что чередование хаоса и порядка является универсальным принципом мироустройства. «Все наблюдаемое нами, все, в чем мы сегодня участвуем, это лишь фрагменты единого синергетического процесса» - отмечал Моисеев.

Синергетика выявила бифуркационный механизм развития, конструктивную роль хаоса в процессах эволюции самоорганизованных систем, механизм конкуренции допустимых, возможных форм структур заложенных в системе. Синергетические понятия применимы к любым развивающимся системам.

Представление об обществе как о социальной машине, действующей по «объективным законам»- досинергетический взгляд. В развитии общества нередко возникают неустойчивые состояния «точки бифуркации»- перекрестки, расщепленные путем развития.

Синергетика выявляет методы и закономерности процессов самоорганизании в самых различных областях естественного технического и гуманитарного знания. Поэтому естествознание непрерывно связано с гуманитарной культурой, и они совместно определяют общую культуру. Это понятно еще и потому, что именно гуманитарные ценности определяют приоритетные направления естественных наук. Поэтому справедливо писал Моисеев: «Мы на пороге новой культуры - синтеза глобального духовного сознания и глобального научного знания».
Вопросы для подготовки к экзамену по дисциплине «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

1.   Естественнонаучная и гуманитарная культуры.

2.   Научныйметод.

3.     История естествознания. Панорама современного естествознания.

4.   Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.

5.   Порядок и беспорядок в природе, хаос.

6.   Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры.

7.     Пространство, время. Концепции материи, движения, пространства и времени. Симметрия.

8.     Принципы относительности.

9.    Законы сохранения.

10. Классическая концепция Ньютона.

11. Концепция близкодействия и дальнодейтсвия. Физическое поле.

12. Гравитационное и электромагнитное поля.

13. Колебания и волны.

14. Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности.

15. Динамические и статистические закономерности в природе.

16. Первое начало термодинамики, как закон сохранения энергии в макроскопических системах.

17. Энтропия. Принцип возрастания энтропии.

18. Концепция непрерывно-дискретных свойств. Физика атома и ядра.

19. Явление радиоактивности. Воздействие излучения на человека.

20. Химическая связь, реакционная способность веществ.

21. Новые химические элементы и новые процессы.

22. Концепции эволюции Вселенной.

23. Концепции эволюции Солнечной системы.

24. Внутреннее строение и история геологического развития Земли.

25.   Теория литосферных плит и природные катаклизмы

26. Литосфера. Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геохимическая.

27. Географическая оболочка Земли.

28. Биосфера и ее свойства. Ноосфера.

29.     Биологические уровни организации материи.

30.   Принципы эволюции, воспроизводства и развития, живых систем.

31.         Экология и её основные направления.

32.         Человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность.

33.   Биоэтика. Космические и биологические циклы.

34. Самоорганизация в живой и неживой природе. Концепции самоорганизации.

35. Диссипативные структуры и их примеры.

36. Путь к единой культуре. Принцип универсального эволюционизма.
Рекомендуемая литература
1.Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. – М.: Оникс, 2003.

2.Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: Высшая школа, 2000.

3.Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – М.: Маркетинг, 2000.

4.Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – М.: Маркетинг, 2001.

5.Концепции современного естествознания. Под редакцией Лавриненко В.Н., Ратникова В.П. – М.: ЮНИТИ, 2000.

6.Лобачев А.И. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ, 2001.

Bukvasha