КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2
Вопрос 1. Что представляет собой процесс фотосинтеза. Сравните клеточное дыхание и фотосинтез.
Ответ. Фотосинтез представляет собой процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.
Процесс фотосинтеза осуществляется в хлоропластах в два этапа. В гранах (тилакоидах) протекают реакции, вызываемые светом - световые, а в строме - реакции, не связанные со светом,- темновые, или реакции фиксации углерода.
Световые реакции
1. Свет, попадая на молекулы хлорофилла, которые находятся в мембранах тилакоидов гран, приводит их в возбужденное состояние. В результате этого электроны е сходят со своих орбит и переносятся с помощью переносчиков за пределы мембраны тилакоида, где и накапливаются, создавая отрицательно заряженное электрическое поле.
2. Место вышедших электронов в молекулах хлорофилла занимают электроны воды е, так как вода под действием света подвергается фоторазложению (фотолизу):
Гидроксилы ОН-, став радикалами ОН, объединяются: 4ОН-->2H20+O2, образуя воду и свободный кислород, который выделяется в атмосферу.
3. Протоны водорода H+ не проникают через мембрану тилакоида и накапливаются внутри, образуя положительно заряженное электрическое поле, что приводит к увеличению разности потенциалов по обе стороны мембраны.
4. При достижении критической разности потенциалов протоны Н+ устремляются по протонному каналу в ферменте АТФ-синтетаза, встроенному в мембрану тилакоида, наружу. На выходе из протонного канала создается высокий уровень энергии, которая идет на синтез АТФ (АДФ+Ф АТФ). Образовавшиеся молекулы АТФ переходят в строму, где участвуют в реакциях фиксации углерода.
5. Протоны Н+, вышедшие на поверхность мембраны тилакоида, соединяются с электронами, образуя атомарный водород Н, который идет на восстановление переносчика НАДФ+,
2e + H + HAДФ+ ---> HAДФ*H (переносчик с присоединенным водородом)
Клеточное дыхание представляет собой совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды. Высвобожденная энергия запасается в химических связях макроэргических соединений (АТФ и др.) и может быть использована по мере необходимости. Входит в группу процессов катаболизма. О физиологических процессах транспортировки к клеткам многоклеточных организмов кислорода и удалению от них углекислого газа.
Вопрос 2. Что такое насыщенный пар, каковы его свойства? Оцените роль этих процессов в земной атмосфере.
Ответ. Насыщенный пар представляет собой пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава.
Свойства насыщенного водяного пара – температура, теплопроводность, вязкость динамическая, теплоемкость изобарная, плотность
В атмосфере вода находится в трех агрегатных состояниях - газообразном (водяной пар), жидком (капли дождя) и твердом (кристаллики снега и льда). По сравнению со всей массой воды на планете, в атмосфере её совсем немного — около 0,001%, но её значение огромно. Облака и водяные пары поглощают и отражают избыток солнечной радиации, а также регулируют ее поступление на Землю. Одновременно они задерживают встречное тепловое излучение, идущее от поверхности Земли в межпланетное пространство. Содержание воды в атмосфере определяет погоду и климат местности. От него зависит, какая установится температура, образуются ли облака над данной территорией, пойдёт ли из облаков дождь, выпадет ли роса. восходящими потоками воздуха. Охлаждаясь, он конденсируется, образуются облака, и при этом выделяется огромное количество энергии, которую водяной пар возвращает атмосфере. Именно эта энергия заставляет дуть ветры, переносит сотни миллиардов тонн воды в облаках и увлажняет дождями поверхность Земли
Испарение состоит в том, что молекулы воды, отрываясь от водной поверхности или влажной почвы, переходят в воздух и превращаются в молекулы водяного пара. В воздухе они двигаются самостоятельно и переносятся ветром, а их место занимают новые испарившиеся молекулы. Одновременно с испарением с поверхности почвы и водоёмов происходит и обратный процесс - молекулы воды из воздуха переходят в воду или почву. Воздух, в котором количество испаряющихся молекул водяного пара равно количеству возвратившихся молекул, называется насыщенным, а сам процесс — насыщением. Чем больше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нём содержаться.
Вопрос 3. Опишите модель реального газа. К каким состояниям газов она применяется? Какая температура (и плотность) называется критической? Каковы особенности сжижения газов в естественных и искусственных условиях?
Ответ. Модель реального газа, предложенная Ван-дер-Ваальсом (1873), отличалась от модели идеального газа учетом объема самих молекул и их взаимодействия. Последний фактор несколько уменьшает давление — каждая молекула при столкновении как бы тормозится притяжением соседних. Так появилось новое уравнение состояния, которое получило имя автора.
При низких абсолютных температурах газы уже не похожи на газы, их свойства определяются квантовыми законами. В этих условиях используют квантовые функции распределения, которые переходят в классические с повышением температуры. Области, в которых наступают отклонения от закона распределения, называют областями вырождения газа (для водорода, например, эта область находится при Т = 1 К, для других газов — еще ниже).
Получение сжиженных газов, необходимых в промышленности, требовало разработки методов получения низких температур. Многое в этом направлении сделано академиком (1938), которому открытие сверхтекучести жидкого гелия принесло мировую славу. Через несколько лет Ландау построил теорию сверхтекучести жидкого гелия. В предвоенные годы проблема сверхтекучести была одной из центральных проблем теоретической физики.
Установление понятия критической точки оказалось решающим в разработке методики и техники сжижения газов. В 1877 г. в Париже, в химической лаборатории Нормальной школы, Л. Кальете провел опыт по сжижению кислорода: предварительно кислород был охлажден и сжат до 303,9 • 105 Па, затем резко расширен, в результате его температура упала до 90 К, и в этот момент в стеклянном приемнике возник туман — мельчайшие капельки жидкого кислорода. Вскоре Кальете тем же способом превратил в жидкость азот и водород. В Женеве в том же году получил уже несколько кубических сантиметров жидкого кислорода и водорода. В еще больших количествах их удалось получить польским физикам 3. Врублевскому и К. Ольшевскому, когда они понизили температуру еще на 20 К путем испарения жидкого воздуха в пустоту (1885). Используя эффект Джоуля—Томсона, отличающийся от охлаждения при адиабатическом расширении тем, что газ охлаждается без совершения работы, за счет сил взаимного притяжения, английский физико-химик Дж. Дьюар сумел получить уже несколько литров жидкого водорода (1893).
Стремление к беспорядку приводит к увеличению (в среднем) расстояния между частицами, часть кинетической энергии частиц переходит в потенциальную, и по мере уменьшения средней кинетической энергии уменьшается и температура газа. Эффект Джоуля—Томсона используют для понижения температуры на порядок по сравнению с нормальной. При каждом процессе охлаждения температура падает незначительно, но система работает циклами, и в конце процесса сжиженный газ капает из сопла в колбу. Дьюар изобрел сосуд для хранения сжиженных газов, который сейчас широко распространен (сосуд Дьюара).
Системы с последовательным сжатием и расширением газа широко используют для сжижения газа. Гелий превращается в жидкость при Т = 4,2 К. Впервые жидкий гелий получил нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес в Лейдене путем охлаждения гелия ниже точки его инверсии с помощью жидкого водорода, кипящего под пониженным давлением (1908). Так он достиг температуры 1 К.
Из теоремы Нернста, называемой третьим началом термодинамики, следует, что при приближении температуры к нулю теплоемкости тоже стремятся к нулю, т. е. начинают зависеть от температуры (Т). По классической теории этого быть не должно. Значит, в рамках классической физики теорема Нернста не может быть объяснена. Кроме того, из уравнения Клапейрона следует, что коэффициент теплового расширения и термический коэффициент давления не должны зависеть от температуры, а из теоремы Нернста получается, что они тоже обращаются в нуль при Т= 0. Это значит, что при низких температурах перестает выполняться и уравнение Клапейрона—Менделеева.
Поскольку
и по третьему началу термодинамики при Т= 0 левые части обращаются в нуль, то в нуль должны обратиться и правые части, т. е. при Т= 0 давление газа не зависит от температуры, а определяется только плотностью, газ находится в состоянии вырождения. Пример такого газа — газ свободных электронов в металлах при обычных температурах.
К вырожденным газам не применима статистика Больцмана, поэтому разработана квантовая статистика Бозе—Эйнштейна (для бозонов). Из приведенных соотношений получается, что и внутренняя энергия перестает зависеть от температуры, определяясь только плотностью. Поэтому и газ свободных электронов в металлах не вносит заметного вклада в теплоемкость.
Вопрос 4. Характеризуйте дискретность и непрерывность материи. В каких условиях проявляются корпускулярные свойства света?
Ответ. Если любая масса материи обладает соответствующей ей энергией движения, то у проточастиц, еще не вступивших во взаимодействие, вся энергия будет кинетической, а самодвижение в пространстве и во времени непрерывным. Конденсация материи из проточастиц происходит в каждом случае либо за счет энергии движения в пространстве, которая становится энергией связи, то есть переходит в потенциальную либо за счет энергии движения во времени и тогда энергия движения во времени становится потенциальной. Следствием перехода энергии из кинетической в потенциальную является ограниченность соответствующего движения, то есть дискретность его (п). Современная физика (XX в) признает разнокачественность связей в природе и доказала ее значение в опытах по взаимному превращению электрона и фотона. Однако, сущность этой разнокачественности физика не установила до сих пор. Эталоном материальных систем, образованных за счет энергии движения во времени, являются фотоны, где дискретные материальные частицы имеют ограниченное движение во времени (определенные колебательные движения - Тп), а принципом их движения в пространстве является непрерывность (L~). Эталоном материальных систем, образованных за счет энергии движения в пространстве, являются электроны. Здесь дискретные материальные частицы имеют ограниченное движение в пространстве а обязательное условие их существования - непрерывность изменений во времени. Понятие непрерывности и дискретности относится и к субстрату: материальный носитель является дискретным, когда система существует в ограниченной массе материи и непрерывным - если связь непрерывно самообновляется. Непрерывное самообновление связи создает явление, которое, например, в живых организмах традиционно называется потоком вещества в системе, а в более широком смысле может быть названо потоком материи.
Корпускулярные свойства света проявляются в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить корпускулярные свойства света. Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества. Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решетке — кристаллической решетке твердого тела.
Вопрос 5. Как развивались представления о причинности в квантовой механике? Почему ограничения воздействия на микроуровне имеет смысл фундаментального закона природы?
Ответ. Истоки понятий причинности, закономерности уходит далеко вглубь веков человеческой истории. В философских системах Древнего Востока осуществлены первые попытки выразить причинные связи реальной действительности в философских категориях. Древнекитайское философское учение-«даосизм»(Ivвек до н. э.)развивало мысль, что развитие природы и людей определяется не волей неба, а законом дао, который вносит порядок в хаос вещей. Дао существует независимо от сознания и воли людей и представляет собой «глубокую основу всех вещей. «Эти материальные воззрения учёных Древнего Востока оказали влияние на развитие философии и естествознания в античном мире.
В Древнегреческой философии впервые высказал мысль о всеобщности причинности в определённой форме философ-материалист Левкипп (500-400гг. до н. э.). В своих работах он писал: «Ни одна вещь не возникает беспричинно, но всё возникает на каком-нибудь основании и в силу необходимости».
Ученик Левкиппа Демокрит (460-370гг. до н. э.) приняв провозглашённый его учителем материалистический принцип причинности, подчеркнул большое значение его для объяснения природы, что подтверждает одно из его высказываний: «Я бы предпочёл бы найти одно причинное объяснение, нежели приобрести себе персидский престол.»
Учение о причинном объяснении природы Левкиппа - Демокрита нашло своё отражение в их атомистической теории. Учитель и ученик сошлись во мнении, что атом - это мельчайшая неделимая, неизменная частица вещества, отличающихся от подобных себе положением в пространстве, формой и порядком, но качественно тождественным другим атомам. Все вещи и явления природы образуются в результате механического взаимодействия этих вечно движущихся частиц.
В идее Левкиппа-Демокрита о возможности объяснения микроскопических процессов путём признания взаимодействия огромного числа атомов неявно выражена мысль о статистических закономерностях. Если макроскопические процессы являются результатом взаимодействия огромного числа частиц отдельных микрообъектов, то можно предположить что закономерности макротел есть результат действия статистики на микро уровне.
Если с точки зрения атомистической теории Левкиппа - Демокрита причина есть взаимодействий атомов, то с макроскопической точки зрения причина – внешнее механическое воздействие одного тела на другое.
Обобщение и дальнейшее развитие взглядов древних греков на причинность было сделано Аристотелем (384-322гг. до н. э.), который показал значение причинности для теории познания, обратил внимание на неоднозначность термина «причина».
Аристотель указал, что познать вещь - значит познать её причину. Аристотель различал четыре вида причин: материальную, формальную, действующую и конечную и конечную и выражал свою мысль о причинах следующим образом:
-…о причинах говорится в четырёх значениях: одной такой причиной мы считаем сущность, или суть бытия вещи; другой причиной мы считаем материю, или субстрат; третьей – то откуда начало движения; четвёртой, причину противолежащую последней, а именно «то, ради чего или благо…».
Аристотелевское понятие действующей причины соответствует тому, что сейчас обычно подразумевается под словами «причина». Действующая причина, по Аристотелю - это всё, что делает, изменяет, порождает другое явление.
Материальная и формальная причины выражают различие между возможностью и действительностью. Понятие конечной причины необходимо для объяснения практической деятельности людей, основывающейся на познанных связях явлений природы и общества. Предметам природы, как считал Аристотель, присуще внутренняя цель, которая определяет направление их движения и развития. Внутренняя цель всех предметов подчинена высшей духовной силе – богу.
Учение Аристотеля о формальной и конечной причинах было использовано средневековой схоластикой для обоснования необходимости существования сверхъестественного существа, управляющего движением мира.
Философское обоснование необходимости освобождения естествознания от влияния мистики и схоластики и целесообразности систематического изучения причин явлений в самой природе дал Ф. Бэкон (гг.).Бэкон принимает аристотелевское деление причин, но вкладывает в них новое содержание.
Конечную причину Бэкон исключает из рассматривания современных наук. Изучением материальной и действующей причинами должна заняться эмпирическая физика. Но, как считает Бэкон, эти причины не дают ещё полного истинного знания предметов. Знание сущности постигается через познание форм. Форма-закон сущности предмета.
Формальная причина, выражающая сущность вещи, есть, по Бэкону, движение или определённое сочетание неизменных материальных частиц, нечто вроде атомов Демокрита. Форма вещи есть нечто внутреннее по отношению к самой вещи. Определённое сочетание, движение частиц есть истинная (формальная) причина, выражающая сущность вещи.
Английский философ-материалист Т. Гоббс (гг.) реально существующими признаёт только материальную и действующие причины. В основу разграничения действующей и материальной причин Гоббс положил различие активных и пассивных тел. Активным он называет тело, которое какими-то своими сторонами, свойствами воздействует на другое и вызывает или уничтожает в нём какие – нибудь изменчивые и несущественные свойства вещей или состояний. Тело, которое испытывает воздействие активного тела, называются пассивными. Совокупность, изменчивость и не существенность свойств вещей Гоббс назвал действием или эффектом.
Гоббс понимал неточность понятий действующей и материальных причин. Гоббс эти понятия определил следующим образом: «Сумма необходимых для производства действий акциденций, лежащих в активном или активных телах, называется, раз действие наступило, действующей причиной». Гоббс ввёл понятие «полной», «достаточной» причины. Под полной причинной он понимает совокупность всех акциденции в активных и пассивных телах, при наличии которых с необходимостью вызывается действие.
Принцип причинности был положен Гоббсом в основу объяснения всех явлений природы.
Существенный шаг вперёд в понимании категории причинности сделал Б. Спиноза (гг.). Он развил учение об «общем естественном порядке».Естественный порядок, как полагал Спиноза, есть совокупность материальных тел, связанных между собой необходимой цепью причин и следствий. Всё, что совершается природой вещей, вызвано действующими причинами; не действующих причин в природе нет.
Спиноза подчеркивает необходимый характер связи причины и следствия. Причина необходимо вызывает действие, и, наоборот, всякое действие есть необходимый результат причины. Это подтверждает следующая цитата Спинозы: «Из данной определённой причины необходимо вытекает действие и наоборот – если нет никакой определённой причины, невозможно, чтобы последовало действие».
Спиноза поставил проблему соотношения внешних и внутренних причин. Признание существования одних лишь внешних причин приводит к необходимости считать причиной изменение движения, какого – либо тела другое тело, а причиной этого третье тело и т. д. до бесконечности. Такое объяснение явлений на основе внешней причинности по мнению Спинозы, не может признано удовлетворительным и побуждает вести понятие первой причины, ею может быть объект являющийся причиной самого себя. Такой первопричиной является природа в целом или субстанция.
К XIX в. свойство воды быть элементом трансформировалось в свойство быть растворителем и важнейшим компонентом объектов живой и неживой природы. Изучение молекулярной структуры веществ привело к пониманию исключительной способности молекул воды образовывать связи с частицами почти всех веществ. Вода — это простейшее соединение водорода с кислородом, по массе вода состоит из 11,19 % водорода и 8,81 % кислорода. Вследствие существования трех изотопов водорода и шести изотопов кислорода существует 36 изотопных разновидностей воды.
Физические свойства воды совершенно аномальны. Самое удивительное из них — это способность ее при нормальных условиях быть жидкостью. Молекулы похожих на нее химических соединений (H2S или H2Se) намного тяжелее воды, но при этих условиях газообразны. Свойства гидридов (водородных соединений элементов), расположенных в тех же вертикальных столбцах таблицы Менделеева, должны меняться монотонно с ростом атомной массы. В шестой группе помимо кислорода находятся сера, селен, теллур, полоний, атомные массы кото растут: 32, 78, 127, 209 соответственно. При переходе от тяже элементов к легким свойства растут монотонно лишь для первых четырех. Так, температуры кипения и плавления снижаются линейно, т. е. область жидкой фазы гидридов становится все более холодной. И если бы для воды эта зависимость сохранилась, она была бы жидкой лишь в диапазоне от -80 до -95 °С, а при более высоких температурах была бы газом. Конечно, это свойство, как и другие, очень важно для всей биосферы. Кроме того, совершенно аномален сам диапазон существования воды в жидкой фазе — 100 °С.
Вопрос 6. Какие частицы составляют ядро атома, каковы его размеры? Как это было установлено?
Ответ. Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия.
В 1911 году Резерфорд в своём докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» в философском обществе Манчестера заявил:
- Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.
Таким образом Резерфорд открыл атомное ядро, с этого момента и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер.
После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин — протон. После промежуточной протон-электронной теории строения ядра, имевшей немало явных недостатков, в первую очередь она противоречила экспериментальным результатам измерений спинов и магнитных моментов ядер, в 1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном. В том же году Иваненко и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. Эта гипотеза была полностью подтверждена всем последующим ходом развития ядерной физики и её приложений.
Вопрос 7. Как происходит в организмах процесс биосинтеза?
Ответ. В процессе биосинтеза образуются вещества, свойственные определенным клеткам организма. Например, в клетках мышц синтезируются белки, обеспечивающие их сокращение.
Одновременно с биосинтезом в клетках происходит распад органических соединений. В результате распада образуются вещества более простого строения. Большая часть реакции распада идет с участием кислорода и освобождением энергии. Эта энергия расходуется на жизненные процессы, протекающие в клетке. Процессы биосинтеза и распада составляют обмен веществ, который сопровождается превращениями энергии.
Клеткам свойственны рост и размножение. Клетки тела человека размножаются делением пополам. Каждая из образовавшихся дочерних клеток растет и достигает размеров материнской. Новые клетки выполняют функцию материнской клетки. Продолжительность жизни клеток различна: от нескольких часов до десятков лет.
Живые клетки способны реагировать на физические и химические изменения окружающей их среды. Это свойство клеток называют возбудимостью. При этом из состояния покоя клетки переходят в рабочее состояние - возбуждение. При возбуждении в клетках меняется скорость биосинтеза и распада веществ, потребление кислорода, температура. В возбужденном состоянии разные клетки выполняют свойственные им функции. Железистые клетки образуют и выделяют вещества, мышечные - сокращаются, в нервных клетках возникает слабый электрический сигнал - нервный импульс, который может распространяться по клеточным мембранам.
Вопрос 8. Каковы источники энергии звезд? Какие процессы переживает «жизнь» звезд? Дайте представление об эволюции обычных звезд и красных гигантов и поясните процессы, происходящие на их недрах. Какова перспектива эволюции Солнца?
Ответ. Наиболее очевидным свойством звезд является то, что они светятся, точнее, являются самосветящимися телами. Источниками энергии звезд являются термоядерные реакции, при которых из лёгких ядер образуются более тяжёлые; чаще всего это - превращение водорода в гелий. В звезде с массой, меньшей двух солнечных, оно происходит главным образом путём соединения двух протонов в ядро дейтерия, затем превращением дейтерия в изотоп He3 путём захвата протона и, наконец, превращением двух ядер He3 в He4 и два протона.
Процессы на звездах. На звездах, магнитное поле которых значительно сильнее солнечного, эти процессы протекают с большей интенсивностью. В частности, переменность блеска некоторых таких звезд объясняют появлением пятен, аналогичным солнечным, но закрывающих десятки процентов их поверхности. Однако физические механизмы, обусловливающие активность звезд, еще не до конца изучены. Наибольшей интенсивности магнитные поля достигают на компактных звездных остатках - белых карликах и особенно нейтронных звездах.
Эволюция звезд и красных гигантов. В более массивных звездах преобладает углеродно-азотная циклическая реакция: углерод захватывает последовательно 4 протона, выделяя попутно два позитрона, превращается сначала в азот, затем распадается на гелий и углерод. Окончательным результатом обеих реакций является синтез ядра гелия из четырёх ядер водорода с выделением энергии: ядра азота и углерода в углеродно-азотной реакции играют лишь роль катализатора. Для сближения ядер на такое расстояние, когда может произойти захват, нужно преодолеть электростатическое отталкивание, поэтому реакции могут идти только при температурах, превышающих 107 градусов. Такие температуры встречаются в самых центральных частях звезд. В звездах малых масс, где температура в центре недостаточна для термоядерных реакций, источником энергии служит гравитационное сжатие звезды.
У массивных звезд ядро в конце эволюции неустойчиво, радиус его уменьшается приблизительно до 10 км, и звезда превращается в нейтронную (состоит из нейтронов, а не из ядер и электронов, как обычные звезды). Нейтронные звезды имеют сильное магнитное поле и быстро вращаются. Это приводит к наблюдаемым всплескам радиоизлучения, а иногда к всплескам также и оптических и рентгеновского излучений. Такие объекты называются пульсарами. При ещё больших массах происходит коллапс - неограниченное падение вещества к центру со скоростью, близкой к скорости света. Часть гравитационной энергии сжатия производит выброс оболочки со скоростью до 7000 км/с. При этом звезда превращается в сверхновую звезду, её излучение увеличивается до нескольких млрд. светимостей Солнца, а затем постепенно, в течение ряда месяцев угасает.
Перспектива эволюции Солнца. вещество в недрах Солнца перемешивается лишь в конвективной оболочке. В ядре никакого перемешивания не происходит, и продукты термоядерных реакций (выгорание водорода с превращением в гелий) накапливаются в тех местах, где они образуются. Вопрос этот тесно связан с проблемой дефицита солнечных нейтрино — одной из важнейших проблем астрофизики двух последних десятилетий. Дело в том, что наблюдаемый в земных нейтринных детекторах поток энергичных нейтрино от Солнца (из-за слабого взаимодействия с веществом они беспрепятственно проникают сквозь солнечную толщу и достигают Земли) втрое меньше, чем предсказывают стандартные солнечные модели. И хотя не исключено, что секрет тут в недостаточной изученности самих нейтрино как элементарных частиц, одно из возможных решений проблемы может быть связано с перемешиванием вещества в солнечном ядре. Генерация нейтрино исключительно чувствительна к температуре. Если какой-либо процесс приводит к перемешиванию вещества, то в область термоядерного горения дополнительно приносится свежий водород, и тогда для генерации той же самой энергии требуется меньшая температура, а это резко снижает поток нейтрино. Будущие сейсмические исследования солнечного ядра несомненно прольют свет на решение этой интереснейшей проблемы, выходящей далеко за рамки физики Солнца.
Систематические наблюдения солнечных осцилляции ведутся уже на протяжении десятилетия. Имея столь представительный ряд наблюдений, ученые заинтересовались вопросом, не происходит ли каких-либо изменений частот колебаний в течение 11-летнего солнечного цикла, которые позволили бы выявить структурные деформации в недрах Солнца, сопровождающие этот цикл. Высокоточные наблюдения последних лет со всей очевидностью показали, что изменения частот действительно происходят. Возможные их причины и механизмы сейчас исследуются. Предварительный анализ, выполненный методом обратной задачи, показывает: изменения в строении Солнца, ответственные за изменения частот колебаний, происходят главным образом его внешних слоях и на широтах максимальной магнитной активности Солнца. Возможно, что изменения частот обусловлены прямым влиянием магнитного поля на колебания. Но не исключено и косвенное воздействие через изменения температуры, поскольку магнитное поле подавляет конвекцию и влияет на ее эффективность.
Вопрос 9. Как происходило возникновение и эволюция океана и атмосферы? Как менялся их химический состав? Чем отличается земная атмосфера от атмосфер других планет и почему?
Ответ. После своего возникновения приблизительно 4600 млн. лет тому назад наша Земля, по всей вероятности, уже не меняла своей формы. Ее химический состав также остался первоначальным, однако распределение отдельных химических элементов существенно изменилось. Поверхность Земли первоначально была пустынной и не носила следов эрозии.
Первичная атмосфера Земли, возникшая из межзвездного газа, состояла преимущественно из водорода и гелия. Однако гравитация Земли не могла удержать легкие газы и значительная часть их ускользала в межпланетное пространство, а оттуда под действием солнечного ветра эти газы вытеснялись за пределы солнечной системы.
Современная «кислородная» земная атмосфера имеет вторичное происхождение. Она пополнялась и пополняется за счет газов, выделяющихся при жизнедеятельности организмов на поверхности Земли и вулканической деятельности земных недр. Биогенное происхождение имеет практически весь свободный кислород атмосферы.
Видимо, лишь в течение относительно короткого времени Земля оставалась безводной. Ее гидросфера сложилась приблизительно таким же путем, как и атмосфера - сначала в виде водяных паров, которые по мере понижения температуры конденсировались и выпадали в виде осадков. Поскольку Земля находится на довольно-таки выгодном расстоянии от Солнца (в 150 млн. километрах), температура на ее поверхности колеблется в узких пределах, главным образом оставаясь обычно несколько выше 0 . При такой температуре вода на поверхности Земли остается в жидком состоянии, что имело колоссальное значение для всей дальнейшей истории Земли, так как вода является идеальной средой для самых разных химических реакций. Как только на поверхности Земли стали задерживаться водные массы, образуя в местах депрессий сплошные водные бассейны, в эволюции нашей планеты наступил период, известный под названием океанического.
На Земле участились ураганы и грозы невиданной силы. Ливни растворяли все растворимые соли, находившиеся на поверхности Земли, а также вымывали их из горных пород. Образовавшиеся растворы выносились в мировой протоокеан и накапливались там. Таким образом, морская вода стала соленой уже очень рано.
С возникновением гидросферы и атмосферы появились новые силы, активно преобразующие лик Земли и ныне.
Изменение химического состава атмосферы. 1. Первичный состав. .Как только Земля остыла, вокруг неё, из выделенных газов, сформировалась атмосфера. Точное процентное соотношение элементов химического состава первичной атмосферы, к сожалению, определить не представляется возможным, но можно с точностью предположить, что газы, входящие в её состав, были подобны тем, которые теперь выбрасываются вулканами – углекислый газ, водяной пар и азот. «Вулканические газы в виде перегретых паров воды, углекислого газа, азота, водорода, аммиака, кислых дымов, благородных газов и кислорода формировали праатмосферу. В это время накопление кислорода в атмосфере не происходило, поскольку он расходовался на окисление кислых дымов (HCl, SiO), H
2S)».
Существуют две теории происхождения самого важного для жизни химического элемента – кислорода. По мере охлаждения Земли температура упала примерно до 100° C, большая часть водяного пара сконденсировалась и выпала на земную поверхность первым дождем, вследствие, чего образовались реки, моря и океаны – гидросфера. «Водяная оболочка на Земле обеспечила возможность накопления эндогенного кислорода, став его аккумулятором и (при насыщении) поставщиком в атмосферу, к этому времени уже очищенную от воды, углекислоты, кислых дымов, и других газов в результате прошедших ливней».
Другая теория утверждает, что кислород образовался при фотосинтезе в результате жизнедеятельности примитивных клеточных организмов, когда растительные организмы расселились по всей Земле, количество кислорода в атмосфере стало быстро увеличиваться. Однако, многие учёные склонны рассматривать обе версии без взаимного исключения.
2. Нынешний состав. В сегодняшнем химическом составе атмосферы преобладает азот и кислород. Представительство таких элементов как углекислый газ, аргон и других инертных газов очень мало, в общей сложности около 1%, но минимальное изменение их содержания может оказать серьёзное влияние на жизнь нашей планеты.
В отличие от Земли, масса атмосферы других планет сильно изменяется в течение года в связи с таянием и намерзанием полярных шапок, содержащих углекислый газ. Это связано с резкими перепадами температур, в отличие от земли.
Вопрос 10. Какие существуют методы управления химическими процессами? Как можно сместить химическое равновесие и направление реакции?
Ответ. Методы управления химическими процессами подразделяются на:
1. термодинамические (влияют на направление химической реакции, смещение химического равновесия);
2. кинетические (влияют на скорость химической реакции).
Смещение равновесия. Принцип Ле Шателье. Направление смещения химического равновесия при изменении концентрации «реагирующих веществ, температуры и давления (в случае газовых реакций) определяется общим положением, известным под названием принципа подвижного равновесия, или принципа Ле Шателье:
Если на систему, находящуюся в равновесии, производится какое-либо внешнее воздействие (изменяется концентрация, температура, давление), то оно благоприятствует той из двух протиположных реакций, которая ослабляет действие.
2 объема 1 объем
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Концепции современного естествознания. История. Современность. Проблемы. Перспектива (курс лекций). / . – М. ИНФРА-М, 2009.
2. Концепции современного естествознания. Курс лекций. / .- М.: РГТУ, 2007.
3. Концепции современного естествознания. Конспект лекций. / . – СПб.: Питер, 2008.
4. Маров Солнечной системы. / – М.: Наука, 2006.
5. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты. / . – М.: Наука, 2005.
