Концепции современного естествознания (работа 1)

21. Принципы неопределенности, дополнительности, тождественности в квантовой механике.

1. Принцип неопределенности (Гейзенберга): Невозможно одновременно установить координату частицы и её импульс. Данный принцип выражает ту неопределенность или неясность, которая существует при любой попытке описания природы. Наиболее точное и полное ее описание может быть только вероятностным.

2. Принцип дополнительности (Бор): Корпускулярная картина описания микрообъектов обязательно должна быть дополнена волновой картиной. Взаимодополняющие картины называются комплиментарными.

3. Принцип тождественности: Все элементарные частицы одного вида во всей вселенной одинаковы.

Квантовая механика позволяет определить лишь вероятность нахождения данной точки пространства одной из тождественных частиц.

23. Модель "горячей" Вселенной и концепция "большого взрыва".

Георгий Гамов создал модель "горячей" Вселенной. По его мнению, Вселенная начиналась при высокой температуре и высоком давлении с колоссального взрыва. Предполагалось, что вся материя Вселенной была сосредоточена в маленьком объекте-точке сингулярности. Условий, таких, какие присутствовали в этой точке, больше нет. Размер точки сингулярности был 10^-12 см, давление составляло 10²³ г/см, а температура была равна 10¹³ Ньютон. Точка сингулярности взорвалась 15-20 млн. лет назад. В момент взрыва образовались все известные элементарные частицы. После взрыва они превращались друг в друга, затем группировались ядра. Через 700 тыс. лет они усовершенствовались, а через 10 млрд. лет начали формироваться звезды, планеты и другие устойчивые материальные объекты. Благодаря тому, что частиц и античастиц было образовано неравное количество. Вселенная получила дальнейшее развитие.

24. Модели эволюции Вселенной.

1. Стационарная модель Эйнштейна. Он считал, что Вселенная искривлена, вечна и неизменна. По представлениям Эйнштейна, Вселенная – это шар, и мы находимся внутри него. По его мнению, Вселенная является устойчивой из-за того, что действуют силы отталкивания.

2. Фридман. Нашел еще два решения. Во-первых, он доказал, что радиус кривизны может изменяться (модель "расширяющейся" Вселенной). Во-вторых, что расширение может сменяться сжатием (модель "пульсирующей" Вселенной).

3.Георгий Гамов создал модель "горячей" Вселенной. По его мнению, Вселенная начиналась при высокой температуре и высоком давлении с колоссального взрыва. Предполагалось, что вся материя Вселенной была сосредоточена в маленьком объекте-точке сингулярности. Условий, таких, какие присутствовали в этой точке, больше нет. Размер точки сингулярности был 10^-12 см, давление составляло 10²³ г/см, а температура была равна 10¹³ К. Точка сингулярности взорвалась 15-20 млн. лет назад. В момент взрыва образовались все известные элементарные частицы. После взрыва они превращались друг в друга, затем группировались ядра. Через 700 тыс. лет они усовершенствовались, а через 10 млрд. лет начали формироваться звезды, планеты и другие устойчивые материальные объекты. Благодаря тому, что частиц и античастиц было образовано неравное количество. Вселенная получила дальнейшее развитие.

4. Эдвин Хаббл. Открыл "разбегание галактик" . По его теории, все галактики удаляются друг от друга. Следовательно, Вселенная расширяется.

31. Учение о составе вещества. Основные законы.

1. Закон постоянства состава вещества. Всякое чистое вещество, независимо от способов получения или нахождения, имеет постоянный количественный и качественный состав (напр., вода – две молекулы водорода и одна - кислорода).

2. Закон сохранения массы. общая масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна общей массе продуктов реакции. Открытый М. В. Ломоносовым (1748), в общем виде сформулирован А. Лавуазье (1789).

3. Закон Авогадро. Согласно этому закону в одинаковых объемах газов при одинаковых значениях температуры и давления содержится одинаковое количество молекул. Исходя из этого, разработал метод определения молекулярного и атомного весов.

22. Свойства и классификация элементарных частиц. Теория кварков.

Классификация ПО МАССЕ: 1. адроны (досл.-"большой, сильный").Самые тяжелые частицы. Адроны состоят из нескольких сотен кварков и делятся на борионы (к ним относятся нейтроны и протоны) и мезоны (средние по массе частицы). 2. лептоны (досл.-"тонкие, легкие"). К ним относятся фотоны и нейтрино. Всего их насчитывается около 12 шт. Исторически первыми экспериментарно обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон.Казалось, что этих частиц и фотона(кванта электромагнитного поля) достаточно для построения известных форм вещества-атомов и молекул. Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее.Было установлено, что каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от неё лишь знаком заряда. Для частиц с нулевым зарядом античастица совпадает с частицей( фотон).По мере развития экспериментарной ядерной физики к этим частицам добавились ещё свыше 300 частиц. Адроны - частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, сущ-т частицы – переносчики взаимодействий.

1)Лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь. Среди лептонов наиболее известен электрон. Другой хорошо известный лептон- нейтрино. Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения.2)Адроны крайне нестабильные частицы. Встречаются в двух разновидностях-электрически заряженные и нейтральные.Наиболее распространены такие адроны, как нейтрон и протон.3)Переносчики взаимодействий – фотоны,глюоны,бозоны,гравитоны.

Кварки - гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять все известные элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях (адроны). Гипотеза о существовании К. была высказана в 1964 независимо американским физиком М. Гелл-Маном и австрийским физиком Г. Цвейгом с целью объяснения закономерностей, установленных для адронов. У названия "кварк" нет точного перевода, оно имеет литературное происхождение (было заимствовано М. Гелл-Маном из романа Дж. Джойса "Поминки по Финегану", где означало нечто неопределённое, мистическое). Такое название для частиц, очевидно, было выбрано потому, что К. необходимо приписать ряд необычных свойств, выделяющих их из всех известных элементарных частиц (например, дробный электрический заряд).

Предположение о существовании К. возникло в связи с открытием большого числа адронов и их успешной систематизацией. Было установлено, что адроны могут быть сгруппированы в некоторые семейства частиц, близких по своим основным характеристикам.

25. Метагалактика и галактики.

В силу того, что единично звезды не существуют, они образуют галактики. Галактики – это атомы Вселенной, галактик насчитывают миллионы. Галактика представляет собой скопление звезд, а метагалактика – все галактические системы.

Классификация галактик: 1 вид – эллиптические - имеют форму дыни или шара, они небольшие. Состоят из пыли, ядра нет. 2 вид – спиральные (наша галактика)– плоский диск, в центре – ядро (скопление звезд), вокруг ядра – рукава в виде спиралей. Рукава состоят из отдельных звезд, между рукавами звезд мало, следовательно, в этих местах образуются пустоты. Такая галактика является четко структурированным объектом. 3 вид – неправильные– клочковатая форма, маленький размер, ядра нет, содержат большое количество пыли.

Все галактики объединяются в группы, единичных галактик мало. Наша галактика (Млечный путь) входит в группу Местных галактик. Она спиральная, имеет ядро, которое скрыто межзвездными облаками. Диаметр нашей галактики составляет около 100 000 световых лет.

Местные галактики: Туманность Андромеды, большое и малое Магеллановы облака и несколько безымянных галактик. В центре нашей галактики находится "черная дыра" (условное обозначение), из которой проистекает водород. Черные дыры являются областями пространства, в которых гравитационное притяжение настолько велико, что ни вещество, ни излучение не могут их покинуть. черная дыра все поглощает, но ничего не выпускает, ; это и стало причиной такого её названия, предложенного в 1968 американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером.

26. Звезды. Эволюция звезд.

Звезды обладают светимостью. Они различаются по размеру, температуре (чем горячее – тем светлее, напр.: белые, голубые), могут образовывать структуры (двойные, тройные – вращаются вокруг на небольшом расстоянии друг от друга). Звездные скопления называются плеядами (стожарами).

Игорь Шкловский. Концепция эволюции звезд.

Сырьем для звезд является межзвездный газ водород, который уплотняется и разогревается, из-за этого, температура в центре достигает 10-12 млн. градусов. Под воздействием подобной температуры осуществляется реакция термоядерного синтеза (одни ядра превращаются в другие). Все скопления вращаются.

Термоядерная реакция: водород под воздействием температуры превращается в гелий; выделяется колоссальная энергия; звезда вспыхивает и начинает светить; температура звезды повышается и водород выгорает, температура внутри составляет 150 млн. градусов; происходит гелиевая вспышка; начинается увеличение вещества звезды; внешние слои звезды остывают и звезда становится красной (стадия "красного гиганта"), далее гелий превращается в углерод; температура растет – звезда становится плотнее; если энергии синтеза не хватает, то звезда постепенно умирает .После того, как звезда становится плотнее, она начинает сжиматься и остывать (стадия "белого карлика"), затем гаснет (стадия "черного карлика"), труп погасшей звезды состоит из железа.

Если масса звезды больше, чем полторы массы Солнца, то наступает коллапс: все вещество звезды обрушивается вовнутрь, происходит взрыв сверхновой звезды и возникает жесткое излучение ("черная дыра").

Если масса звезды меньше, чем полторы массы Солнца, то такая звезда умирает (гаснет).

Жесткое излучение при взрыве сверхновой звезды вблизи Земли может повлиять на жизнь Земли (по одной из версий, динозавры погибли из-за подобного взрыва).

Черные дыры-это объект колоссальной массы. Она поглощает все. Черная дыра является искривленной областью пространства, из нее не может проникать свет, она нематериальна. Черная дыра втягивает в свое пространство абсолютно все, но наружу не выпускает. Возможно, она является туннелем в другие пространства и области. Черная дыра возникает при взрыве сверхновой звезды.

27. Характеристика Солнца как звезды.

Солнце – заурядная звезда, таких существует сотни миллиардов. Возраст Солнца составляет около 5 млрд. лет. Оно образовалось после возникновения нашей планеты. Температура внутри Солнца составляет 15 млн. градусов, на поверхности она равна 6 млн. градусов. Радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли. Масса Солнца в 330 000 раз тяжелее Земли. Солнце состоит из смеси гелия и водорода (в составе плазмы). Плотность Солнца приближена к плотности воды. Слои солнечной атмосферы Фотосфера (нижний слой), хромосфера (над фотосферой), солнечная корона (расположена вокруг Солнца и видна в момент солнечного затмения). Солнце обладает магнитным полем. Каждые 11-12 лет активность Солнца увеличивается и за счет этого происходят вспышки на Солнце (выплеск энергии). В такой период вспышек может быть до 10 за сутки. Протуберанцы – это выброс солнечного вещества далеко в пространство. Из-за них масса Солнца уменьшается. Протуберанцы представляют собой громадные, протяженностью до сотен тысяч километров, плазменные образования в солнечной короне, имеющие большую плотность и меньшую температуру, чем окружающая их плазма короны. На диске Солнца наблюдаются в виде темных волокон, а на его краю — в виде светящихся облаков, арок или струй. Солнечные пятна - это образования в фотосфере Солнца, развиваются из пор, могут достигать 200 тыс. км в поперечнике, существуют в среднем 10-20 суток. Температура в солнечных пятнах ниже температуры фотосферы на 1-2 тыс. К, вследствие чего они в 2-5 раз темнее фотосферы. Для солнечных пятен характерны сильные магнитные поля. Солнечные пятна перемещаются по диску. Солнце вращается медленнее Земли, поэтому на полюсах оно вращается быстрее, чем на экваторе.

28. Происхождение и строение Солнечной системы.

Солнечная система - это система космических тел, включающая, помимо центрального светила — Солнца — девять больших планет, обращающихся вокруг него, их спутники, множество малых планет, кометы, мелкие метеорные тела и космическую пыль, движущиеся в области преобладающего гравитационного действия Солнца. Образовалась Солнечная система около 4,6 млрд. лет назад из холодного газопылевого облака.

Космогоническая гипотеза – теория образования тел Солнечной системы в результате конденсации околосолнечного газово-пылевого облака.

Строение СС: большие планеты, движущиеся вокруг Солнца, образуют плоскую подсистему и разделяются на две заметно различающиеся группы. В одну из них, внутреннюю (или земную), входят Меркурий , Венера , Земля и Марс (эти планеты находятся ближе к Солнцу). К внешней группе, которую составляют планеты-гиганты, относятся Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун (эти планеты похожи на Солнце). Девятую планету, Плутон (это захваченное гравитацией тело), обычно рассматривают обособленно, так как по своим физическим характеристикам она заметно отличается от планет внешней группы. Плутон – самая дальняя от Солнца планета, маленькая, плотная, имеет другую орбиту – она вытянутая и лежит под углом, отсюда следует, что Плутон образовался не одновременно с планетами земной группы, а был захвачен. Все планеты Солнечной системы, помимо того, что они, подчиняясь притяжению Солнца, вращаются вокруг него, имеют и собственное вращение.

Между орбитами Земли и Юпитера движется несколько тысяч малых планет, или астероидов. Своеобразную группу малых тел образуют кометы. По размерам, форме и виду траекторий они значительно отличаются от больших планет и их спутников. Эти тела малы только по массе. "Хвост" крупной кометы по объему превосходит Солнце, в то время как масса может составлять лишь несколько тысяч тонн. Практически вся масса кометы сосредоточена в ее ядре, имеющем, по всей вероятности, размеры небольшого астероида. Ядро кометы состоит преимущественно из замерзших газов — метана, аммиака, водяного пара и углекислого газа — с вкраплениями метеорных частиц (из грязи и льда). Кометы появляются раз в 10-100 лет.

33. Учение о химических процессах. Катализ.

Химический технологический процесс – это получение нужного продукта в специально созданных условиях (19 в).

Методы управления химическими процессами: 1гр. Термодинамические методы. Они связаны с подбором температуры и давления процесса (температура и давление – это термодинамические процессы) Например, синтез аммиака. 3H_>2>+N_>2><―>2NH_>3> необходимо сместить равновесие с помощью небольшой температуры и высоким давлением, чтобы продукт не превратился обратно в сырье. 2 гр. Кинестетические методы. Основаны на подборе катализаторов. Катализатор – это вещество, которое участвует в реакции, образуя промежуточные комплексы с реагентами, но не расходуется в реакции, а выделяется в прежнем виде после образования продукта. Катализаторы ускоряют реакцию, но они не могут смещать равновесие. Природным катализатором является хлорофилл (катализирует фотосинтез). Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами. Биологические катализаторы называются ферментами.

29. Строение и географические оболочки Земли.

Земля считается круглой, т.к. отбрасывает круглую тень на Луну. Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики, этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а собственное ее вращение —смену дня и ночи. Вращение Земли из-за приливных воздействий неуклонно, хотя и очень медленно замедляется. Площадь поверхности Земли распределяется следующим образом: 70,8% приходится на Мировой океан, суша составляет 29,2% и образует шесть материков и острова. Горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают около 20% поверхности суши, саванны и редколесья —около 20%, леса —около 30%, ледники —свыше 10%. Свыше 10% суши занято под сельскохозяйственными угодьями. Строение. Землю условно разделяют на три области: кору, мантию и ядро (в центре). Внешний слой —кора —имеет среднюю толщину порядка 35 км. Основные типы земной коры —континентальный (материковый) и океанический; в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного типа. Толщина коры меняется в довольно широких пределах: океаническая кора (с учетом слоя воды) имеет толщину порядка 10 км, и состоит из базальта и осадочных пород. Толщина материковой коры в десятки раз больше. Она состоит из слоя базальта, гранита и осадочных пород. На глубину примерно от 35 до 2885 км простирается мантия Земли, которую называют также силикатной оболочкой (кремний+кислород). По составу напоминает метеоритное вещество. Верхняя часть мантии – вязкая, называется астеносферой (слой пониженной твердости, прочности и вязкости в верхней мантии Земли, подстилающий литосферу). Плотности в мантии увеличиваются по мере возрастания глубины. В коре и (частично) в мантии располагаются обширные литосферные плиты. Их вековые перемещения не только определяют дрейф континентов, заметно влияющий на облик Земли, но имеют отношение и к расположению сейсмических зон на планете. Внешнее ядро является жидким, по современным представлениям, оно состоит из серы и железа. На глубинах свыше 5120 км сейсмические методы обнаруживают наличие твердого внутреннего ядра, предположительно, это железо-никелевый сплав. В твердом ядре также существуют электрические кольцевые токи, которые образуют электрическое поле. Географические оболочки (внешние). Гидросфера – совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова.

Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему.Атмосфера - воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею. Состав ее у поверхности Земли: 78,1% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. В нижних 20 км содержится водный пар, количество которого с высотой быстро убывает. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул разлагается на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают. В зависимости от распределения температуры атмосферу Земли подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Атмосфера Земли обладает электрическим полем. Неравномерность ее нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли. Стратосфера - слой атмосферы, лежащий над тропосферой от 8-10 км в высоких широтах и от 16-18 км вблизи экватора до 50-55 км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой от -40 °С (-80 °С) до температур, близких к 0 °С , ничтожным содержанием водного пара, повышенным по сравнению с ниже- и вышележащими слоями содержанием озона. Здесь формируются полярное сияние, перистые облака. На высоте 20-25 км расположен слой озона, который предохраняет живые организмы на Земле от вредного ультрафиолетового излучения. УФ-лучи проходят через озоновый слой, под таким воздействием озоновый слой разрушается и смертельные УФ лучи не проникают на Землю. Тропосфера - нижний, основной слой атмосферы до высоты 8-18 км в тропических широтах. В тропосфере сосредоточено более ¹/_>5 >всей массы атмосферного воздуха, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, зарождаются и развиваются тайфуны, грозы, формируется климат и погода, циклоны и антициклоны. Мезосфера - слой атмосферы на высоте от 50 до 80-85 км, находящийся над стратосферой. Характеризуется понижением температуры с высотой приблизительно от 0 °С на нижней границе до — 90 °С на верхней. Ионосфера - верхние слои атмосферы, начиная от 50-80 км до 800 км характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов. Верхняя граница ионосферы — внешняя часть магнитосферы Земли. Причина повышения ионизации воздуха в ионосфере — разложение молекул атмосферы газов под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения. Ионосфера оказывает большое влияние на распространение радиоволн. За счет этого, на Земле существуют все виды связи. Экзосфера - (сфера рассеяния), внешний слой атмосферы, начинающийся с высоты в несколько сотен км, из которого быстро движущиеся легкие атомы водорода могут вылетать в космическое пространство.

30. Геохимия Земли. Теория тектоники плит и дрейфа континентов.

Геохимия - наука, изучающая химический состав Земли, распространенность в ней химических элементов и их стабильных изотопов, закономерности распределения химических элементов в различных геосферах, законы поведения, сочетания концентрации и рассеяния элементов в природных процессах. Геохимия — одна из теоретических основ поисков полезных ископаемых. Теория тектоники плит: Земля расколота примерно на 15 литосферных плит, которые перемещаются по поверхности Земли на несколько см в год. Литосферная плита масштабнее континента.

Еще в XVII веке удивительное совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило некоторых ученых на мысль о том, что континенты "гуляют" по планете. Но только три века спустя, в 1912 году, немецкий метеоролог Альфред Лотар Вегенер подробно изложил свою гипотезу континентального дрейфа, согласно которой относительное положение континентов менялось на протяжении истории Земли.

Одновременно он выдвинул множество аргументов в пользу того, что в далеком прошлом континенты были собраны вместе. Помимо сходства береговых линий им были обнаружены соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах. Профессор Вегенер активно отстаивал идею о существовании в прошлом единого суперконтинента Пангея, его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны. Но эта необычная теория не была воспринята всерьез, потому что с точки зрения того времени казалось совершенно непостижимым, чтобы гигантские континенты могли самостоятельно перемещаться по планете. К тому же сам Вегенер не смог предоставить подходящий "механизм", способный двигать континенты. Возрождение идей этого ученого произошло в результате исследований дна океанов. Тектоника плит — это основной процесс, который в значительной степени формирует облик Земли.
Слово "тектоника" происходит от греческого "тектон" — "строитель", плитами же в тектонике называют куски литосферы. Согласно этой теории литосфера Земли образована гигантскими плитами, которые придают нашей планете мозаичную структуру. По поверхности Земли движутся не континенты, а литосферные плиты. Медленно передвигаясь, они увлекают за собой континенты и океаническое дно. Плиты сталкиваются друг с другом, выдавливая земную твердь в виде горных хребтов и горных систем, или продавливаются вглубь, создавая сверхглубокие впадины в океане. Если, в результате расхождения литосферных плит возникает разлом земной коры, то он заполняется магмой, или создает сверхглубокие впадины в океане Их могучая деятельность прерывается лишь краткими катастрофическими событиями — землетрясениями и извержениями вулканов. Почти вся геологическая активность сосредоточена вдоль границ плит.

То, что плиты перемещаются, вполне доказано (с помощью спутников можно точно измерить изменение расстояния между двумя точками на разных плитах и определить скорость их перемещения), но механизм их движения все еще до конца неизвестен. Существующая теория объясняет движение плит тем, что возникающие в толще мантии горячие зоны выбрасывают к поверхности нагретое подвижное вещество — плюмы, которые своим напором заставляют континенты смещаться. Тектоническая карта мира с нанесенными границами плит — своеобразная гигантская мозаика, все составляющие элементы которой находятся в движении, а очертания плит хоть и медленно, но неуклонно изменяются.

32. Структурная химия. Теория Бутлерова.

В основе структурной химии лежит химическая атомистика Дж. Дальтона, согласно которой любой химический индивид стоит из совокупности молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом. Более конкретные представления о структуре молекул содержатся в теории Берцелиуса, который пытался ответить на вопрос: существует ли какая-либо упорядоченность в объединении атомов в молекуле или они объединяются произвольно. И. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы химических элементов обладают различной электроотрицательностью в зависимости места, которое они занимают в ряду элементов с убывающей электроотрицательностью. Атом каждого элемента несет два заряда: положительный и отрицательный, но в зависимости от места в ряду один из зарядов больше. Объединение атомов в молекулу приводит к частичной нейтрализации зарядов.

Полная нейтрализация невозможна из-за неравенства зарядов. Поэтому молекулы каждого соединения обладают также избыточным зарядом и склонны к образованию более сложных молекул в виде комплексов.

Таким образом, по Берцелиусу, молекула представляет собой объединение двух разноименно заряженных атомов или атомных групп-радикалов. В этом заключается содержание понятия ”структура" по Берцелиусу.

Французский химик Ш. Жерар (1816-1856) показал, чтоструктурные представления Берцелиуса соответствуют действительности только в ряде случаев. Молекула является единой неделимой и унитарной системой, в которой все атомы всех элементов взаимодействуют — взаимно преобразуются, в этом сущность "структуры" по Жерару.

Комбинируя атомы разных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соедине­ния.

Таким образом можно создавать схему синтеза любого хими­ческого соединения, в том числе и неизвестного. Однако в неко­торых случаях, хотя формульная схема составлена правильно, химическая реакция может не осуществиться. Поэтому нужно учитывать не только методику составления формул, но и хими­ческую активность реагентов, которая лежит в основе теории химического строения Бутлерова.

Крупным шагом в развитии представлений о строении моле­кул явилась теория химического строения, выдвинутая в 1861 г. выдающимся русским химиком А. М. Бутлеровым.

Основу теории, разработан­ной А. М. Бутлеровым, составляют следующие положения:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валент­ностью.

3. Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от их "химического строения", т. е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой. Теория химического строения Бутлерова сочетается с широкими теоретическими обобщениями и научным предвидением. Бутлеров был убежден в возможности выразить формулами строения молекул химических соединений и притом сделать это путем изучения их химических превращений.

В 30-е годы нашего века теория Бутлерова нашла физическое квантово-механическое обоснова­ние. Согласно современным представлениям структура молекул — это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

Структурная химия охватывает и неорганические материалы. В структурной неорганической химии можно выделить два перспективных направления:

синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными, оптическими и другими свойствами.

Исследования последнего времени направлены на разработку эффективных технологий синтеза не только органических, но и неорганических материалов.

Изомеры – это соединения, которые состоят из одних и тех же веществ, но с разными свойствами.

Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое строение и разный вес.

35. Системный подход. Свойства и структура систем.

Системный подход – путь анализа сложных проблем, в которых проблема рассматривается как система с большим числом внутренних связей, связанная с другими сопутствующими проблемами внешних связей. Такой подход позволяет не только быстро предложить ряд решений, но и выбрать из них оптимальное (например, решение экологических проблем). Системный анализ – это совокупность методов и процедур, направленных на решение сложных комплексных проблем.

Система – это совокупность объектов, объединенных внутренними связями и образующих качественно новое целое и взаимодействующее с внешней средой посредством внешних связей. Система состоит из объектов, названных элементами. Элемент – это наименьшая единица системы. Элементы объединяются в подсистемы. Подсистема – это часть системы, которая обладает определенной автономностью, но в то же время подчиняется системе и управляется ею. Примером системы может служить человек. Связи в системе. 1 тип – связи по горизонтали – связи координации между однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер (когда ни одна часть системы не может измениться без других частей, т.е. корреляция – это взаимозависимость). 2 тип – связи по вертикали (связи субординации, иерархичные связи). Иерархичность – это включение систем нижних уровней в системы более высоких уровней. Системные свойства. Эмерджентность (дословно "возникающие") – это проявление у системы новых свойств, которых нет у составляющих систему элементов и подсистем. Стационарность (стабильность) - неизменность параметров системы во времени под действием внешних факторов. Устойчивость системы – это способность системы возвращаться в исходное состояние после выхода из этого состояния под действием внешних факторов. Пластичность – это способность системы возвращаться в исходное состояние после прекращения действия внешнего фактора. Необходимое разнообразие элементов означает, что система не может состоять из одинаковых элементов. Инерционность – это способность системы пассивно сопротивляться внешним воздействиям, т.е., система не может мгновенно измениться под действием внешних факторов. Классификация систем. Системы бывают открытые, закрытые и изолированные. Открытой является система, которая имеет активные двусторонние связи с внешней средой. Закрытой называется система, если связи являются односторонними, направленными внутрь системы и система не дает отклика на внешние воздействия. Изолированными являются системы при полном отсутствии связей с внешней средой. Типы систем. Системы бывают материальные (из материальных объектов, объективные, т.е. не зависят от ученых) и идеальные (они создаются для изучения материальных систем). Иначе идеальные системы называются концептуальными (научно-теоретическими). Системы бывают определенные и вероятностные. Определенные системы (или детерминистские). Поведение таких систем можно точно и однозначно предсказать. Поведение в вероятностной системе носит вероятностный характер.

38. Термодинамика. Первый, второй, третий законы термодинамики.

Термодинамика – это наука о тепловых явлениях, которая исследует физические процессы, происходящие при преобразовании тепловой энергии.

Первый закон термодинамики: энергия не возникает из ничего и не исчезает в никуда, она лишь может превращаться. Это одно из основных положений термодинамики, являющееся по существу законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам. Было сформулировано в нач. 19 века.

Второй закон термодинамики: невозможен самопроизвольный переход теплоты от тела более холодного к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде.

Третий закон термодинамики: нельзя охладить тело до абсолютного нуля (энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной).

Энтропия – это необратимость реакции (например, при сжигании угля в топке паровоза, выделяется дым, обратить дым в уголь невозможно). Энтропия – это функция, составляющая систему, которая характеризует степень беспорядка в системе.

40. Концепция самоорганизации. Синергетика.

Синергетика - это наука о самоорганизации сложных открытых систем. Самоорганизация - процесс формирования в системе все более сложных и сложных подсистем. Этот процесс естественен. Этот процесс вызван не специфическим воздействием извне. Другими словами, самоорганизация в общем понимании - это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития; в узком понимании - это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. В самоорганизации всегда возникает нечто новое, чего раньше не было. Самоорганизация - это междисциплинарная область знания, ведущий принцип всего современного естествознания, применение ко многим предметам, наукам.

В процессе усложнения систем различают два взаимодополняющих механизма: объединение частей и разделение (фракционирование) систем. Механизмы, основанные на этих двух принципах, обнаруживаются на всех уровнях сложности и упорядоченности, начиная с макромира и заканчивая крупномасштабными структурами Вселенной. На разных уровнях сложности системы в основе лежат силы, казалось бы, разной природы, но, в конечном счете все они сводятся к четырем фундаментальным взаимодействиям.

Другая сторона явления самоорганизации - информативность, способность системы любого уровня создавать, накапливать, хранить и использовать информацию, в том числе и о направлении своего развития.

Примеры самоорганизации: торнадо, химические часы, биологические процессы (эволюция), социальные системы (общество), формирование человеческой психики на протяжении жизни.

Необходимые условия самоорганизации:

Открытость системы (взаимодействие с другими системами, с окружающей средой): обмен энергией, обмен веществом, обмен информацией при деградации.

Формирование циклических процессов.

Принцип колыбели. Самоорганизация не происходит везде, а лишь в отдельных, особо сложных частях. Система должна быть погружена в другую систему, более большую ( как бы в колыбели). Нет равноправия. Характер самоорганизации - глобальность деградации и локальность самоорганизации.

Достаточно длительный срок. Системе проще ничего не делать, чем что-то делать. Система обычно находится в состоянии динамического равновесия, т.е. проходят какие-то процессы в системе, но в общем она не изменяется.

Система должна быть достаточно далека от состояния термодинамического равновесия. Иначе больше вероятность деградации, чем самоорганизации.

Уровни самоорганизации в природе:

Космологический - происхождение вещества из вакуума, появление барионной ассиметрии, разделение различных типов фундаментальных взаимодейтсвий, формирование протонов и нейтронов, формирование атомов водорода и гелия, первичный нуклеосинтез, разделение атомов вещеста и электромагнитного излучения.

Астрофизический - формирование галактик, звезд и планетных систем, звездный нуклеосинтез, образование в космосе простейших молекул вплоть до органических.

Геофизический - формирование и эволюция литосферы, гидросферы и атмосферы Земли как благоприятного резервуара для появления сложных органических молекул.

Химический и биохимический - химическая и биохимическая эволюция молекул и молекулярных агрегатов.

Биологический - биологическая эволюция от появления первых клеток до высших животных и человека, формирование и развитие общего в биосфере.

Социальный - социальная эволюция как историческое развитие различных форм человеческих сообществ от первобытных племен до современной всемирной цивилизации.

Психический и интеллектуальный - психическая и интеллектуальная эволюция от появления языка и письменности, мифологии ирелигии до современного состояния единой мировой науки; попытки формирования ноосферы.

Система обязательно когда-нибудь находится в состоянии кризиса, когда любая маленькая деталь может привести к непредсказуемым последствиям, гибели системы. Теория катастроф с математической точки зрения. Катастрофа - это когда при малом взаимодействии система уходит от прежнего динамического состояния и переходит в новое состояние. Система должна пережить катастрофу, чтобы самоорганизоваться.

Бифуркация - разветвление траектории движения тела или дальнейшего пути развития системы в некоторый момент времени. Если предсказание самоорганизации и возможно, то лишь ограниченно, локально, т.к. состояние катастрофы непредсказуемо - бифуркация : либо система "выздоравливает", либо "умирает".

37. Развитие представлений о природе теплоты. Вещественная и кинетическая теории теплоты.

Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдае­мые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Та­кие явления называются тепловыми. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. От температуры окружающей среды зави­сит возможность жизни на Земле. Люди добились относитель­ной независимости от окружающей среды после того как научи­лись добывать и поддерживать огонь. Многие философы древности рассматривали огонь и связан­ную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предприни­мались попытки связать теплоту с движением, так как было за­мечено, что при соударении тел или трении друг о друга они нагреваются.

Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр, и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.

Вновь был поставлен вопрос о том, что же такое теплота. На­метились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них — вещественной теории тепла, теплота рассматривалась как особого рода невесомая "жидкость", способная перетекать из од­ного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.

Согласно другой точке зрения, теплота — это вид внутрен­него движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура.

Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойст­вах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках таких представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной, от слова "корпускула" (частица). Ее придерживались ученые: Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сде­лал великий русский ученый М.В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помо­щью своей теории он объяснил в общем процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о су­ществовании "наибольшей или последней степени холода", ко­гда движение частичек вещества прекращается. Благодаря рабо­там Ломоносова среди русских ученых было очень мало сторон­ников вещественной теории теплоты.

Но все же, несмотря на многие преимущества корпускуляр­ной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того как экс­периментально было доказано сохранение теплоты при теплооб­мене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости — теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и сейчас.

С помощью корпускулярной теории теплоты не удалось по­лучить столь важные для физики количественные связи между величинами. В частности, не удалось объяснить, почему теплота сохраняется при теплообмене. В те времена не была ясна связь между механической характеристикой движения частиц — их кинетической энергией и температурой тела. Понятие энергии еще не было введено в физику. Поэтому, вероятно, на основе корпускулярной теории не могли быть достигнуты в XVIII в. те немалые успехи в развитии теории тепловых явлений, какие да­ла простая и наглядная теория теплорода.

К концу XVIII в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться со все большими трудностями и к середине XIX в. потерпела полное и окончательное поражение. Большим числом разнообразных опытов было показано, что "тепловой жидкости" не существует. При трении можно получить любое количество теплоты: тем больше, чем более длительное время совершается операция трения. С другой стороны, при совер­шении работы паровыми машинами пар охлаждается и теплота исчезает.

В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество те­плоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой "жидкости", а с увеличением его энергии. Принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энер­гии. Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии.

18. Развитие представлений о природе света

Основные законы логики известны еще с древних веков. Так, Платон (430 г. до н.э.) установил законы прямолинейного распространения и отражения света, Аристотель (350 г. до н.э.) и его ученики изучали преломление света.

Первые представления о природе света возникли у древних греков и римлян. В дальнейшем, по .мере изобретения и усовершенствования различных оптических инструментов, эти представления развивались и трансформировались. Скорость света была определена только в 1676 г. Оларфом Ремером из наблюдений затмений спутников Юпитера (с=3*10⁸ см/с). В конце XVII в. на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и континуальная, т.е. волновая (Р.Гук и Х-Гюйгенс).

Согласно корпускулярной теории (теории истечения), свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами и летящих по прямолинейным траекториям.

Движение световых корпускул Ньютон подчинил сформулированным им законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика при ударе о плоскость, где также соблюдались законы равенства углов падения и отражения. Преломление света Ньютон объяснял притяжением корпускул преломляющей средой, в результате чего скорость корпускул меняется при переходе из одной среды в другую. Из теории Ньютона следовало, что скорость распространения света в среде должна быть всегда больше скорости его распространения в вакууме.

Согласно волновой теории, развитой на основе аналогии оптических и акустических явлений, свет представляет собой упругую волну, распространяющуюся в особой среде - эфире. Эфир заполняет все мировое пространство, пронизывает все тела и обладает механическими свойствами - упругостью и плотностью. Согласно Гюйгенсу, большая скорость распространения света обусловлена особыми свойствами эфира.

Волновая теория основывается на принципе Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн. Результирующая волна, распространяющаяся дальше, возникает вследствие наложения и интерференции всех волн от этих вторичных элементарных источников.

Волновая теория приводит к выводу, отличному от вывода теории Ньютона. По теории Гюйгенса скорость распространения света в среде должна быть всегда меньше скорости его распространения в вакууме. Наука о свете накапливала экспериментальные данные, свидетельствующие о взаимосвязи световых, электрических и магнитных явлений. Максвелл в 70-х годах прошлого столетия выдвинул электромагнитную теорию света, согласно которой свет представляет собой электромагнитные волны.

В конце XIX в. Лоренцем была предложена электронная теория света, согласно которой диэлектрическая проницаемость зависит от длины волны падающего света. Теория Лоренца ввела представление об электронах, колеблющихся внутри атома, и позволила объяснить явления испускания и поглощения света веществом.

Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только “упругий эфир” был заменен “эфиром электромагнитным” (теория Максвелла), или “неподвижным эфиром” (теория Лоренца), и поэтому их применение встретило ряд затруднений.

В 1900 г. немецкий физик М.Планк выдвинул гипотезу, согласно которой изучение электромагнитного поля происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой.

В 1905 г. А. Эйнштейн, исследуя проблемы фотоэффекта, распространил идею квантирования также и на поглощение веществом энергии излучения светового потока. Напомним, что внешний фотоэффект состоит в вырывании электронов с поверхности металла под действием света. Согласно Эйнштейну, при облучении вещества световым потоком электроны вещества поглощают энергию света порциями. Позднее им было введено понятие "световых квантов" – фотонов.

Фотон, являясь квантом электромагнитного поля, существует только в движении со скоростью света. У фотона нет массы покоя.

Квантовое представление о свете хорошо согласуется с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия света с веществом. Дальнейший путь развития теории привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно - волновой природе света.

8. Донаучное бытовое и мифологическое познание.

На начальных стадиях познания (мифология, натурфилософия) оба этих вида наук и культур не разделялись. Однако постепенно каждая из них разрабатывала свои принципы и подходы. Разделению этих культур способствовали и разные цели: естественные науки стремились изучить природу и покорить ее; гуманитарные своей целью ставили изучение человека и его мира. Считается, что методы естественных и гуманитарных наук также преимущественно различны: рациональный в естественных и эмоциональный (интуитивный, образный) в гуманитарных. Справедливости ради надо заметить, что резкой границы здесь нет, поскольку элементы интуиции, образного мышления являются неотъемлемыми элементами естественнонаучного постижения мира, а в гуманитарных науках, особенно в таких как история, экономика, социология, нельзя обойтись без рационального, логического метода. В античную эпоху преобладало единое, нерасчлененное знание о мире (натурфилософия). Не существовало проблемы разделения естественных и гуманитарных наук и в эпоху средневековья (хотя в то время уже начался процесс дифференциации научного знания, выделение самостоятельных наук). Тем не менее, для средневекового человека Природа представляла собой мир вещей, за которыми надо стремиться видеть символы Бога, т.е. познание мира было прежде всего познанием божественной мудрости. Познание было направлено не столько на выявление объективных свойств явлений окружающего мира, сколько на осмысление их символических значений, т.е. их отношения к божеству [2].