Концепции современного естествознания

Концепции современного естествознания

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. 3H2+N2<?>2NH3 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.

Страницы: 1, 2