KCE_L_06

ми точками возрастает, но ни одну них нельзя назвать центром расшире-

ния. Несмотря на то, что	открытие Э. Хаббла блестяще подтвердило пред-
сказания А.А. Фридмана	(он умер в 1925 г.), работы последнего долгое

время оставались неизвестными научному миру.

Открытие Хаббла, естественно, поставило следующий вопрос: будет ли Вселенная расширяться вечно или в какой-то момент начнется сжатие? Не следует забывать , что расширение осуществляется, несмотря на закон Всемирного тяготения. Именно эти соображения привели американского ученого Г.А. (Дж.) Гамова (русского по происхождению, он учился вмес-

те	с А. А. Фридманом, работал под руководством академика А.Ф. Иоффе
и	покинул	СССР	в	1933 г) к идеям	«горячей	Вселенной»,
сингулярной точки и				Большого взрыва.	Согласно этой		гипотезе,
примерно 10 - 18 млрд. лет назад существовала субстанция						(ее назвали
сингулярной		точ-	кой),	имеющая бесконечную плотность			при

бесконечной кривизне пространства. В момент Большого взрыва каждая частица этой субстанции начала удаляться от другой, что сопровождалось очень высокими температурами в миллионы К. В таких условиях могла существовать только смесь кварков и элементарных частиц, т.е. сгусток плазмы. Далее, при снижении температуры могли образоваться ядра, а затем первые атомы, Это были атомы водорода (самого простого - один протон и один электрон - и самого распространенного химического элемента во Вселенной, являющегося основной составляющей звезд).

Г.А. Гамов предсказал, что если гипотеза Большого взрыва верна, то должно сохраниться остаточное тепловое излучение, температура которо-

го соответствует примерно 6 К. Через десять лет, в 1965 г. это излучение,
названное «реликтовым»,	идущее со всех направлений Вселенной
с одинаковой интенсивностью, было		обнаружено американскими
астрономами А. Пензиасом	и В.	Вильсоном. Гипотеза Большого

взрыва была подтверждена экспериментально. А. Эйнштейн

приветствовал появление теории Большого взрыва							и добавил,			что в этот
момент родилось нетольковещество, но также пространство и время
Космическиеобъекты.
Эти		объекты	делятся	на	излучающие			свет	-	звезды,
светимость		которых	обусловлена		термоядерной			реакций		перехода
водорода	в	гелий,	и не излучающие свет -				планеты,		метеориты,
космическая пыль и кометы, которые					светятся отраженным солнечным
светом.	К особым космическим объектам относятся							«черные дыры»,
имеющие такую большую массу,				что	для	преодоления ее			гравитации
необходимо		развить	скорость,	большую		скорости света,				что, как
известно, невозможно			(результаты
				3 1

опыта Майкельсона). Поэтому черные дыры	ничего не излучают и не
отражают, а только поглощают любые сигналы.	Астрономы обнаружили

характерное рентгеновское излучение от окружающего предполагаемые черные дыры плазменного диска. Есть предположение о том, что 90 % массы всей Вселенной находится в черных дырах, а поскольку, согласно формуле Эйнштейна, масса пропорциональна энергии, черные дыры

– это огромный энергетический запас Вселенной.

Скопления звезд называются галактиками. Наша галактика называется «Млечный путь» и состоит из ядра с максимальной плотностью звездноговещества и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – примерно 100 тыс. световых лет (световой год – это расстояние, которое свет проходит за промежуток времени, равный одному земному году). Если можно

применить к галактике понятие «вид	сбоку», то в	этом плане она
представляет собой гигантский диск	толщиной	примерно	1500

световых лет. На расстоянии примерно двух третей от центра галактики находится Солнечная система.

Первый внегалактический объект был открыт Э. Хабблом в 20тых годах ХХ века и назван «туманностью Андромеды». Позже были открыты тысячи других галактик, и Э. Хаббл предложил их классификацию.

В

1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью, в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньше их. Была выдвинута гипотеза, что квазары – это ядра новых галактик, а это значит, чтопроцесс образования новых звезд продолжается и поныне.

Солнечнаясистема.

Солнечная система состоит из Солнца и девяти планет, а также мно-

жества	астероидов, метеоритов и космической пыли. Солнце -						звезда сред-
ней величины, ее возраст –			примерно	5,5	млрд.	лет,	температура
на поверхностиСолнца		- около6000 К.
Существуют две		гипотезы образования			планет Солнечной системы
– « горячая» и «холодная».			Суть горячей гипотезы			в том, что		планеты
– это	оторвавшиеся	кусочки Солнца. Согласно холодной						гипотезе,
планеты образовались		из	газо -	пылевых облаков				(понятие

«холодная» - относительно : температура на первозданной Земле оценивается примерно1000 К ). Вторую гипотезу астрономы считают более аргументированной. Пер-

вые четыре ближайшие к Солнцу планеты - Меркурий, Венера, Земля, Марс – это планеты земной группы. Они твердые, имеют сравнительно небольшую массу и магнитное поле. Следующие четыре планеты – это планеты – гиганты : Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Их массы гораздо

3 2

больше массы Земли, и состоят они из затвердевших при низких температурах газов. Все 8 планет движутся в единой плоскости, в одном направлении по эллиптическим орбитам. Последняя планета – Плутон – небольшая по массе и размерам, твердая и движется в другой плоскости. Радиус Солнечной системы, т.е. расстояние от Солнца до Плутона,

составляет	5,5 световых часов.
Таким	образом,	к середине	ХХ	века был экспериментально
доказан и теоретически		обоснован	факт расширения		Вселенной. Это
было одним из выдающихся открытий				в астрономии	ХХ века.

Была также высказана и обоснована гипотеза Большого взрыва – основы рождения Вселенной.

Контрольныевопросы:
Что такое	«красное смещение» ?
Что такое	«черные дыры» ?
Чем обусловлена		светимость	звезд ?
Литература:
7, 14, 17,18, 21
ЛЕКЦИЯ 10.	НАУКИ О ЗЕМЛЕ. ГЕОСФЕРНЫЕ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
Все науки о Земле имеют корень «гео», что по-гречески				означает
Земля. Наша планета имеет радиус 6,3 тыс. км, плотность 5,5 г / см3,					ско-
рость ее вращения вокруг Солнца - 30 км / сек.
География изучает поверхность			Земли (ландшафт),	ее	водную
(гидросфера) и газовую		(атмосфера) оболочки.
Геология	(общая)	изучает твердую оболочку Земли (литосфера)

истроение Земного шара в целом. Прикладная геология занимается поисками полезных ископаемых - основных ресурсов Земли.

Ресурсы - это тела и силы природы, необходимые человеку для жизни

ихозяйственной деятельности. Они подразделяются на практически неисчерпаемые (солнечная энергия, термальное тепло, энергия ветра, приливов

и отливов)	и исчерпаемые,		которые	в свою очередь делятся	на
невозобнов-	ляемые	(руды металлов, благородные металлы, горючие
полезные ископаемые –		уголь, нефть, газ -		и строительные материалы )	и
возобновляемые

(растительныйиживотный мир, человек, вода и воздух). Прикладная геология в основном занята поисками не возобновляемых ресурсов.

Геологическоестроение Земли.

Как уже было сказано, твердая оболочка Земли называется литосферой (или земной корой). Рассмотрим разрез земной коры. Протяженность

3 3

литосферы ( в глубину) составляет 10 – 80 км. Ее верхний слой толщиной всегонесколькометров называетсяпочвой, ноэтот тончайшийслойкормит все человечество, домашнийскот идикихживотных. Учениеопочвахсоздал в Х1Х веке русский ученыйВ.В. Докучаев, учитель другоговыдающегося русского ученого В.И. Вернадского ( онем будет сказанодалее). Согласно этомуучению, почва состоит из 4-хкомпонентов : гумуса (перегноя, останковживыхорганизмов, жившихнаЗемле сотниитысячилет назад), осадочныхпород, воды ивоздуха. Чембольшевпочвегумуса, темонаплодороднее.

Следующийслой – осадочные породы.	Главным образом этоглины,
песчаники и известняки. Глины и песчаники	в основном состоят из диок-

сида кремния и посуществу различаются только размером частиц : глины имеют тонкодисперсную (порошкообразную) структуру, тогда как песчаники состоят из довольнокрупных частиц. Известняки (а это также мел и мрамор) имеютв своем составеглавным образом карбонат кальция. Разумеется, это грубая классификация осадочных пород, геологи в зависимости от процентногосодержания разных компонентов выделяют до20 ихтипов. Большинствоосадочных пород имеет биогенное происхождение, т.е. это останкиживыхорганизмов, живших на Земле миллионы лет назад.

Далее вглубь следуют магматические породы, из которых состояла первозданная Земля допоявления гидросферы и биосферы. Этограниты, базальты и туфы. На этом литосфера кончается.

Дальше простирается горячая полужидкая оболочка Земли – мантия, состоящая в основном из расплавленных магматических пород. Иногда она дает знать о своем существовании при извержениях вулканов, когда потоки раскаленной магмы стекают вниз по склонам, уничтожая все

живое на своем пути и напоминая человечеству о том, что,	несмотря
на свое кажущееся всемогущество, люди еще очень беззащитны		перед
стихией. Толщину мантии оценивают примерно в 2900	км,	а ее
температуру

- около 2000 К.

Наконец, в центре Земли находится ядро, состоящее в основном из железа, обуславливающего магнитное поле Земли, с изрядной примесью серы ( недаром извержения вулканов сопровождаются обильными выбросами сернистого газа - диоксида серы). Про состояние ядра и его температуру известно довольно мало, и здесь мнения ученых

расходятся : одни считают земное ядро холодным		и твердым, другие -
горячим	и расплавленным. В начале ХХ века	ирландский ученый Д.
Джоли	предположил, что земные недра разогреваются за счет тепла,

испускаемого радиоактивными элементами при их распаде. В 1909 году русский ученый

3 4

В.И. Вернадский основал геохимию – науку об истории атомов Земли, их физико-химической эволюции и распределении в земных недрах.

Геохронологическаяшкала.

Далее целесообразно привести геохронологическую шкалу, т.е. рассказать о геологической истории нашей планеты и об ее отдельных этапах (эрах). Согласно данным о периодах полураспада радиоактивных химических элементов, возраст Земли оценивается примерно 4, 5 мрд лет (это начало архейскойэры). Она продолжалась до2,6 млрд лет. Итак:

4,5 млрд. лет- 2,6 млрд.		лет -	архейская эра.
2,6 млрд. лет - 600 млн.		лет-	протерозойская эра (ранняя жизнь).
600 млн. лет – 200 млн. лет -			палеозойская эра (древняя жизнь).
Млн. лет -	70 млн. лет -	мезозойская эра		(средняя жизнь).
От 70 млн.	лет назад -	кайнозойская эра		(современная жизнь).

В архее первый миллиард лет шла химическая эволюция: образовывались тяжелые химические элементы и благодаря вращению Земли прони-

кали все глубже и глубже			в	земную	кору,	легкие же		оставались
вблизи	поверхности.	Далее	в	архее	произошло		важное	событие	в
геологической истории		Земли: 3,5 мрд лет назад					в водной среде		на
ней	зародилась органическая			жизнь.	(об	этом будет		подробно

рассказано в биологическом блоке). Поэтому в названиях всех последующих геологических эпох присутствует корень «зой», что погречески означает «жизнь».

В протерозое жизнь продолжает развиваться в воде, происходит разделение на растительный и животный миры. Растения представлены водорослями, животные - разнообразными беспозвоночными. Благодаря жизнедеятельности растений сначала в воде, а затем и в атмосфере начинает скапливаться свободный кислород.

В палеозое жизнь выходит на сушу – сначала растения, затем животные, которые представлены многообразными земноводными, а растения – споровыми, гигантскими древовидными папоротниками. При последующем вы-

мирании и захоронении эти гиганты	образовали месторождения угля.
В мезозойскую геологическую эру среди растений преобладают го-
лосеменные (хвойные), а животные	представлены разнообразными реп-

тилиями (пресмыкающимися): на суше это динозавры, причем среди них появляются зверозубые, т.е. хищные; в воде это ихтиозавры, в воздухе – птеродактили и археоптериксы - промежуточная форма между летающими рептилиями и современными птицами. Вымирая, живые организмы мезозойской эры после захоронения образовали месторождения нефти и природного горючего газа: большинство этих месторождений приурочено к мезозойским отложениям.

3 5

Некоторые геологи и	астрономы выдвинули гипотезу о том, что
в конце мезозоя – начале	кайнозоя Земля претерпела космическую

катастрофу: произошло столкновение с каким-то космическим телом. Удар был столь силен, что земная ось, которая была до этого

перпендикулярна		плоскости		эклиптики, наклонилась, началась смена
времен года, которая до того				отсутствовала,	климат		Земли	сильно
похолодал,	а	полюса		покрылись ледяными шапками.Многие
огромные	рептилии		мезозойской эры вымерли.
Кайнозойская			геологическая эра началась			примерно		70 млн
лет назад.	Растительный и животный мир к этому времени							приняли
современный		облик	:	среди животных		стали	преобладать

млекопитающие, среди растений - покрытосеменные (цветковые).

Гипотезатектоники литосферных плитипроисхожденияконтинентов.В

1915 г. немецкийгеофизик А. Вегенер предположил, исходяизочертаний континентов, что начиная с архейской до конца мезозойской эры существовал единыймассив суши, названныйим Пангеей( по-гречески– вся земля); в конце мезозойской ив кайнозойскуюэру Пангея раскололась на двечасти: северныйматерикЛавразию июжный– Гондвану. Далее, ужев кайнозойскую эру Гондвана разделилась на Африку, Южную Америку, Австралию и Антарктиду, а Лавразия - на Евразию и Северную Америку. Примерно40 млн лет назад Индостан, которыйтогда был неполуостровом,а островом, столкнулся сЕвразийским материком, в результатечеговозникли Тибет иГималаисамыемолодыегоры на Земле. Так появиласьгипотеза

тектоники литосферных			плит, плавающих в мантии, на
которых расположены континенты. Веским аргументом в пользуэтой
гипотезы стало экспериментально			обнаруженноев конце 50-тыхгодов
ХХвека расширение днаокеанов. Этугипотезуподтверждаюти
биологическиеданные ораспространении животных на нашей планете.
			Ныне гипотеза дрейфа кон-
тинентов, ставшая ужетеорией, является общепризнанной в геологии.
ВоднаяоболочкаЗемли		(гидросфера).
Гидросфера	образовалась, когда температура над поверхностью твер-
дой земной оболочки упала		ниже 100 градусов по Цельсию, и на
Землю полились горячие ливни		из сконденсировавшихся паров воды, которых
было немало в	первозданной атмосфере Земли. Гидросфера состоит из

Мирового океана (в нем находится 97 % всех земных запасов воды) и пресноводных источников (всего 3% ), куда входят поверхностные воды суши

(реки, озера, ручьи, болота), ледники			и подземные	воды.	Средняя
глубина	Мирового океана	составляет	около 3-х км,	самая	глубокая
впадина	– Марианская –	около 12 км. Исследованию Мирового океана
посвятил свою долгую жизнь
		3 6

выдающийся французский ученый, изобретатель акваланга Ж.И. Кусто. Уже в конце ХХ века на Земле ощущался дефицит пресной воды, необходимой человечеству для жизни и хозяйственной деятельности, с течением времени этот дефицит будет только возрастать. Примеры

различных проектов решения	вопроса о	пресной воде. Экологические
проблемы Мирового океана будут рассмотрены в блоке				«биология».
Газовая оболочка Земли	(атмосфера).
Ближайшая в поверхности Земли часть			атмосферы
называется тропосферой и простирается		до	высот	9-17 км. Ее
часто называют

«фабрикой погоды», и она имеет следующий газовый состав: азот (79%), кислород (20%), на все остальные газы (углекислый газ, пары воды, инертные газы) приходит ся 1% . Такой состав газовая оболочка Земли

имела не всегда : предполагают, что	в архее в атмосфере первозданной
Земли имелись кроме азота	метан,	аммиак, водород и много
паров воды. Важно подчеркнуть	, что	свободного кислорода не

было, т.е. среда была восстановительной, именно в ней и зародилась

жизнь. В се-	редине ХХ века американцы С. Миллер и					Г. Юри
взяли смесь	пере-	численных	газов	и	пропустили	через	нее
искровые	электрические разряды (грозы				на первозданной Земле
были весьма частым явлением). В числе продуктов этой реакции							С.
Миллер Г.	Юри	обнаружили	аминокислоты, основные			составные

части белков. К результатам опыта С. Миллера мы еще вернемся в блоке «биология».

Выше тропосферы находится стратосфера (примерно до 50 км), газовый состав ее тот же, но газы сильно разрежены. В стратосфере находится озоновый слой (или экран) Земли. Молекула озона является модификаци-

ей	химического	элемента		кислорода		и	состоит		не из	двух, как
молекула кислорода,			а из	трех атомов,			этот газ очень неустойчив и
при	обычных условиях быстро превращается в							кислород.		Толщина
озонового слоя		- не более			километра, но			он,	в отличие от
кислорода,		поглощает			жесткое		ультрафиолетовое			излучение,
предохраняяот его губительноговоздействия живые организмы Земли.
	Выше стратосферы расположена ионосфера, состоящая из заряжен-
ных под действием солнечного излучения частиц, а далее – зона										рассеива-
ния (800-1000 км над поверхностьюЗемли).
	Таким образом,		наша планета			имеет три геосферых оболочки:
литосферу, атмосферу			и	гидросферу.			В ХХ веке была			обнаруже-
на подвиж ность континентов, которые плава ют в									мантии. Это от-
крытие сыграло не только					познавательную, но			практическую роль:
					3 7

в местах тектонических разломов есть вероятность обнар ужить полезные ископаемые.

Контрольныевопросы:
Что такое	литосфера, какова ее	экологическая роль ?
Что такое	«Гондвана» ?
Каково геологическое строение		Земного шара?
Литература:
1, 2, 23
ЛЕКЦИЯ 11.	ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Химия –	наука о веществах, из которых состоят физические тела, об

их свойствах и превращениях друг в друга. Перед химией стоят две основ-

ные	задачи – создание веществ с	необходимыми	свойствами и
выявление способов управления этими свойствами.
	Решение этих двух задач зависит от	3-х основных	факторов, влияю-
щих	на свойства получаемых веществ :

1.Состава вещества (элементный, молекулярный).

2.Структуры молекул.

3. Термодинамических и	кинетических (определения и пояснения
этих понятий см. далее )	условий протекания химических реакций,

впроцессе которых эти вещества получаются. .

Всоответствии с перечисленными факторами и развивались химические знания о веществах. Вначале (примерно с ХУП века) выяснили, что свойства вещества зависят от его состава ( Р. Бойль). Затем, уже в Х1Х веке, поняли, что свойства веществ зависят не только от их

состава, но и от структуры, т.е. последовательности соединения	атомов в
молекуле. Особенно важным это оказалось для органических	веществ,
т.е. соединений углерода с водородом, кислородом, азотом	и серой.

Структурную теорию органической химии создал выдающийся русский ученый А. М. Бутлеров. Следующим этапом было изучение химических процессов и влияющих на них факторов. Наконец, в ХХ веке начался новый этап развития химии как науки : появилась эволюционная химия, основанная на том, что в процессе химической реакции образуется ее катализатор, что приводит к самоорганизации химических систем (о процессе катализа см. далее). С понятием самоорганизации систем мы уже встречались (там, где речь шла о

синэргетике).

Химическаясвязь.

3 8

Чем определяется реакционная способность	веществ? Прежде всего,
тем, каким образом атомы связываются друг с другом, образуя молекулы.
Ранее, когда мы говорили об электромагнитном	поле, было сказано,

что химические связи атомов в молекулах - это один из видов

электромагнитного	поля.	Химические	связи		образуются		при
перекрывании	внешних	(валентных)		электронных		орбиталей
взаимодействующих атомов		(орбитали	–	это	траектории	движения
электронов вокругядра - см. разделомикромире).

Различают несколькотипов химическихсвязей.

Ковалентные связи осуществляются, когда внешние электроны двух атомов образуют общую электронную пару. Если атомы одинаковые, то эта электронная пара в равной мере принадлежит обоим ядрам и никуда не смещена, центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Такой тип связи называется неполярной ковалентной и существует в двухатомных газах, например, в молекулах кислорода, водорода, азота, хлора. Таких соединений сравнительно немного.

Если молекула состоит из разных атомов, то образующаяся общая электронная пара смещается в сторону атома с большим зарядом ядра, центры положительных и отрицательныхзарядов не совпадают (эта конфигурация называется диполем - два полюса). Такая связь называется ковалентной полярной и осуществляется в молекуле воды, некоторых неорганических кислот и в большинстве органических соединений. Это самыйраспространенный тип химической связи. Обе разновидностиковалентной связи осуществляются, как правило, между атомаминеметаллов. Если химическая связь образуется между атомами металла и неметалла, то. как правило, валентные электроны с

внешних орбиталей	атомов металла полностью переходят к
атому неметалла,	образуя положительно (катионы) и отрицательно

(анионы) заряженные частицы. Связьмеждутакимичастицами называется

ионной. Она осуществляется в большинстве солей, оксидов	и оснований,
т.е. главным образом в неорганических соединениях,	например, в

хлориде натрия (поваренная соль), фториде кальция, необходимом для укрепления зубной эмали.

Наконец, в чистых металлах за счет валентных электронов, легко отрывающихся от своих атомов, осуществляется металлическая связь, обуславливающая электро- и теплопроводность, а также и другие свойства металлов.

Химическийэлемент. Неорганическая химия.

Весьма важным в химии является понятие химического элемента– это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра (разумеется, это

3 9

определение ХХ века, всю предысторию становления понятия «химический элемент» мы опускаем).

В настоящее время известно 108 химических элементов, причем природа создала 92, а остальные получены искусственно. Во

второй половине Х1Х века, когда		проблемой систематизации
химических элементов занялся	великий	русский ученый Д. И.
Менделеев, их было всего 65.	До него все аналогичные попытки не
имели успеха. Менделеев взял за основу не какие-либо физические

или химические свойства элементов, а их атомную массу (по Менделееву

– атомный вес) - свойство, которым обладали все химические элементы,

разложил карточки с символами и свойствами					элементов		в
порядке	возрастания	атомной массы		и получил	периодическую
зависимость свойств элементов			от атомной массы. Огромное значение
для утверждения периодического закона имел тот факт,					что внутренняя
логика	построенной	Менделеевым периодической				таблицы
требовала резервирования трех			пустых	клеток, в которых,		по	его
убеждению, должны были находиться еще не открытые к тому						времени
химическиеэлементы.

Менделеев предсказал величину их атомной массы и свойства. Открытие еще при его жизни скандия, галлия и германия и наличие у них предсказанных Менделеевым свойств было несомненным триумфом периодического закона. Его современная формулировка звучит так: свойства химических эле-

ментов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра, равного порядковому номеру химического элемента. Этот закон являет-

ся теоретической основой		неорганической химии, изучающей все химичес-
кие элементы	и их	соединения,	кроме	соединений	углерода,

которыми занимается органическая химия. Открытый Д. И. Менделеевым закон природы имеет также и общефилософское значение : он блестяще иллюстрируетзакон диалектикиГегеля опереходеколичества вкачество.

Органическая иэлементоорганическая химия. Полимеры.

Бурное развитие органической химии началось после создания русским химиком А. М. Бутлеровым ее теоретической основы –

структурной теории. Бутлеров				ввел	понятие		изомеров -	веществ с
одинаковым	составом и молекулярной массой, но с разной структурой
и потому с разными свойствами. Именно						возможность построения				из
одних и тех	же	немно-	гих	элементов		большого числа		изомерных
структур	объясняет		существо-		вание		огромного	количества
органических	соединений		(их более			пяти	миллионов,	тогда		как
неорганических		- около пятисот тысяч). Конец Х1Х - начало						ХХ		века
был периодом		триумфального шествия органического синтеза;							в эти
годы были впервые получены				анилиновые красители, взрыв-					чатые
органические вещества, многие лекарства.
				4 0