Зарипова Концепции

6)Актуальными проблемами современной химии являются вопросы самоорганизации и эволюции химических систем, использование катализа и биокатализа.

Достижения химии конца ХХ начала Х1Х столетия.

Организация химических процессов в производстве материалов o Катализаторы

o Криохимия (синтез материалов при низких температурах жидкого азота)

o Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) тугоплавких материалов (основан на реакции горения одного металла в другом, или металла в азоте, углероде, кремнии).

Получение вещества с новой структурой o Наноматериалыразмер 10-100 нм (1 нм=10-9м)

o Материалы с необычными свойствами: аморфные металлы - металлическое стекло с особыми физическими свойствами; нитинолы- никель-титановый сплав с «памятью».

o Жидкие кристаллы.

oСверхпроводники

Впоследние 10 лет были синтезированы новые керамические материалы, у которых сверхпроводимость наблюдается при достаточно высоких температурах: в La2-

xBaxCuO4 - при 40К, в YBa2Cu3O7 - при 90К, в Tl2Ba2Ca2Cu3O10 - при 125К.

Создание химического лазера (Нобелевская премия Джону Поляни, Университет Торонто) и молекулярных пучков(Нобелевская премия Юан Чен ЛиКалифорнийский университет, Дадли Хермбах – Гарвардский университет).

71

Глава 7. Структурное строение материального мира

В окружающем нас пространстве материя существует в форме вещества и поля. Вещество в природе находится в виде различных структур, которые определяют строение и свойства окружающего нас материального мира. Слово "строение" в данном случае отражает лестницу объектов, качественно отличающихся или характеризующихся степенью сложности.

Окружающий нас мир современная наука разделяет на три области: микромир, макромир и мегамир (рис.). Это стало возможным в результате многовекового изучения природы человеком. Микромир — это область природы, доступная человеку через посредство приборов (микроскопы, рентгеноанализ и др.). Закономерности здесь для нас непонятны, и мы экстраполируем сюда наши понятия. Макромир — это область природы, доступная нам, т. е. область наших закономерностей. Мегамир нам труднодоступен; это область крупных объектов, больших размеров и расстояний между ними. Эти закономерности мы изучаем опосредованно. В этих областях имеется следующая иерархия объектов: микромир — это вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки; макромир — это макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера; мегамир — это планеты, звезды, галактики, Метагалактика, Вселенная.

Окружающий мир

Микромир

Макромир

Мегамир

Вакуум	Макротела	Планета
Элементарные частицы	Индивид	Звезда
Атомы	Популяция	Галактика
Молекулы	Сообщество	Метагалактика
Клетки	Биосфера	Вселенная

Рис. 7.1. Структура материального мира

Краткая характеристика структурных уровней. Микромир и макромир

Вакуум. По представлениям современной науки, вакуум — это отнюдь не пустота или "отсутствие всякого присутствия". Вакуум представляет собой физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованные порции энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей какой-то энергией, которая все время перераспределяется между

72

виртуальными (воображаемыми) частицами. Однако воспользоваться энергией вакуума мы не можем, так как это есть наинизшее энергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей — тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают вселенные с разным набором фундаментальных постоянных. В одной из таких областей, видимо случайно, получился набор, годный для появления разумных существ. В ней мы и живем. О других вселенных мы пока ничего не знаем и можем лишь догадываться об их существовании.

Элементарные частицы. По современным представлениям, все элементарные частицы являются наименьшими "кирпичиками", из которых создан окружающий мир. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.

Атомы. Они состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электронейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов.

Молекулы. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения.

Клетка. За 3 млрд лет существования на нашей планете живое вещество развилось в несколько миллионов видов, но все они — от бактерий до высших животных — состоят из клеток. Клетки служат элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни.

Макротела (вещество). При определенных условиях однотипные атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности — макроскопические тела (вещество). Вещество — вид материи; то, из чего состоит весь окружающий мир. Вещества состоят из мельчайших частиц — атомов, молекул, ионов, элементарных частиц, имеющих массу и находящихся в постоянном движении и взаимодействии. Существует огромное множество веществ, различных по составу и свойствам.

Индивид. Жизнь всегда представлена в виде дискретных индивидуумов. Это в

равной мере присуще микроорганизмам,	растениям, грибам и животным, хотя в
указанных царствах индивиды имеют	различное морфологическое	Индивид

(индивидуум, особь) — элементарная неделимая единица жизни на Земле. Разделить индивид на части без потери "индивидуальности" невозможно. Индивиды в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены более высоким рангом биологической организации на популяционно-видовом уровне.

Вид. Сущность биологической концепции вида заключается в признании того, что виды реальны, состоят из популяций, а все особи вида имеют общую генетическую программу, которая возникла в ходе предшествующей эволюции.

Таким образом, вид — совокупность географически и экологически близких популяций, способных в природных условиях скрещиваться между собой, имеющих единый генетический фонд, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биологически изолированных от популяций других видов.

Популяция. Совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, размножающихся путем свободного скрещивания и в той или

73

иной степени изолированных друг от друга, называют популяцией. В генетическом смысле популяция — это пространственно-временная группа скрещивающихся между собой особей одного вида. Популяция является элементарной биологической структурой, способной к эволюционным изменениям.

Популяции разных видов всегда образуют в биосфере Земли сложные сообщества

— биоценозы. Биоценоз — совокупность растений, животных, грибов и прокариот, населяющих участок суши или водоема и находящихся в определенных отношениях между собой. Вместе с конкретными участками земной поверхности, занимаемыми биоценозами, и атмосферой сообщество составляет экосистему. Экосистема — взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергий. Биогеоценоз — это такая экосистема, внутри которой не проходят биогенетические, микроклиматические, почвенные и гидрологические границы. Биогеоценоз — одна из наиболее сложных природных систем. Внешне заметные границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ.

Биосфера. Взаимосвязь разных сообществ, обмен между ними веществом и энергией позволяют рассматривать все живые организмы Земли и среду их обитания как одну очень протяженную и разнообразную экосистему — биосферу. Биосфера — те части земных оболочек (лито, гидро- и атмосферы), которые на протяжении геологической истории подвергались влиянию живых организмов и несут следы их жизнедеятельности.

МЕГАМИР: основные астрофизические и космологические концепции

Эволюция Вселенной - основные этапы

Как возникла Вселенная - до сих пор ученые не знают, поэтому далее рассматривается процесс развития Вселенной.

Космологических моделей Вселенной несколько. Модели, включающие «Большой Взрыв»:

-Эйнштейнаде Ситтера: Вселенная плоская, открытая и бесконечная, расширяется вечно.

-ФридманаЛеметра: Вселенная гиперболическая, открытая и бесконечная, расширяется вечно.

-Леметра: Сферическая, закрытая и конечная, расширяется вечно, имеется квазистатическое состояние.

-Фридмана-Леметра: Сферическая, закрытая и конечная, расширение сменяется сжатием.

Расширение Вселенной началось с сингулярного состояния (когда две любые точки были насколько это возможно близки друг к другу,а плотность вещества бесконечна)

так называемым «Большим Взрывом».

1.В период времени от 0 до 10-43 с – рассматривает теория раздувающейся

(инфляционной) Вселенной, согласно которой Вселенная мгновенно раздулась до огромных размеров, а затем обратно сжалась. Т~1027 К, возникновение реликтовых гравитонов.

2.10-33с - разделение кварков и лептонов на частицы и античастицы. Дисимметрия между числом частиц и античастиц: вещество во Вселенной преобладает над антивеществом.

3.10-10c – АДРОННАЯ ЭРА. T=1015K. Разделение сильного и слабого взаимодействий.

74

4.10-2с – ЛЕПТОННАЯ ЭРА. Аннигиляция электрон-позитронных пар. Число фотонов=числу позитронов.

5.1 сек. Т=1010К. Вселенная остыла. Остались только фотоны (кванты света), нейтрино и антинейтрино, электроны и позитроны и маленькая примесь нуклонов.

6.1 мин. РАДИАЦИОННАЯ ЭРА. Ядерный синтез гелия и дейтерия.

7.10 тыс.лет.- 300 тыс.лет- ЭРА ВЕЩЕСТВА. Во Вселенной начинает доминировать вещество. Электроны и ядра рекомбинируют, образуя нейтральные атомы водорода, которые составляют 90% всех атомов, гелия -10%. Фотоны (кванты электромагнитного излучения - света) перестают взаимодействовать с веществом и остаются в виде фона - так называемого реликтового излучения. Реликтовое излучение было экспериментально обнаружено в 1965 г. американскими радиоастрономами А.Пензиасом и Р.Вилсоном. Поэтому мы сегодня говорим, что первые мгновения жизни Вселенной не просто смоделированы, а доказан именно такой вариант развития.

Рис. 7.2. Эволюция Вселенной

Как развивалась Вселенная дальше? Во Вселенной произошел скачок, и возникли разномасштабные структуры.

8.200 млн.лет. Начало образования первых звезд и первых галактик (первое поколение).

9.8,5 млрд.лет – образование межзвездного облака, давшего начало Солнечной системе.

10.9,1 млрд. лет – Образование Земли, затвердение пород.

75

Таким образом, согласно представленной гипотезе, возраст Вселенной составляет 15 млрд. лет.

За этот период совершился скачкообразный переход в новое состояние с разными подсистемами - от звезд и планет до сверхскопления Галактик. Однородная и изотропная

модель Вселенной - это первое приближение, справедливое лишь в достаточно больших масштабах, превышающих 300-500 млн. световых лет. В меньших масштабах вещество распределено очень неоднородно: звезды собраны в галактики, галактики - в скопления.

Рис. 7.3. Ячеистая структура Вселенной

76

Оптический телескоп

Радиотелескоп

Рис. 7.4. Астрономические приборы

Метагалактики

Метагалактика — это доступная наблюдениям часть Вселенной. Метагалактика представляет собой упорядоченную систему галактик. Метагалактика постоянно расширяется, т.е. наша Вселенная нестационарна. Метагалактика имеет сетчатую (ячеистую) структуру, т.е. галактики распределены в ней не равномерно, а вдоль определенных линий — как бы по границам ячеек сетки. Такое строение свидетельствует, что в небольших объемах Метагалактика неоднородна. Гипотеза «множественности вселенных» допускает существование множества миров, образовавшихся в результате Большого Взрыва. Эти вселенные различаются своими физическими свойствами, типом организации, не стационарностью и т.п., и в силу этого мы не можем их наблюдать. Тем не менее, предполагается, что разные вселенные связаны друг с другом неизвестным пока

77

способом. Есть гипотеза, что Метагалактика не есть вся Вселенная, а лишь ее часть. Если это «эмпирически» подтвердится, то «масштаб» человека и ценность его существования могут подвергнуться новой радикальной переоценке, что, возможно, скажется через опосредствующие институты (средства коммуникации, культура и т.д.) на всем мировоззрении точно так же, как в свое время сказался поворот Коперника, последствия которого едва ли вообще поддаются полному объяснению.

Галактики

Галактики - это стационарные звездные системы, удерживаемые за счет гравитационного взаимодействия. В нашей Галактике (Млечный путь) примерно 1011 звезд. Галактики, как и звезды, образуют группы и скопления. Средняя плотность видимого вещества оказывается одинаковой: (3х10-31 г/см3).

Галактика эллиптическая

Спиральная галактика

78

Галактика неправильная Рис. 7.5 Типы галактик

Галактики — гигантские скопления звезд, пыли и газа, пронизанные магнитными полями и космическими лучами. Самой близкой к нам галактикой, расположенной на расстоянии 1,5 млн световых лет, является туманность Андромеды. Самой исследованной является Местная группа галактик, в которую входят наша Галактика (Млечный путь) и туманность Андромеды. Наиболее распространенной является спиральная форма галактик. К этому типу относятся наша Галактика, а также туманность Андромеды. В галактиках спиральной формы находятся наиболее горячие звезды и массивные облака космического газа. Считается, что в некоторых галактиках ядро представляет собой черную дыру. Так, в центре ядра нашей Галактики находится скопление звезд с сильным радиоисточником, который называют Стрелец А. Предполагается, что Стрелец А является черной дырой с массой, примерно равной миллиону солнечных масс. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями (электромагнитными, гравитационными, потоками нейтрино и субатомных частиц). Основное вещество, составляющее межзвездный газ — водород, на втором месте — гелий. Наша Галактика — Млечный путь — имеет форму диска с выпуклостью в центре — ядром, от которого отходят спиралевидные рукава. Солнечная система расположена в одном из рукавов. Свойства Галактикипостоянное расширение, со скоростью 50 т. км/с., расширение идет с замедлениемчем дальше, тем медленнее, т.е. это может длиться бесконечно. Вселенная однородна, одинакова во всех направлениях. Во вселенной нет центра. Вселенная безгранична, но конечна. Центр вселенной находится там, где находится наблюдатель.( А.Е.-астрономическая единица. С.Г.- световой год-расстояние, которое луч света проходит в течении года. Парсек-3 световых года).

Звезды и их образование

Вселенная представляла газовое облако. Под действием гравитации - части облака сжимаются и одновременно разогреваются. При достижении высокой температуры в центре сжатия начинают протекать термоядерные реакции с участием водорода - рождается звезда. Водород превращается в гелий, и в желтых карликах типа нашего Солнца больше ничего не происходит. В массивных звездах (красные гиганты) водород быстро сгорает, звезда сжимается и разогревается до температур несколько сотен миллионов градусов. Сложные термоядерные реакции - например, три ядра гелия объединяются и образуют возбужденное ядро углерода. Затем углерод с гелием образуют кислород и так далее вплоть до образования атомов железа. Более тяжелые элементы

79

требуют участия в реакциях заряженных частиц и нейтронов, а самые тяжелые элементы образуются при взрыве звезды - вспышка Сверхновой. Во Вселенной существуют газопылевые облака, из которых возможно образование звезд следующих поколений.

Спектральные классы, цвета и эффективные температуры звезд

	Спектральный класс	Цвет	Температура, тыс.К	Типичные звезды
	О	Голубой	25-30	Орион, Цефей,
				Персей
	В	Голубовато-белый	15-25	Созвездие Девы
				(Спика)
	А	Белый	10-15	Созвездие Большого
				Пса (Сириус)
	F	Желтовато-белый	7-10	Процион
	G	Желтый	6	Солнце
	K	Оранжевый	5	Альдебаран
	M	Красный	2-3	Бетельгейзе,
				Антарес

Рис. 7.6. Образование звезд

80