Контрольная работа: Концепции современного естествознания
Важность абсолютно чёрного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного (и исторически это было уже сделано к концу XIX века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план). Термин был введён Густавом Кирхгофом в 1862 году.
Абсолютно белое тело-антипод абсолютно черно тела, также является идеализацией, абсолютно белое тело не способно ни излучать, ни поглощать.
В чем смысл гипотезы Планка о дискретном характере испускания света и ее значение? Насколько были решены при этом противоречия в теории теплового излучения?
Гипотеза Планка — гипотеза, выдвинутая 14 декабря 1900 года Максом Планком и заключающаяся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию ε, пропорциональной частоте ν излучения:
ε=hν,
где h — коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка. На основе этой гипотезы он предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением — формулу Планка:
Позднее гипотеза Планка была подтверждена экспериментально.
Выдвижение этой гипотезы считается моментом рождения квантовой механики.
Определите температуру звезды Ригеля (b Ориона), в спектре которой максимум энергии приходится на длину волны 1930*10-10 м.
Для решения задачи применим закон смещения Вина:
λмакс.=0,0028999/Т,
где λмакс- длина волны с максимальной интенсивностью в метрах, T — температура в кельвинах. Выразим из этого уравнения температуру:
Т=0,0028999/ λмакс.
Подставим значения из задачи получим:
Т=0,002899/1930*10-10
Т=15025,39 0К
Ответ: Т=15025,39 0К
11. Охарактеризуйте реакции синтеза ядер и условия их осуществления
Ядерные взаимодействия с частицами носят весьма разнообразный характер, их виды и вероятности той или иной реакции зависят от вида бомбардирующих частиц, ядер-мишеней, энергий взаимодействующих частиц и ядер и многих других факторов.
Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма- кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.
Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.
При нормальной температуре слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают огромные силы кулоновского отталкивания. Для синтеза легких ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10−15 м, на котором действие ядерных сил притяжения будет превышать кулоновские силы отталкивания. Для того чтобы произошло слияние ядер, необходимо увеличить их подвижность, то есть увеличить их кинетическую энергию. Это достигается повышением температуры. За счет полученной тепловой энергии увеличивается подвижность ядер, и они могут подойти друг к другу на такие близкие расстояния, что под действием ядерных сил сцепления сольются в новое более сложное ядро. В результате слияния легких ядер освобождается большая энергия, так как образовавшееся новое ядро имеет большую удельную энергию связи, чем исходные ядра. Термоядерная реакция — это экзоэнергетическая реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре (107 К).
Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде
+ энергия (17,6 МэВ).
Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица. Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для термоядерного синтеза.
Термоядерная реакция используется в термоядерном оружии и находится на стадии исследований для возможного применения в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.
Фотоядерная реакция. При поглощении гамма- кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям и, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.
Где такие условия имеют место в природе?
Деление тяжелых ядер с образованием более легких происходит в литосфере планеты Земля, так же фотоядерные реакции происходят в верхних слоях атмосферы нашей планеты. Термоядерные реакции и реакции нуклеосинтеза происходят в ядрах звезд под действием огромных температур и давлении.
Каковы перспективы использования реакций синтеза ядер в энергетике?
Несмотря на распространённый оптимизм (с начала первых исследований 1950-х годов), существенные препятствия между сегодняшним пониманием процессов ядерного синтеза, технологическими возможностями и практическим использованием ядерного синтеза до сих пор не преодолены. Неясным является даже насколько может быть экономически выгодно производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза. Хотя прогресс в исследованиях является постоянным, исследователи то и дело сталкиваются с новыми проблемами. Например, проблемой является разработка материала, способного выдержать нейтронную бомбардировку, которая, как оценивается, должна быть в 100 раз интенсивнее чем в традиционных ядерных реакторах. Тяжесть проблемы усугубляется тем что сечение взаимодействия нейтронов с ядрами, с ростом энергии перестаёт зависит от числа протонов и нейтронов и стремится к сечению атомного ядра — и для нейтронов энергии 14 МэВ просто не существует изотопа с достаточно малым сечением взаимодействия. Это обуславливает необходимость очень частой замены конструкций D-T и D-D реактора и ухудшает его рентабельность настолько, что стоимость конструкций реакторов из современных материалов для этих двух типов будет больше стоимости произведённой на них энергии. Решения возможны трёх типов[источник не указан 42 дня]:
Отказ от чистого ядерного синтеза и употребление его в качестве источника нейтронов для деления урана или тория.
Отказ от D-T и D-D синтеза в пользу других реакций синтеза (например D-He).
Резкое удешевление конструкционных материалов или разработка процессов их восстановления после облучения. Требует гигантских вложений в материаловедение, перспективы неопределённые.
Побочные реакции D-D (3 %) при синтезе D-He осложняют изготовление рентабельных конструкций для реактора, но не запрещают на современном технологическом уровне.
Считая светимость Солнца постоянной, определите, какую долю массы Солнце потеряет за свою жизнь из-за излучения.
Светимость солнца равна 3,8*1026 Вт, из уравнения Энштейна
E=mc2
Выразим массу:
m=E/ c2
где С-скорость света в вакууме, Е- энергия.
Подставив соответствующее значения получим:
m=3.9*1026/300*106 =4,33*109 кг/с
такова потеря массы в секунду.Есть мнение, что Солнце проживет 9 млрд лет, что значит
9*109*365*24*3600=2,81*1017 сек., отсюда потери массы за всю жизнь Солнца будет равен
2,81*1017*4,33*109=1,22*1027 кг, что соответствует 1,22*1027/1,9891*1030=6,1*10-4
Ответ: потеря составит 6,1*10-4 от доли Солнца
12. Охарактеризуйте биотический круговорот и оцените биосферную роль хозяйственной деятельности человека
Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. По определению Н.П. Ремезова, Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич, биотический (биологический) круговорот — это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.
Первичный биотический круговорот по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994) состоял из примитивных одноклеточных продуцентов и редуцентов- деструкторов. Микроорганизмы способны быстро размножаться и приспосабливаться к разным условиям, например, использовать в своем питании всевозможные субстраты — источники углерода. Высшие организмы такими способностями не обладают. В целостных экосистемах они могут существовать в виде надстройки на фундаменте микроорганизмов.
Вначале развиваются многоклеточные растения — высшие продуценты. Вместе с одноклеточными они создают в процессе фотосинтеза органическое вещество, используя энергию солнечного излучения. В дальнейшем подключаются первичные консументы — растительноядные животные, а затем и плотоядные консументы. Нами был рассмотрен биотический круговорот суши. Это в полной мере относится и к биотическому круговороту водных экосистем, например океана.
Все организмы занимают определенное место в биотическом круговороте и выполняют свои функции по трансформации достающихся им ветвей потока энергии и по передаче биомассы. Всех объединяет, обезличивает их вещества и замыкает общий круг система одноклеточных редуцентов (деструкторов). В абиотическую среду биосферы они возвращают все элементы, необходимые для новых и новых оборотов.
Следует подчеркнуть наиболее важные особенности биотического круговорота.
Фотосинтез относится к мощному естественному процессу, вовлекающему ежегодно в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющему ее высокий кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере и фактором, определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, которая протекает, как известно, за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений:
nCO2 + nH2О + энергия → СnH2nOn + nO2
За счет углекислоты и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза являются различные органические соединения, а в целом процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер.
Глюкоза является простейшим продуктом фотосинтеза, образование которой совершается следующим путем:
6СО2 + 6Н2O → С6Н12O6 + 6O2.
Помимо фотосинтеза с участием кислорода (так называемый кислородный фотосинтез) следует остановиться и на бескислородном фотосинтезе, или хемосинтезе.
К хемосинтезирующим организмам относятся нитрификато-ры, карбоксидобактерии, серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления, которыми могут быть NH3, NO2, CO, H2S, S, Fe2+, H2. Некоторые виды — облигатные хемолитоавтотрофы, другие — факультативные. К последним относятся карбоксидобактерии и водородные бактерии. Хемосинтез характерен для глубоководных гидротермальных источников. Фотосинтез происходит за немногим исключением на всей поверхности Земли, создает огромный геохимический эффект и может быть выражен как количество всей массы углерода, вовлекаемой ежегодно в построение органического — живого вещества всей биосферы. В общий круговорот материи, связанной с построением путем фотосинтеза органического вещества, вовлекаются и такие химические элементы, как N, P, S, а также металлы — К, Са, Mg, Na, Al.
При гибели организма происходит обратный процесс — разложение органического вещества путем окисления, гниения и т. д. с образованием конечных продуктов разложения. Следовательно, общую реакцию фотосинтеза можно выразить в глобальном масштабе следующим образом:
mCO2 + nH2O <=> CmНn(H2O) + mO2
В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Биомасса экосферы (2*1012 т) на семь порядков меньше массы земной коры (2*1019 т). Растения Земли ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 1,6*1011 т, или 8% биомассы экосферы. Деструкторы, составляющие менее 1% суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную биомассу. В среднем период обновления биомассы равен 12,5 годам. Допустим, что масса живого вещества и продуктивность биосферы были такими же от кембрия до современности (530 млн лет), то суммарное количество органического вещества, которое прошло через глобальный биотический круговорот и было использовано жизнью на планете, составит 2*1012-5,3*108/12,5 =8,5*1019 т, что в 4 раза больше массы земной коры. По поводу данных расчетов Н.С. Печуркин (1988) писал: «Мы можем утверждать, что атомы, составляющие наши тела, побывали в древних бактериях, и в динозаврах, и в мамонтах».
Закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского гласит: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».
В.И. Вернадский в 1928—1930 гг. в своих глубоких обобщениях относительно процессов в биосфере дал представление о пяти основных биогеохимических функциях живого вещества.
Первая функция — газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах. Наиболее распространенный — это болотный газ — метан (СН4,).
Вторая функция — концентрационная. Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. Среди них на первом месте стоит углерод. Содержание углерода в углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть — концентратор углерода и водорода, так как имеет биогенное происхождение. Среди металлов по концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода — водоросли ламинарии, железа и марганца — особые бактерии. Позвоночными животными накапливается фосфор, сосредотачиваясь в их костях.
Третья функция — окислительно-восстановительная. В истории многих химических элементов с переменной валентностью она играет важную роль. Организмы, обитающие в разных водоемах, в процессе своей жизнедеятельности и после гибели регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения или же осаждения ряда металлов с переменной валентностью (V, Mn, Fe).
Четвертая функция — биохимическая. Она связана с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию» живого вещества в разные географические области.
Пятая функция — это биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории земного шара и заслуживает внимательного отношения и изучения. Таким образом, все живое население нашей планеты — живое вещество — находится в постоянном круговороте биофильных химических элементов. Биологический круговорот веществ в биосфере связан с большим геологическим круговоротом. Поскольку речь идет о колоссальном числе индивидуальных участников этих процессов, которые не сопряжены жесткими функциональными связями, то пригнанность компонентов биотического круговорота — явление совершенно исключительное. Круговорот полностью замкнут (Т.А. Акимова, В.В. Хаскин, 1994), когда существует точное равенство сумм прямых и обратных расходов:
Несомненно, высокий уровень системной организации и регуляции мог быть выработан и отшлифован миллиардолетней эволюцией.
Биологический круговорот различается в разных природных зонах и классифицируется по комплексу показателей: биомассе растени, опаду, подстилке, количеству закрепленных в биомаcсе элементов и т. д.
Общая биомасса наиболее высока в лесной зоне, а доля подземных органов в лесах наименьшая. Это подтверждает индекс интенсивности биологического круговорота — величина отношения массы подстилки к той части опада, которая ее формирует.
Чистая первичная продуктивность тропических лесов составляет 2016 г сухой массы на 1 м2. На сколько тонн в год уменьшается фотосинтетическая фиксация углерода и выделение кислорода в литрах, если их площадь уменьшается на 100 тысяч км2 в год?
Тест:
Вариант 6
1. Выберите положение, отвечающее гуманитарному знанию:
А. предмет изучения должен быть всегда субъективен
Б. в основе методологии - экспериментальные методы исследования типичных ситуаций
В. научное знание должно стремиться к объективности
Г. для научного знания важно суметь объяснить причины изучения данных явлений
2. Согласно принципу соответствия с появлением релятивистской механики классическая механика не утратила своего значения и достоверно описывает движение …
А. элементарных частиц
Б. тел с любыми скоростями
В. космических объектов
Г. тел с малыми скоростями (v << c)
3. Развитием континуальной исследовательской программы античности является…
А. опубликование Коперником своей космологической модели;
Б. формулировка принципа близкодействия;
В. учение Ньютона о световых корпускулах и Эйнштейна - о фотонах;
Г. формулировка принципа дальнодействия;
4. Эмпирическими подтверждениями общей теории относительности явились ….
А. обнаружение красного смещения в спектрах далеких галактик
Б. отклонение кометы Галлея от расчетной траектории
В. отклонение траектории луча света от звезды вблизи от поверхности Солнца
Г.открытие микроволнового реликтового излучения
5. Вторая космическая скорость – это скорость искусственного спутника планеты
А. для выхода на круговую орбиту вокруг центрального тела
Б. преодоления притяжения центрального тела
В. при становлении его в качестве стационарного (висящего над одной точкой планеты)
Г. для преодоления притяжения Солнца
6. Инвариантность свойств объекта по отношению к каким-либо преобразованиям над ним – это …
А. симметрия
Б. эквивалентность
В. нейтрализм
Г. асимметрия
7. Непрерывность и дискретность являются свойствами 3-х элементов природы:
А. вещества, физического вакуума, пространства
Б. физического вакуума, времени, пространства
В. физического поля, времени, пространства
Г. вещества, физического поля, физического вакуума
8. Ядерные реакции идут с выделением энергии, если
А.сумма масс ядер и частиц до реакции меньше суммы их масс после реакции
Б. сумма масс ядер и частиц до реакции больше суммы их масс после реакции
В.при бомбардировке альфа-частицами
Г. сумма масс ядер и частиц до реакции меньше суммы их масс после реакции и производится
бомбардировка альфа-частицами
9. В науке под хаотическим поведением системы понимают непредсказуемое поведение ввиду:
А. постоянного и сильного воздействия неконтролируемых факторов
Б. слишком высокой чувствительности к начальным условиям
В. недостаточной мощности современных компьютеров
Г. ограниченной области применимости классической механики
10. В последние годы XX века и начале XXI века в космологии обнаружено, что:
А. Вселенная расширяется с замедлением
Б. обычное вещество составляет большую долю всей материи Вселенной
В. Вселенная расширяется с ускорением
Г. существуют другие Вселенные с принципиально иными свойствами
Литература
1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учебное пособие для студ. вузов / Дубнищева Т.Я. – 10-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 608с.
2. Белкин П.Н. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов. – М.: Высш. Шк., 2004. – 335с.
3. В.П. Титаренко АСТРОНОМИЯ Учебное пособие Томск 2006
4. Физическая энциклопедия — М.:Большая Российская Энциклопедия
