Реферат: Концепции современного естествознания

Уникальным свойством углерода является его способность образо­вывать стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнооб­разие органических соединений, причем эти связи могут быть крат­ными. При этом важно расположение атомов в пространстве, которое приводит к оптической активности вещества, к отличию в повороте плоскости поляризации проходящего света  (рис. 1). Структурные формулы наглядно отражают связь формулы со свойствами вещества, с их помощью стало возможным объяснение изомерии и предсказа­ние свойств неизвестных еще соединений.

 

Рис. 1. Способы соединения атомов углерода друг с другом Черточки со свободными концами при каждом атоме углерода показывают, что он может образовывать связи с атомами других элементов (обычно это водород, кислород, азот, сера)

Зная валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение всех недостающих водородных атомов, что позволяет со­средоточить внимание на наиболее важных связях и химических груп­пах. Такие прочные ковалентные связи углерод может образовывать и с атомами других элементов (Н, О, Р, N, S), и с углеродными (С-С связь). Внутреннее отличие органики от большинства неорга­нических соединений выражается в том, что химические связи, как правило, в органических соединениях валентные, а ионные связи — очень редки.  Поэтому углерод обладает этими уникальными свойствами, среди которых еще не отмечена способность соединений углерода к полимеризации и поликонденсации, а наша жизнь называется углеродной.

6.   Преобразования энергии и круговорот веществ в природе. Чем они отличаются и что между ними общего.

Биосфера представляет из себя единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Она распределена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных услови­ях принимает вид относительно независимых комплексов — биогеоценозов (или экосистем). Живая часть биогеоценоза — биоценоз - состоит из популяций организмов разных видов.

Одним из самых больших достижений науки в XX в. является выяснение механизмов превращения энергии в биологических системах Сейчас уже понятно, как солнечная энергия преобразуется в специальных пигментных структурах расте­ний в энергию химических связей, как превращаются вещества в процессах бро­жения и гликолиза (окисление углеводов без кислорода), как происходит внутри­клеточное дыхание — перенос электронов в митохондриях от коферментов к кис­лороду. В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая синтезирует­ся из АДФ и Н3РО4 за счет световой энергии или энергии, выделяемой при гликолизе, брожении или дыхании. При гликолизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма — от создания градиентов концен­трации ионов и сокращения мышц до синтеза белка.

Биосфера улавливает лишь небольшую часть солнечной энергии, поступающей на Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая  составляет 30 % всей солнечной энергии, доходящей до Земли, практически полностью задерживается атмосферой. Половина поступающей энергии превращается в тепло и затем излучается в космическое пространство, 20% расходуется на испарение воды и образование облаков и только около 0,02 % используется биосферой. Зеленые расте­ния усваивают эту энергию, поглощая молекул».) хлорофилла, и про­цессе фотосинтеза преобразуют ее и запасают и форме сахарен.  От этого процесса зависит нее существование биосферы.

Животные, поедая растения, а хищники — травоядных животных, освобождают для себя эту энергию, сжигая сахара и другие пита­тельные вещества при помощи кислорода. Переработка пищи в орга­низмах сопровождается выделением энергии, при этом часть ее запа­сается в форме химической энергии и используется для совершения работы. В отличие от простейших существ, у которых сжигание веществ может происходить в любой части организма, высшие животные обладают специальной системой, распределяющей по орга­низму кислород и энергоносители. В легких кровь поглощает кисло­род и выделяет углекислый газ, в кишечнике она получает пита­тельные вещества. Процессы переваривания пищи обеспечивают раз­ложение сложных компонентов пищи на более простые, которые усваиваются кишечником и поступают в кровь, при этом высво­бождается энергия. Конечные продукты обмена веществ (избыток солей, воды, чужеродные и токсичные соединения) поступают через почки в мочу и выводятся из организма.

Животные не получают необходимую им энергию непосредствен­но от Солнца. Для добывания пищи им нужна сенсорная система ее обнаружения (глаза, уши, нос или сонар — ультразвуковой лока­тор, иные органы) и мускульная система, приводящая в движение их органы (руки, ноги, плавники, крылья и т.д.). Кроме того, у растений и животных имеются регулирующие системы — железы, выделяющие гормоны, и нервная система. В организме постоянно со­вершается работа: перекачивается кровь, поглощаются питательные вещества, происходят процессы возбуждения молекул, в которых запасается энергия, выводятся отходы жизнедеятельности и вредные вещества и т. д. Для создания упорядоченных систем (высокого уров­ня генетической или нервной организации) тоже необходима энер­гия. Эффективное функционирование всех систем обеспечивается также информацией о внешнем и внутреннем окружении. Работа со­стоит в выработке сигналов, которые регулируют энергетические процессы, организуют биоструктуры, контролируют расход энергии на разные раздражители и т. п.

Удовлетворение энергетических потребностей организмов проис­ходит в рамках равновесия, которое устанавливается между различ­ными организмами данной среды обитания (экосистемы). Среди оби­тателей обычно выделяют два типа организмов: одни способны не­посредственно использовать солнечную энергию и перерабатывать

в пищу вещества из неживой окружающей среды (автотрофы), дру­гие зависят от остальных производителей энергии, т. е. сами не про­изводят необходимую им пищу {гетеротрофы). Все элементы, из ко­торых построены организмы, многократно используются в биосфе­ре, тем более, что масса всего живого, когда-либо заселявшего Зем­лю, много больше массы самой Земли. Обмен энергии в биосфере отличается от круговорота веществ в ней. Частично энергия рассеива­ется при переходе от продуцентов (зеленых растений) к травоядным, а затем и к плотоядным животным (редуцентам), поэтому необходи­ма постоянная подпитка биосферы солнечной энергией.

Основу биосферы составляет биотический круговорот органичес­ких веществ при участии всех населяющих ее организмов. В законо­мерностях этого круговорота решена проблема развития и длитель­ного существования жизни. Мы не говорим "бесконечного", потому что все на земле имеет конец: сама Земля представляет собой огра­ниченное тело, конечен запас минеральных элементов и т. д. "Един­ственный способ придать ограниченному количеству свойство беско­нечного, — писал академик В. Р. Вильяме, — это заставить его вращаться по замкнутой кривой. Зеленые растения создают органическое вещество, незеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных из распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество и так без конца".

Жизнь на Земле идет именно таким путем. Каждый вид — это только звено в биотическом круговороте. Непрерывность жизни обес­печивается процессами синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют другие организмы. Особенно вели­ка в этом круговороте роль микроорганизмов, которые превращают остатки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растения­ми для синтеза новых органических веществ. При разрушении слож­ных органических соединений высвобождается энергия, теряется ин­формация, свойственная сложно организованным существам. Любая форма жизни участвует в биотическом круговороте, и на нем основана саморегуляция биосферы. Микроорганизмы при этом играют двоякую роль: они быстро приспосабливаются к разным условиям жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источ­ника углерода и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями и потому располагаются выше одноклеточных в эко­логической пирамиде, опираясь на них, как на фундамент.

Биотический круговорот состоит из разных круговоротов, причем каждый биоценоз представляет модель биосферы в миниатюре. Важ­ны и исторические факторы формирования биоценоза, и климат, и ландшафт, и многое другое.  Напри­мер, экосистема леса включает биоценозы различных типов лесов — хвойные, лиственные, тропические, каждый из которых характери­зуется своим круговоротом веществ. В этом  мне кажется проявляется  отличие биотического круговорота  от круговорота энергии, второе отличие:  по закону сохранения энергии энергия не возникает ниоткуда и не уходит в никуда, т.е. преобразование энергии вечно (именно в данном круговороте энергии), а круговорот веществ в природе имеет свое окончание, как уже было сказано выше.

7.   Какие виды взаимодействий Вы знаете и какие из них играют важную роль в повседневной жизни и почему.

В настоящее время известны четыре типа взаимодействий: гра­витационные, слабые, электромагнитные и сильные. Физике XVII—XVIII вв. были известны только гравитационные взаимодей­ствия. Было найдено, что гравитационные силы прямо пропорцио­нальны произведению масс и обратно пропорциональны квадрату расстояния между массами. Мы постоянно ощущаем гравитацию в на­шей жизни. Гравитация (лат gravifas "тяжесть"), или тяготение, не очень существенна при взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную систему и галактики. По закону всемирного тяготения (открытого Ньютоном), описываю­щему это взаимодействие в хорошем приближении, две точечные массы притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соеди­няющей их прямой: Fгр= - Gm1*m2/r2

Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние между телами (считается, что размер тел много меньше г), m1 и m2  — массы тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67-1011 Н. Если бы величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждение об универсальности постоян­ной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными рас­стоянием в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно гово­рить об универсальности постоянной G и о том, что она определяет структуру гравитирующих систем.

Обратимся теперь к электромагнитному взаимодействию. И элек­трические, и магнитные силы обусловлены электрическими заряда­ми. Силы взаимодействия между зарядами сложным образом зависят от положения и движения зарядов. Если два заряда  e1 и е2, непод­вижны и сосредоточены в точках на расстоянии г, то взаимодействие между ними чисто электрическое и определяется простой зависимос­тью (закон Кулона):

Здесь сила электрического взаимодействия, направленная вдоль прямой, соединяющей заряды, будет силой притяжения или оттал­кивания в зависимости от знаков зарядов е1 и е2 Через e обозначе­на универсальная постоянная, определяющая интенсивность элект­ростатического взаимодействия, ее значение 8,85 • 1012 Ф/м. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них — протона и электрона — одинакова: это универсальная постоянная, равная 1,6 *10 -19 Кл. Заряд протона считается положительным (обозначает­ся е),   электрона — отрицательным.

Магнитные силы полностью порождаются электрическими тока­ми — движением электрических зарядов. Существуют попытки объе­динения теорий с учетом симметрий, в которых предсказывается су­ществование магнитных зарядов, но они пока не обнаружены. По­этому величина е определяет и интенсивность магнитного взаимо­действия.

Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отда­ют энергию в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Види­мый свет является электромагнитным излучением определенного ди­апазона частот. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу, хотя и проявляются подчас в сложных формах. 'Электромагнитные взаимо­действия определяют структуру и поведение атомов, удерживают атомы от распада, отвечают за  связи между молекулами, т.е. за химические и биологические явления. Гравитация и электромагнетизм — дальнодействующие силы, распространяющиеся на всю Вселенную.

Сильные и слабые ядерные взаимодействия — короткодействую­щие и проявляются только в пределах размеров атомного ядра.

Слабое взаимодействие ответственно за многие ядерные процес­сы, например, такие, как превращение нейтронов в протоны, и сильнее других сказывается на превращениях частиц. Поэтому эф­фективность слабого взаимодействия можно охарактеризовать уни­версальной постоянной связи g(W), определяющей скорость протека­нии процессов типа распада нейтрона. Через ядерное слабое взаимо­действие одни субатомные частицы могут превращаться в другие.

Сильное ядерное взаимодействие имеет более сложную природу. Именно оно препятствует распаду атомных ядер, и не будь его, ядра распались бы из-за сил электрического отталкивания протонов. С этим типом взаимодействия связаны энергия, выделяемая Солн­цем и звездами, превращения в ядерных реакторах и освобождение энергии. В ряде простейших случаев для его характеристики можно ввести величину g(S), аналогичную электрическому заряду, но мно­го большую. Здесь есть некоторые особенности — сильное взаимо­действие не удовлетворяет закону обратной пропорциональности, как гравитационное или электромагнитное: оно очень резко спадает за пределами эффективной области радиусом около 10-15м. Кроме того, внутри протонов и нейтронов также существует сильное взаимодей­ствие между теми элементарными частицами, из которых они состо­ят, следовательно, взаимодействие протонов и нейтронов есть отражение их внутренних взаимодействий. Но пока картина этих глубин­ных явлений скрыта от нас.

Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему времени неясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самым сильным является короткодейству­ющее сильное взаимодействие, электромагнитное слабее его на два порядка, слабое — на 14 порядков, а гравитационнное — самое сла­бое, оно меньше сильного на 39 порядков. В соответствии с величи­ной сил взаимодействия они происходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия происходят при столкновении частиц с око­лосветовыми скоростями, и время реакций, определяемое делением радиуса действия сил на скорость света, дает величину порядка 10-23 с. В случае слабого взаимодействия процессы происходят медлен­ней — за 10-9 с. Характерные времена для гравитационного взаимо­действия порядка 1016 с, или 300 млн лет.

Среди электромагнитных взаимодействий для примера можно выделить химическую реакцию, в медицине -  рентгеновское обследование. Что касается любви – то это соединение всех четырех взаимодействий в одно.

8.   В чем суть соотношения неопределенностей Гейзенберга? Как Вы понимаете слова Ричарда Феймана: «Микрочастицы не похожи ни на что, из того, что Вам хоть когда-нибудь приходилось видеть».

Гейзенберг представил физические величины как совокупность всех возможных амплитуд перехода из одного квантового состояния в другие. Сама вероятность перехода пропорциональна квадрату мо­дуля амплитуды, именно эти амплитуды и наблюдаются в экспери­ментах. Тогда каждая величина должна иметь два индекса, соответ­ствующих верхнему и нижнему состояниям. Эти величины называ­ются матрицами. Гейзенберг получил и уравнения для наблюдаемых величин, но в первоначальном виде они были сложными. В 1926 г. он сумел объяснить отличие двух систем термов для пара- и ортогелия как соответствующих симметричным и антисимметричным решениям его уравнения.

Гейзенберг в решении проблем, которыми начал заниматься с 1925 г., шел от наглядных феноменологических моделей. В 1927 г. он при поддержке Бора и его школы предложил устранить противоре­чие волна — частица, которое он понимал как некую аналогию. Счи­тая, что "совокупность атомных явлений невозможно непосредствен­но выразить нашим языком", он предложил отказаться от представ­ления о материальной точке, точно локализованной во времени и пространстве. Либо точное положение в пространстве при полной не­определенности во времени, либо наоборот — таково требование квантовых скачков.

Страницы: 1, 2, 3