Файл: Концепций Современного Естествознания.doc

Галактики наблюдаются группами. Наша Галактика, ее спутники (Магеллановы облака), несколько карликовых галактик и туманность Андромеды – всего приблизительно 20, входят в местную группу (систему или скопление) галактик. Вся местная группа галактик движется со скоростью 600 км/сек. Это скопление входит в состав еще большей системы – блинообразное местное сверхскопление, насчитывающее приблизительно 10 тыс. галактик. А всего насчитывается миллиарды галактик, которые объединяются в Метагалактику – обозримую астрономическим наблюдением часть Вселенной.

Отсюда следует, что Вселенной на всех ее уровнях присуща структурность. Гигантские сверхскопления Галактик распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ образных ячеек, которые разделены пустотами гигантского масштаба (в десятки миллионов световых лет). По своей структуре Вселенная напоминает пчелиные соты, где стенки сот – это гигантские сверхскопления галактик.

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 меньшими их. Было предположено, что квазары – это ядра новых галактик и, стало быть, процесс образования галактик продолжается и поныне.

Происхождение галактик. В настоящее время известно две группы гипотез образования галактик: бюраканское и классическое направления.

Бюраканское направление (автор В.А. Амбарцумян) допускает, что эволюция космических тел идет от сверхплотного к разряженному. Звезды и галактики образуются из дозвездной, сверхплотной материи.

Классическое направление (автор Я.Б. Зельдович) допускает, что эволюция космических тел идет от разряженного к плотному состоянию.

5. На современном тапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97 % вещества в нашей Галактики сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры и с разной характеристикой движения.

В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. градусов и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой излучением звезд. Чем массивнее звезда, тем более сложные атомы в ней синтезируются. Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода. Очень массивные звезды производят углерод – главный «кирпичик» живого вещества.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы – так называемые кратные системы, состоящие из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд. Звезды объединены также в еще большие группы – звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру.

---

Существуют очень крупные звезды – красные гиганты, сверхгиганты, нейтронные (их масса равна массе Солнца, но радиус 10-20 км. и состоят из огромного сгустка нейтронов), переменные (меняющие свой блеск и спектр), нестационарные (молодые), звездные ассоциации пр.

Солнце – ближайшая к нам звезда – раскаленный плазменный водородо-гелиевый шар, самосветящийся; звезда 2-го поколения, желтый карлик. Радиус Солнца больше радиуса Земли в 109 раз, а масса – в 330 тыс. раз. На Солнце протекают термоядерные реакции превращения водорода в гелий, выделяющаяся при этом энергия служит источником жизни на Земле. Возраст Солнца приблизительно 5 млр. лет.

Его структура: в центре – раскаленное ядро (Т = 15 * 10⁶ К), в котором протекают ядерные реакции; далее идет зона лучистого переноса, которая доходит до конвективной зоны или зоны переноса энергии излучением, образующей в верхних слоях фотосферу (Т = 5900 К); самая последняя – это хромосфера, на ее поверхности Т = 10⁶ К; края Солнца обрамляет ее корона. По своему составу оно на 70 % состоит из водорода, на 28 % из гелия и 2 % других элементов. Запаса водорода хватит еще не 5 млр. лет. Затем Солнце начнет расширяться до размеров красного гиганта и займет большую часть Солнечной системы, поглотив при этом Меркурий, Венеру и, вероятно, Землю. Если «захвата» Земли не произойдет, то тогда от мощного солнечного излучения засохнут моря и океаны, а температура будет доходить до 2000⁰ К. на следующей стадии произойдет сгорание гелия, что обеспечит запас энергии еще на 100 млн. лет. Затем Солнце перейдет в фазу белого карлика с относительно высокой температурой на поверхности и низкой светимостью и, окончательно погаснув, превратится в черного карлика или звездный «труп».

Процесс эволюции звезд:

обычные звезды белые карлики

з в. ассоциации переменные зв. нестационарные зв. нейтронные зв. нов. и сверхнов. зв. газ. туман.

красные гиганты «черные дыры» белые дыры

6. Отличительной чертой планетоподобных несветящихся тел является величина их массы. Все различия между звездами и планетами являются следствием различия их масс.

Гипотезы происхождения планет. Первая гипотеза, предложенная фран. ученым Ж. Бюффоном в 1748 г. положила начало системе гипотез катастрофизма: планетная система родилась в результате катастрофического столкновения кометы с Солнцем (или со звездой – Дж.Х. Джинс).

Затем в 18 в. (1755 г. – Кант и 1796 г. – Лаплас) преложили научному миру свою космогоническую гипотезу Канта – Лапласа (см. тему 5).

В 1894 г. От. Ю. Шмидт предложил свою гипотезу, согласно которой планеты образовались и холодного газопылевого облака, вращающегося вокруг Солнца. Частицы пыли и холодных газов слипались, образуя зародыши будущих планет.

Другой вариант гипотезы предложили англ. астроном Ф. Хойл и швед. физик Х. Альфвен в 1958 г., согласно которой Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск тоже начинал разгоняться, а Солнце тормозило свое движение, передавая момент количества движения диску. Затем в диске путем фрагментации и сжатия образовались планеты.

---

Развитие планеты. Стадии развития Земли состоят из двух этапов: ранняя история и геологическая история.

Ранняя история (протоархейская) характеризуется медленным темпом эволюции и состоит из трех фаз: фаза аккреции (возрождения), фаза расплавления внешней сферы Земли, лунная фаза.

Фаза аккреции. В эту фазу происходит непрерывное выпадение на растущую Землю тел разных размеров, в т.ч. и крупных. Земля приобрела приблизительно 95 % своей массы, оставаясь холодной. В конце фазы произошло разогревание Земли вследствие интенсивной метеоритной бомбардировки. И внешняя зона планеты расплавилась.

Фаза расплавления внешней сферы Земли. В этот период образуется ядро, мантия и земная кора. С образованием ядра (около 3,7 млр. лет назад) начались внутренние процессы тектонического и вулканического характера. Поверхность Земли представляет собой океан теплового раскаленного расплава с прорывающимися из него газами.

Лунная фаза (4,2 – 3,8 млр. лет назад). В эту фазу происходит остывание раскаленного вещества в следствие излучения тепла в Космос. Образуется тонкий слой первичной коры из базальтов и гранитов. Земная поверхность охлаждается до 100⁰ С.

Геологическая история (от архея до современности) характеризуется быстрым темпом эволюции. После охлаждения земной поверхности до 100⁰ С парообразная вода превратилась в жидкость. Образовались водоемы и возник круговорот воды в природе. Водная атмосфера превратилась в углекислую. В атмосфере преобладают газы – восстановители: водород, аммиак, сероводород, метан, угарный газ. Появление растений привело к формированию атмосферы современного типа.

Гипотезы развития Земли образуют две группы:

• гипотезы катастроф, согласно которым развитие Земли происходит скачкообразно вследствие ряда произошедших геологических катастроф. После каждой создавался новый мир;

• гипотезы эволюции, согласно которым на Земле происходят постоянные непрерывные изменения в одном направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводят к определенным результатам.

Строение планет (для самостоятельного изучения на примере Земли из школьного курса).

Тема 10. Химическая наука об особенностях взаимодействия атомно-молекулярного уровня организации материи.

1. Предмет познания химической науки и ее проблемы.

2. I этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.

3. II этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.

4. III этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.

5. IY этап в развитии химических знаний: проблемы и пути их решения.

1. Д.И. Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях». В научной литературе можно встретить и другие определения понятия «химия»:

«Наука о веществах и их превращениях».

«Наука, изучающая процессы качественного превращения веществ».

---

Но эти определения не учитывают, что химия является не просто суммой знаний о веществах, а упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний.

Химия как наука с момента своего зарождения ставила перед собой весьма практические цели. Поэтому все химические знания, которые были приобретены в течение многих веков, подчинены главной единой задаче химии – задача получения веществ с необходимыми свойствами (производственная задача). Она же является и главной проблемой химии, которая обуславливает развитие самой химии как науки. Вторая проблема непосредственно вытекает из первой – выявление способов управления свойствами вещества (задача научного исследования).

Эти две главные проблемы породили ряд второстепенных проблем, решение которых позволило выделить в развитии химии как науки четыре этапа развития: 1) проблема выяснения состава вещества, которая позволила выяснить, что есть истинное вещество и чем оно отличается от смеси, что есть истинный химический элемент и химическое соединение (XVII); 2) проблема выяснения структуры вещества, которая позволила выяснить, как и благодаря чему соединяются атомы в молекулах, какова связь между химическими и физическими явлениями (XVIII); 3) проблема управления химическими процессам (XIX); 4) проблема создания самоорганизующихся химических систем (XX).

Вся история развития химии является закономерным процессом смены способов решения ее проблем. История химии до 17 в. – это многочисленные бесплодные попытки решения вопроса о происхождении свойств вещества. За это время было предложено два принципиально разных объяснения происхождения свойств тел: атомистическое учение Демокрита и Эпикура и антиатомистическое учение Аристотеля и Анаксагора. В этот период натурфилософия и практическая ремесленная химия существовали раздельно.

Основные химические представления были впервые сформулированы и приняты на I Международном съезде химиков (Карлсруэ, Германия, 1860). Система химических представлений легла в основу атомно-молекулярной теории, основные положения которой в следующем:

• все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном, самопроизвольном движении;

• все молекулы состоят их атомов;

• атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;

• атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Дальнейшее развитие химических знаний позволило дать более точное определение понятия «химия». Химия – это наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.

2. I этап (XVII в.) – Учение о составе вещества.

Действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах англ. ученого Р. Бойля, который показал, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены.

---

При исследовании состава вещества решались три главные проблемы:

• проблема химических элементов;

• проблема химического соединения;

• проблема создания новых материалов, в состав которых входили бы открываемые элементы.

Решение проблемы химического элемента. Первым положил начало современным представлениям о химическом элементе как о «простом теле» Р. Бойль. Однако химики того времени еще не знали ни одного химического элемента. Химики, стремясь получить «простое вещество», пользовались методом прокаливания «сложных веществ», которое приводило к окалине. Окалину и принимали за новый химический элемент. Пример: железо – это сложное тело, состоящее из соответствующего элемента и универсального «невесомого тела» – флогистона (греч. – зажженный).

В 1680 – 1760 гг., благодаря развитию техники, появились точные количественные методы анализа, которые способствовали открытию истинных химических элементов. Благодаря этим методам были открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор и марганец.

В 1772 – 1776 гг. Лавуазье открыл кислород и установил его роль в образовании кислот, оксидов и воды, опровергнув, тем самым, теорию флогистона.

Решение проблемы химического соединения. Применение физических методов исследования вещества открыло физическую природу химизма, которая заключается во внутренних силах, объединяющих атомы в молекулы как единую квантово-механическую систему. В результате с этого времени химия стала по-новому решать проблему химического соединения. Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которого за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицу.

Свой вклад в решение проблемы химического соединения внес фран. химик Ж. Пруст, который в 1801 – 1808 гг. установил закон постоянства состава вещества: «любое химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, независимо от его происхождения и способа получения».

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано англ. Дж. Дальтоном, который открыл закон кратных отношений: «если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа. Согласно этому закону атомы могут замещаться на другие атомы, например:

АВ + С → АС + В

Молекулярная теория строения вещества позволила по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе, и дала начало новой науке – молекулярной физике.

В 1811 г. итал. ученый А. Авогадро установил, что при одинаковых физических условиях (температуре и давлении) равные объемы различных газов содержат равное число молекул (6 × 10²³ молекул).

Решение практических задач, стоящих перед химиками в настоящее время, сопряжено с синтезом новых веществ и анализом их химического состава. Поэтому проблема состава вещества остается в химии актуальной.

---