Файл: UMK_KSE_FGOS-3_dlya_studentov_MITRO_2.doc

И самый большой объект в мире, включающий все известные современной науке, – это Метагалактика – наблюдаемая часть Вселенной. Размеры ее по современным оценкам 13,7 млрд световых лет.

Строение Галактики. Виды Галактик

Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют малую часть гигантского скопления звезд и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру. Существенная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс. и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звезд самых различных видов. Наше Солнце – одна из таких звезд, находящихся на периферии Галактики вблизи ее экваториальной плоскости.

Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом: они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения.

Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и практически изолированы друг от друга. Они практически не сталкиваются, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами Галактики.

Астрономы последние несколько десятилетий изучают другие звездные системы, схожие с нашей. Это очень важные исследования в астрономии. За это время внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов.

Число звезд в Галактике порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. В состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, – звездные скопления. Существуют рассеянные звездные скопления, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие скопления не имеют правильной формы; в настоящее время их известно более тысячи.

Наблюдаются шаровые звездные скопления. Если в рассеянных скоплениях содержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет.

В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые состоят в основном из газа и пыли, – это туманности. Они бывают неправильной, клочковатой формы – диффузные, и правильной формы, напоминающие по виду планеты, – планетарные.

Существуют еще светлые диффузные туманности, например Крабовидная туманность, названная за необычную сетку из ажурных газовых волокон. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения – пульса, у которого впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн.

Пространство в Галактике заполнено везде разрежённым межзвездным газом и межзвездной пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля – гравитационное и магнитное. Пронизывают межзвездное пространство космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые при движении в магнитных полях разогнались до скоростей, близких к скорости света, и приобрели огромную энергию.

Галактику можно представить в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, содержащими в основном наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена лишь небольшая часть звезд. Солнце находится на таком расстоянии от центра Галактики, где линейная скорость звезд максимальна. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн. лет.

По внешнему виду галактики условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

Пространственная форма эллиптических галактик – эллипсоиды с разной степенью сжатия. Среди них встречаются гигантские и карликовые. Почти четверть всех изученных галактик относится к эллиптическим. Это наиболее простые по структуре галактики – распределение звезд в них равномерно убывает от центра, пыли и газа почти нет. В них самые яркие звезды – красные гиганты.

Спиральные галактики – самый многочисленный вид. К нему относится наша Галактика и Туманность Андромеды, удаленная от нас примерно на 2,5 млн. световых лет.

Неправильные галактики не имеют центральных ядер, в их строении пока не обнаружены закономерности. Это Большое и Малое Магеллановы облака, являющиеся спутниками нашей Галактики. Они находятся от нас на расстоянии в полтора раза большем диаметра Галактики. Магеллановы облака значительно меньше нашей Галактики по массе и размерам.

Существуют и взаимодействующие галактики. Они обычно находятся на небольших расстояниях друг от друга, связаны «мостами» из светящейся материи, иногда как бы пронизывают одна другую.

Некоторые галактики обладают исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

В 1963 г. начались открытия звездоподобных источников радиоизлучения – квазаров. Сейчас их открыто более тысячи. Квазары являются самыми удаленными наблюдаемыми объектами и, вероятно, представляют собой ядра первых возникших во Вселенной галактик.

Галактики распределены во Вселенной неравномерно, образуя скопления и сверхскопления. Однако и они также распределены неравномерно. Скопления и сверхскопления галактик образуют крупномасштабную ячеистую или сотовую структуру Вселенной, напоминающую пчелиные соты, губку, пену, пемзу. В стенках сот сосредоточены скопления и сверхскопления галактик, а в пространстве между стенками их крайне мало. В еще более крупном масштабе Вселенная однородна.

Концептуальные уровни химии. Учение о составе вещества

Химия – наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Предмет химии – превращения веществ на макроскопическом уровне и анализ этих превращений на микроскопическом, атомно-молекулярном уровне.

Исторически химия прошла четыре концептуальных уровня своего развития. Причем каждый последующий уровень включал в себя и дополнял предыдущий. Первый уровень связан с учением о составе вещества, второй – с развитием структурной химии, третий концептуальный уровень определяется становлением учения о химических процессах, четвертый современный уровень – эволюционная химия.

В конце 17 века зародилось учение о составе вещества. Это было сделано в работах английского ученого Р. Бойля. По Бойлю мельчайшие частицы вещества – атомы, могли соединяться, образуя более крупные частицы – кластеры (сейчас используется термин «молекула», введенный в 17 в. французским ученым П. Гассенди). Бойль утверждал, что свойства веществ зависят от того, из каких химических элементов они состоят. Химический элемент он трактовал как предел разложения вещества. В настоящее время химическим элементом называют вид атомов, имеющих определенный заряд ядра.

Развитием представлений о химических элементах явилось понятие о химических соединениях. Если в состав простых веществ входят атомы только одного элемента, то сложные вещества, или химические соединения, состоят из атомов нескольких элементов. Свойства соединений отличаются от свойств составляющих их элементов.

Расширение круга методов химического анализа и использование количественных методов измерения позволило определять числовые соотношения элементов в соединениях. В начале 19 века французский химик Ж. Пруст установил закон постоянства состава, согласно которому любое соединение содержит элементы в строго определенных массовых пропорциях независимо от способа его получения. Закон Пруста подтверждал гипотезу существования молекул.

В 1860 г. на первом международном съезде химиков были приняты правила написания химических формул и уравнений, а также определены понятия атома, молекулы и химического элемента. Так, атомом была названа наименьшая частица элемента в химических соединениях. А молекулой – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

В 1869 г. Д.И. Менделеевым был открыт периодический закон химических элементов, который гласил: «Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомной массы». На основании этого закона Менделеев упорядочил элементы в виде системы или таблицы и предсказал существование и свойства трех неизвестных в то время элементов, которые вскоре были открыты (галлий, скандий, германий). Эти открытия стали триумфом химической науки. Однако обосновать периодический закон в рамках научных знаний конца 19 века было невозможно в связи с отсутствием представлений о сложности строения атома. В 30-х годах 20 века с созданием атомной и ядерной физики, а также квантовой механики это обоснование появилось. Так, в частности, стало ясно, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома (порядкового номера элемента).

Развитие структурной химии

В 1772 г. А. Лавуазье удалось сжечь алмаз и получить углекислый газ, в результате чего выяснилось, что самый твердый кристалл на Земле по химическому составу ничем не отличается от мягкого графита. И тот и другой – чистый углерод. В 1840 г. Х. Шёнбейн установил, что свойства кислорода при искровом разряде в нем, а также получаемого при электролизе воды, отличаются от свойств обычного атмосферного кислорода, и связал эти отличия с образованием особого газа, названного им озоном. Так была открыта аллотропия – существование одного и того же химического элемента в виде двух или более простых веществ, различных по строению и, как следствие, по свойствам.

В 1823 г. Ю. Либих показал, что гремучее AgONC и циановокислое серебро AgNCO имеют один и тот же состав, но разные свойства. В 1830 г. Й.Я. Берцелиус ввел термин «изомерия» и выдвинул предположение, что различие в свойствах у изомеров, т.е., химических соединений, одинаковых по составу и молекулярной массе, обусловлены различным распределением атомов в молекуле.

Таким образом, в первой половине 19 века химикам стало ясно, что свойства веществ и их качественное многообразие обусловлено не только химическим составом, но и их структурой. Более полное объяснение изомерия получила во второй половине 19 века в трудах Бутлерова (структурная изомерия) и Я.Г. Вант-Гофа (пространственная изомерия). Структурная изомерия является результатом различного порядка связи атомов, а пространственная изомерия – различной пространственной конфигурации атомов.