Атомные ядра и нуклоны. Изотопы. Дефект массы и энергия связи ядер. Деление ядер и термоядерный синтез. Цепная реакция.

Согласно протонно-нейтронной модели атомные ядра состоят из элементарных частиц двух видов: протонов и нейтронов. Протоны — это элементарные частицы, которые являются ядрами атомов легчайшего элемента — водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается Z. Протон имеет положительный электрический заряд, по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду. Протон имеет конечные размеры порядка 10^-13 см, хотя его нельзя представить как твердый шарик, скорее он напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигулирующих виртуальных частиц. Нейтроны электрически нейтрален, т.е. его заряд равен 0. Нейтрон устойчив только в составе стабильных атомных ядер, свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше времени вследствие сильного поглощения их ядрами. Общее название протона и нейтрона - нуклон. В ядре нуклоны связаны силами особого рода - ядерными. Проведенные измерения показали, что размеры ядер атомов всех элементов порядка 10^-15 - 10^-14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атома.

Изотопы - разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся числом нейтронов всоставе ядра. Химически простые природные вещества являются смесью изотопов.

Мааса ядра определяется массой входящих в его состав нейтронов и протонов. Поскольку любое ядро состоит из Z протонов и N нейтронов N=A-Z, где А - массовое число нуклонов в ядре, то на первый взгляд масса ядра должна просто равняться сумме масс протонов и нейтронов. Однако, как показывают результаты измерений, реальная масса всегда меньше такой суммы. Их разность получила название дефекта массы m.

Минимальная энергия Е_св , которую нужно затратить для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра. Эта энергия расходуется на совершение работы против действия ядерных сил притяжения между нуклонами. На основании закона сохранения энергии можно утверждать, что при образовании ядра из отдельных нуклонов выделяется энергия, равная энергии связи. Энергия связи очень велика. С энергией связи непосредственно связано происхождение дефекта массы. Е_св = mс².

Деление атомных ядер - это особый процесс, характерный только для самых тяжелых ядер, начиная от тория и далее в сторону больших Z. Этот процесс может происходить под действием различных частиц (в основном нейтронов) и носит характер ядерной реакции. Но может происходить спонтанно и носить характер особого вида радиоактивного распада. Суть процесса деления состоит в раскалывании тяжелого ядра на два осколка с примерно равными зарядами и массами. Чтобы деление произошло, ядро должно деформироваться, вытянуться, что требует первоначальных затрат энегрии. Эту энергию оно получает при захвате какой-то частицы. Другой способ - чем тяжелее ядро, тем меньше период спонтанного деления.

Так как между атомными ядрами на малых расстояниях действуют ядерные силы притяжения, при сближении двух ядер возможно их слияние, т.е. синтез более тяжелого ядра. Ядра должны обладать достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание. В природе реакции синтеза происходят в очень горячем веществе: в недрах звезд. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называется термоядерным. Особенность термоядерных реакций как источника энергии - очень большое ее выделение на единицу массы реагирующих веществ - в 10 млн. раз больше, чем в химических реакциях.

Цепная реакция была открыта в 1939 году: выяснилось, что при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две-три части. Было также обнаружено, что при делении ядер урана, кроме осколков, вылетают также 2-3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях они могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. Необходимое условие для осуществления цепной реакции - наличие большого кол-ва урана-235, так как для разрушения ядер изотопа урана-238 энергия нейтронов недостаточна.

№40

Систематика элементарных частиц. Кварки и лептоны. Античастицы и барионная ассиметрия природы. Представление о физическом вакууме и виртуальных частицах. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий.

Элементарные частицы - первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Всего их более 350 (протоны, электроны, мюоны и др.). В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино), квазистабильные (распадающиеся при электромагнитном и слабом взаимодействиях) и резонансы (частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия).

В соответствии с четырьмя видами фундаментальных взаимодействий различают соответственно четыре вида элементарных частиц: адроны (мезоны - пионы и каоны, и барионы - нуклоны и гипероны), участвующие во всех взаимодействиях, лептоны (электрон, мюон,электронное нейтрино, мюонное нейтрино), не участвующие только в сильном (а нейтрино и в электромагнитном), фотон, участвующий только только в электромагнитном взаимодействии, и гипотетический гравитон - переносчик гравитационного взаимодействия.

Кварки и лептоны - это истинно элементарные частицы, которые на данном этапе науки считаются неразложимыми. Они относятся к частицам вещества. Кварк - частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом, составной элемент атомов. Кварки также имеют две внутренние степени свободы - «аромат» и «цвет» (степень свободы - независимое возможное изменение состояния физической системы, обусловленное вариациями ее параметров). Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний, которые условно называют красным, синим и желтым. В наблюдаемых адронах кварки скомбинированы таким образом, что возникающие состояния не несут цвета - являются «бесцветными». Ароматов известно пять и предполагается наличие шестого. Свойства кварков разных ароматов различны. Обычное вещество состоит из легких u- и d- кварков, входящих в состав нуклонов ядер. У кварка дробный электрический заряд, кратный или равный одной трети заряда электрона. Лептоны - это эелментарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. Каждая из пар лептонов объединяется с соответствующей парой кварков в четверку, которая называется поколением.

У многих частиц существуют двойники в виде античастиц, с теми же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т.д. (электрон - позитрон, протон - антипротон и др.). Существование античастиц впервые предсказал П. Дирак в 1928 г. Из уравнения Дирака для релятивистского движения электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу, но положительный электрический заряд. Характерная особенность поведения астиц и античастиц - их аннигиляция при столкновении, т.е. переход в другие частицы с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т.п. Операция замены частиц на античастицы называется зарядовым сопряжением. Истинно нейтральные частицы характеризуются особым квантовым числом С, которое называется зарядовой четностью и показывает, как ведет себя волновая функция такой частицы при зарядовом сопряжении - меняет знак или нет. Внутренняя четность Р - квантовое число, характеризующее поведение системы при зеркальном отражении. Операция замены знака времени определяется числом Т. Опыты китайских ученых в 1956 г. показали, что сохранение пространственной четности подтверждается экспериметнально только для сильного и электромагнитного взаимодействий, а в слабом скорее всего не соблюдается. Одновременно с этим открытием оказалась опровергнутой симметрия природы относительно операции зарядового сопряжения С. Так, потеряв симметрию пространства и заряда по отдельности, мир оставался СР-симметричным, т.е. античастицы стали рассматриваться как зарядовосопряженные, отраженные в зеркале. Но в 1964 г. был проведен опыт, демонстрирующий нарушение СР-симметрии. В науке все больше укрепляется мнение, что именно благодаря нарушению СР-симметрии произошло разделение вещества и антивещества во Вселенной, без чего вся материя существовала бы в виде океана послеаннигиляционных фотонов. ЗАГАДКА БАРИОННОЙ АССИМЕТРИИ ПРИРОДЫ: Закон - сколько появляется положительного вещества, столько и антивещества. Загадка - куда исчезло антивещество.

Физический вакуум - возможный вид материи, первые представления о котором дал один из создателей квантовой теории поля П. Дирак. Хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточной энергией. Если эта энергия превышает удвоенную энергию покоя, например, электрона, гамма-квант при наличии еще одной частицы (атомного ядра) может, сам исчезнув, породить пару электрон-позитрон, как бы «вырванную» из вакуума.

Виртуальные частицы в квантовой теории - это частицы, которые имеют такие же квантовые числа (спин, электрический и барионный заряды и др.), как и соответствующие реальные частицы, но для которых не выполняется обычная связь между энергией, импульсом и массой. Возможность такого нарушения вытекает из квантового соотношения неопределенностей между энергией и временем и может происходить лишь в течение малого промежутка времени, что препятствует экспериментальной регистрации виртуальных частиц. Соотношение неопределенностей, или принцип неопределенности для энергии и времени гласит: энергию физической системы даже в стационарном состоянии можно измерить лишь с точностью, не превышающей результат деления постоянной Планка на время измерения.

Электромагнитное взаимодействие ответственно за связь электронов с ядрами, атомов в молекулах. Обусловленные им процессы менее интенсивны, чем при сильном взаимодействии. Слабое взаимодейтсвие вызывает переходы между разными типами кварков и, в частности, определяет бета-распады нуклонов в ядрах, когда один из трех кварков, составляющих нуклон, переходит в кварк другого типа и излучает электроны и антинейтрино. Оно также управляет взаимными переходами между различными типами лептонов.

№41

Основные понятия синергетики и принципы самоорганизации открытых систем. Необходимые условия самоорганизации. Уровни самоорганизации в природе. Бифуркации и катастрофы.

Синергетика - это наука о самоорганизации сложных открытых систем. Самоорганизация - процесс формирования в системе все более сложных и сложных подсистем. Этот процесс естественен. Этот процесс вызван не специфическим воздейтсвием извне. Другими словами, самоорганизация в общем понимании - это присущая материи способность к усложнению элементов и созданию все более упорядоченных структур в ходе своего развития; в узком понимании - это скачок, фазовый переход системы из менее в более упорядоченное состояние. В самоорганизации всегда возникает нечто новое, чего раньше не было. Самоорганизация - это междисциплинарная обоасть знания, ведущий принцип всего современного естествознания, применение ко многим предметам, наукам.

В процессе усложнения систем различают два взаимодополняющих механизма: объединение частей и разделение (фракционирование) систем. Механизмы, основанные на этих двух принципах, обнаруживаются на всех уровнях сложности и упорядоченности, начиная с макромира и кончая крупномасштабными структурами Вселенной. На разных уровнях сложности системы в основе лежат силы, казалось бы, разной природы, но в конечном счете все они сводятся к четырем фундаментальным взаимодействиям.

Другая сторона явления самоорганизации - информативность, способность системы любого уровня создавать, накапливать, хранить и использовать информацию, в том числе и о направлении своего развития.

Примеры самоорганизации: торнадо, химические часы, биологические процессы (эволюция), социальные системы (общество), формирование человеческой психики на протяжении жизни.

Необходимые условия самоорганизации:

Открытость системы (взаимодействие с другими системами, с окружающей средой): обмен энергией, обмен веществом, обмен информацией при деградации.

Формирование циклических процессов.

Принцип колыбели. Самоорганизация не происходит везде, а лишь в отдельных, особо сложных частях. Система должна быть погружена в другую систему, более большую ( как бы в колыбели). Нет равноправия. Характер самоорганизации - глобальность деградации и локальность самоорганизации.

Достаточно длительный срок. Системе проще ничего не делать, чем что-то делать. Система обычно находится в состоянии динамического равновесия, т.е. проходят какие-то процессы в системе, но в общем она не изменяется.

Система должна быть достаточно далека от состояния термодинамического равновесия. Иначе больше вероятность деградации, чем самоорганизации.

Уровни самоорганизации в природе:

Космологический - происхождение вещества из вакуума, появление барионной ассиметрии, разделение различных типов фундаментальных взаимодейтсвий, формирование протонов и нейтронов, формирование атомов водорода и гелия, первичный нуклеосинтез, разделение атомов вещеста и электромагнитного излучения.

Астрофизический - формирование галактик, звезд и планетных систем, звездный нуклеосинтез, образование в космосе простейших молекул вплоть до органических.

Геофизический - формирование и эволюция литосферы, гидросферы и атмосферы Земли как благоприятного резервуара для появления сложных органических молекул.

Химический и биохимический - химическая и биохимическая эволюция молекул и молекулярных агрегатов.

Биологический - биологическая эволюция от появления первых клеток до высших животных и человека, формирование и развитие общего в биосфере.

Социальный - социальная эволюция как историческое развитие различных форм человеческих сообществ от первобытных племен до современной всемирной цивилизации.

Психический и интеллектуальный - психическая и интеллектуальная эволюция от появления языка и письменности, мифологии ирелигии до современного состояния единой мировой науки; попытки формирования ноосферы.

Система обязательно когда-нибудь находится в состоянии кризиса, когда любая маленькая деталь может привести к непредсказуемым последствиям, гибели системы. Теория катастроф с математической точки зрения. Катастрофа - это когда при малом взаимодействии система уходит от прежнего динамического состояния и переходит в новое состояние. Система должна пережить катастрофу, чтобы самоорганизоваться.

Бифуркация - разветвление траектории движения тела или дальнейшего пути развития системы в некоторый момент времени. Если предсказание самоорганизации и возможно, то лишь ограниченно, локально, т.к. состояние катастрофы непредсказуемо - бифуркация : либо система «выздоравливает», либо «умирает».

№43

Строение и эволюция Вселенной. Разбегание галактик. Закон Хаббла. Возраст Метагалактики и космологический горизонт.

Вселенная - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой, или нашей Вселенной.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. С эволюцией структуры Вселенной связано возникновение скоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. Сама Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет назад из некоего плотного и горящего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось и что за процессы привели к его расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновении частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в сою очередь возникали более плотные участки - там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики.

Главные составляющие Вселенной - галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность: от ядер атомов до гигантских сверхскоплений галактик. Для Вселенной характерна ячеистая структура, где галактики распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Но «пустоты» существуют не только внутри ячеек. Недавно они обнаружены при исследовании распределения галактик в пространстве и названы «черными областями». Найдены огромные объемы пространста, в которых галактик пока не обнаружено.

Американским ученым Э. Хабблом были проведены измерения скоростей удаления галактик, результаты которых показали, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее.

v = Hr - закон Хаббла.

v - скорость удаления галактик, Н - постоянна Хаббла, r - расстояние до галактики.

Метагалактика - это вся охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной, где существуют миллиарды галактик. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15-20 млрд. световых лет, 10²⁶ м. Возраст Метагалактики оценивается в 1,5*10¹⁰ лет.

№44

Концепция «большого взрыва». Первичный (космологический) нуклеосинтез и реликтовое излучение.

Концепция «большого взрыва».

Э. Хаббл установил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до неё. Это открытие окончательно разрушило существовавшее со времён Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, и которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Указать местоположение этой точки невозможно, т.к. это противоречило бы основному принципу космологии. Согласно общей теории относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривлённого пространства. Передвигаясь по земле в одном направлении, мы в конце концов , пройдя 40 000 км, должны вернуться в исходную точку.

Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения положения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется, на шарике нет выделенных точек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть «воздушный шарик» Вселенной. Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка которых столь же проста и которые объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.

Спустя миллиард лет после «большого взрыва» началось образование галактик. К этому моменту вещество уже успело охладиться и стали появляться стабильные флуктуации плотности среди облаков газа, равномерно заполнявших космос. Локальное увеличение плотности вещества оказывается стабильным, если плотность достаточно велика, так как в этом случае создаётся локальное гравитационное поле, способствующее сохранению вещества в сжатом виде. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращалось в современные галактики. Хотя в общих чертах ясно, что тогда происходило, но механизм образования галактик всё же понятен не до конца и противоречит аккуратным подсчётам наблюдаемых масс галактик и их скоплений.

Первичный (космологический) нуклеосинтез.

Нуклеосинтез –синтез нуклонов (объединение протонов и нейтронов в составные ядра атомов). Он протекает с участием ядерных сил, радиус действия которых не превышает 10^-13 см. Для сближения нуклонов на такие расстояния необходимо по крайней мере выполнение двух условий: свободные нуклоны должны обладать энергией, позволяющей им сблизится до указанных расстояний; их энергия при этом не должна превышать энергии связи нуклонов в ядре, иначе объединение не сможет устойчиво существовать. Поэтому нуклеосинтез может протекать в интервале температур с верхней границей порядка 1 млрд. градусов.

Электрические заряды протонов препятствуют их прямому объединению, для преодоления электростатического отталкивания требуются высокие энергии. В условиях же Вселенной на этапе нуклеосинтеза образование составных ядер возможно только на основе соединений протонов с нейтронами. Соединение протона с нейтроном создаёт ядро дейтерия, с двумя нейтронами – ядро трития. Это два известных изотопа водорода. Образование же ядер других элементов требует, казалось бы, невозможного – объединения двух и большего числа протонов. В конце 20-х годов учёные указали возможный путь нуклеосиинтеза, в его основе лежит процесс нерезонансного захвата нейтрона протоном. В таком процессе захваченный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино (бета-распад) и образуется устойчивое ядро из двух протонов, к которым присоединяется ещё один или два нейтрона, т.е. возникает ядро с атомным числом 3 или 4 одного из двух изотопов гелия, следующего после водорода элемента таблицы Менделеева.

В принципе такой процесс может повториться с ядром гелия, оно увеличит свой заряд на единицу и станет ядром лития, затем ядром бериллия и последующих элементов. Казалось бы, открывается прямой путь для последовательного образования одного за другим ядер всех элементов. Однако в природе переходы от простого к сложному нередко отличаются от наиболее прямых и, в нашем представлении, логичных путей.

Так произошло и в случае нуклеосинтеза в ранней Вселенной. На пути его прямого развития встали элементы с «магическими» числами 5 и 8. дело в том, что любая комбинация протонов и нейтронов, образующая ядро с атомами 5 или 8, оказывается нежизнеспособной, она распадается быстрее, чем образуется. Тем самым цепочка присоединения нейтронов к ядру с последующим их превращением в протоны и последовательным увеличением заряда ядра на единицу обрывается в самом начале, не оставляя надежды на получение ядер с числом нуклонов, превышающим 4. этот барьер на пути нуклеосинтеза физики назвали «щелью массы».

Таким образом, нуклеосинтез в начальной фазе развития Вселенной не мог образовать наблюдаемого в сегодняшней Вселенной разнообразия химических элементов, поэтому его назвали первичным нуклеосинтезом.

Реликтовое излучение.

Начиная с конца 40-х годов нашего века всё большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. В выдвинутой в это время Г.А. Гамовым теории горячей Вселенноё рассматривались ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной в очень плотном веществе. При этом предполагалось, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Теория предсказывала, что вещество, из которого формировались первые звёзды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%), примесь других химических элементов незначительна. Другой вывод теории – в сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой температуры вещества. Такое излучение в ходе расширения Вселенной было названо реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило «память» о структуре барионного вещества в момент разделения (барионное вещество – ничтожная часть Вселенной, её основными компонентами были фотоны (69% по эквивалентной массе) и нейтрино (31%)). В наши дни температура реликтового излучения составляет примерно 3,0 К, что соответствует равновесному излучению абсолютно чёрного тела на длинах волн в области примерно от 10 до 0,05 см с максимумом на длине волны около 0,1 см.

Реликтовое излучение экспериментально обнаружено в 1964 году английским радиофизиком А.А. Пензиасом и Р.В. Вильсоном, что стало выдающимся открытием нашего века и серьёзным подтверждением концепции горячей Вселенной. Излучение пространственного распределения реликтового излучения даёт важную информацию о заключительной фазе начального периода развития мироздания. В частности, оно подтверждает, что к моменту протекания рекомбинации барионное вещество во Вселенной распределялось исключительно однородно и изотропно.

№45

Тонкая подстройка Вселенной и антропный принцип в космологии. Проблема поиска внеземных цивилизаций.

«Тонкая подстройка» Вселенной.

«Тонкая подстройка» Вселенной в определённой степени связана с направленным развитием и заслуживает особого внимания. Всё началось с вопроса: почему так называемые физические постоянные (ФП), например, безразмерные константы четырёх фундаментальных взаимодействий, размерные константы типа гравитационной постоянной, постоянной Планка, заряда электрона, массы электрона и протона, скорости света, имеют такие, а не какие-нибудь иные значения, и что случилось бы со Вселенной, если бы эти значения оказались другими? Правомерность вопроса определяется тем, что численные значения ФП теоретически не обоснованы, они получены экспериментально и независимо друг от друга. Отсутствуют также основания для признания той или иной ФП подлинной константой, имеющей к тому же и универсальную значимость. Так что выдвижение конкретной величины в ранг ФП производится в значительной степени интуитивно. Некоторые из констант, как выяснилось, таковыми не являются. Например, константы фундаментальных взаимодействий на самом деле зависят от расстояния между частицами и при их сильных сближениях (иначе говоря, при высоких энергиях) они существенно меняют свои значения. с другой стороны, выдвигавшиеся Максом Планком предположения о зависимости некоторых ФП от времени пока не подтвердились, мы их продолжаем считать постоянными.

Увеличение постоянной Планка более чем на 15% лишает протон возможности объединятся с нейтроном, т.е. делает невозможным протекание нуклеосинтеза. тот же результат получается, если увеличить массу протона на 30%. Изменение значений этих ФП в меньшую сторону открыло бы возможность образования устойчивого ядра ²Не, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних стадиях расширения Вселенной. Требуемое для этого изменение существующих значений величин не превышает 10%.

Но на этом не заканчиваются «случайные» совпадения. Вот перечень случайностей другого рода. Небольшая асимметрия между веществом и антивеществом позволила на ранней стадии образоваться барионной Вселенной, без чего она выродилась бы в фотонно-лептонную пустыню; неустойчивость нуклонов с атомными числами 5 и 8 прервала первичный нуклеосинтез на стадии образования ядер гелия, благодаря чему смогла возникнуть водородно-гелиевая Вселенная; наличие у ядра углерода ¹²С возбуждённого уровня с энергией, почти точно равной суммарной энергии трёх ядер гелия, открыло возможность для протекания звёздного нуклеосинтеза, в ходе которого образовались все элементы таблицы Менделеева, более тяжёлые, чем водород и гелий; расположение энергетических уровней у ядра кислорода опять же случайно оказалось таким, что не позволяет в процессах звёздного нуклеосинтеза превратиться всем ядрам углерода в кислород, а ведь углерод – это основа органической химии и, следовательно жизни.

Совокупность многочисленных случайностей такого рода называется «тонкой подстройкой» Вселенной. Не менее удивительные совпадения встречаются и при рассмотрении процессов, связанных с возникновением и развитием жизни.

Антропный принцип в космолгии

Вселенная постоянно развивается и её структура усложняется. На определённом этапе такого развития появляется «наблюдатель», способный обнаружить существование «тонкой подстройки» и задуматься о породивших её причинах.

У наблюдателя, обладающего нашей системой восприятия мира и нашей логикой, неизбежно возникает вопрос: случайна ли «тонкая подстройка» Вселенной или она предопределена каким-то глобальным процессом самоорганизации?

В ответ на этот вопрос был выдвинут и в настоящее время широко обсуждается антропный принцип. В современном виде он был сформулирован в 70-е годы в двух вариантах. Первый из них получил наименование слабого антропного принципа: то, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя. Второй вариант назван сильным антропным принципом: Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать наблюдатель.

Слабый антропный принцип истолковывается так, что в ходе эволюции Вселенной могли существовать самые различные условия, но человек-наблюдатель видит мир только на том этапе, на котором реализовались условия, необходимые для его существования. В частности, для появления человека понадобилось, чтобы в ходе расширения вещества образовалась водородно-гелиевая Вселенная, чтобы в ней возникли и развились сначала крупномасштабные, а затем и мелкомасштабные структуры, чтобы появились звёзды, чтобы они образовали тяжёлые элементы, чтобы в следующем поколении самых разнообразных звёзд появились планетные системы и т.д. Понятно, что человек не мог наблюдать перечисленные стадии развития Вселенной, так как физические условия в ней тогда не обеспечивали его появления. С другой стороны, все предшествовавшие появлению человека стадии могли протекать только в мире, где существовала «тонкая подстройка». Поэтому сам факт появления человека уже предопределяет то, что он увидит: современную Вселенную, и наличие в ней «тонкой подстройки». Короче говоря, раз человек есть, то он увидит вполне определённым образом устроенный мир, ибо ничего другого ему увидеть не дано.

В трактовках сильного антропного принципа проявляются две противостоящие линии. С одной стороны, этот принцип рассматривается с позиции стохастичности природных процессов, что вынуждает вводить предположение о множественном рождении вселен, в каждой из которых случайным образом реализуется произвольный набор физических постоянных и физических законов. Случайный перебор всевозможных вариантов создаёт в одной (или нескольких) из них ситуацию «тонкой подстройки» со всеми вытекающими отсюда следствиями.

№46

Происхождение галактик и звёзд. Строение нашей Галактики. Эволюция звёзд. Синтез химических элементов в звёздах. Сверхновые и квазары.

Существует точка зрения, что с самого начала протовещество, из которого впоследствии образовалась Вселенная, с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлетелось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновении частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки – там в последствии и образовались звёзды и даже целые галактики.

Окружающие Солнце звёзды и само Солнце составляют малую часть гигантского скопления звёзд и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру. В первом, самом грубом, приближении можно считать, что звёзды и туманности, из которых она состоит, заполняют объём, имеющий форму сильно сжатого эллипсоида вращения. На самом деле всё обстоит гораздо сложнее, и нарисованная картина является слишком грубой. В действительности разные типы звёзд по-разному концентрируется к центру Галактики и к её «экваториальной плоскости». Например, газовые туманности, а также очень горячие массивные звёзды сильно концентрируются к экваториальной плоскости Галактики. С другой стороны, звёзды и звёздные скопления некоторых типов почти никакой концентрации к экваториальной плоскости не обнаруживают, но зато характеризуются огромной концентрацией в центре. Существенная часть звёзд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс. и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звёзд самых различных видов. Наше Солнце – одна из таких звёзд, находящихся на периферии Галактики вблизи её экваториальной плоскости. Галактика содержит и структурные детали гораздо больших масштабов.

Звёзды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом. Прежде всего они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной её экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения. Звёзды очень сильно удалены друг от друга. (одно столкновение в миллион лет). Число звёзд в Галактике порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. Существуют также двойные и кратные звёзды, а также звёздные скопления –группы звёзд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое. В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые в основном состоят из газа и пыли – туманности. Интересна небольшая диффузная туманность, названная Крабовидной. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения – пульсар. Но даже там, где не видно ни звёзд, ни туманностей, пространство не пусто. Оно заполнено очень разреженным межзвёздным газом и межзвёздной пылью. В межзвёздном пространстве существуют различные поля (гравитационное и магнитное). Галактику можно представить очень упрощённо в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, в основном содержащими наиболее горячие и яркие звёзды и массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диски, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена небольшая часть звёзд. Поэтому при вращении Галактики с увеличением расстояния от центра изменяются и угловая (убывает), и линейные(возрастает) скорости вращения Галактики.

Галактики бывают эллиптические (эллипсоиды с разной степенью сжатости (красные гиганты)), спиральные (наша Галактика, Туманность Андромеды), неправильные (не имеют центральных ядер, в них не обнаружены закономерности).

В ходе структурообразования во Вселенной возникли звёзды, эти ядерные «костры», горение которых поддерживается протекающими в их недрах реакциями нуклеосинтеза. в отличие от первичного он получил название звёздного нуклеосинтеза. Разнообразие типов звёзд и соответственно реакций звёздного нуклеосинтеза, изменение условий протекания таких реакций со временем создало ситуацию, коренным образом отличную от существовавшей в эпоху первичного нуклеосинтеза. отсюда возникло убеждение, что элементы тяжелее гелия рождались (и продолжают рождаться) в недрах звёзд, что они – зола и шлаки звёздных костров. Как же звёздный нуклеосинтез сделал то, что оказалось не под силу первичному нуклеосинтезу – преодолел «щели масс»?

Идея механизма такого преодоления впервые была высказана английским астрофизиком Ф.Хойлом (р.1915). Хойл высказал идею: на определённых стадиях развития некоторых типов звёзд появляются условия для объединения трёх ядер гелия (трёх частиц) в ядро углерода ¹²С. такая реакция решает проблему преодоления «щели масс», оставляя позади сразу оба барьера. Далее открываются возможности образования ещё более тяжёлых, чем углерод, ядер неона, кислорода, кремния и др.

Согласно современным представлениям, присутствующие в межзвёздной среде тяжёлые элементы появились в звёздах типа красных гигантов. Жёлтые карлики типа нашего Солнца поддерживают своё состояние главным образом в результате ядерных реакций, названных водородным циклом. Так что звёзды этого типа не создают элементов тяжелее гелия. Красные гиганты обладают массой, в несколько раз превышающей солнечную, водород в них выгорает очень быстро. В центре, где сосредоточен гелий, их температура достигает нескольких сотен миллионов градусов, что оказывается достаточным для протекания реакций углеродного цикла. В этом цикле три ядра гелия соединяются и образуют возбуждённое ядро углерода. Оно в свою очередь может присоединить ещё одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, затем неона и так вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается и температура в нём поднимается до 3-10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа.

С 1963 года начались открытия звёздоподобных источников радиоизлучения – квазаров. Сейчас их открыто более тысячи. Самый яркий квазар, имеющий обозначение 3С 273, виден как звезда. В действительности этот квазар, находящийся от нас на расстоянии около 3 млрд. Световых лет, излучает больше энергии в оптическом диапозоне, чем самые яркие галактики. Этот квазар оказался одним из самых мощных источников рентгеновского излучения. Блеск квазара не остаётся постоянным, что позволяет оценить размеры квазара. Они превышают размеры одного светового года. Следовательно, квазар больше обычных звёзд, но гораздо меньше нашей галактики. Квазары не похожи на обычные звёзды своими массами. Массы квазаров достигают многих миллионов солнечных масс.

№47

Происхождение и состав Солнечной системы. Исследования планет космическими аппаратами.

Два коренных вопроса планетологии: является ли образование планетных систем во Вселенной правилом или единственная известная человечеству Солнечная система появилась в результате редчайшего совпадения обстоятельств, что делает её уникальной? Каков механизм образования Солнечной системы? Доказательных ответов на эти вопросы пока нет.

Современная научная мысль решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере события такой значимости, как возникновение сложнейшего сообщества звёзд и группы связанных с ними планет. В пользу такой точки зрения говорят известные на сегодняшний день факты, полученные при исследовании звёзд в близких к Солнцу галактических окрестностях. У большинства астрономов на этот счёт сложилось вполне определённое мнение: современная астрономия даёт серьёзные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звёзд, в пользу их типичности, а не исключительности.

За последние 50 лет регулярно поступают сведения, которые истолковываются как аргументы в пользу наличия планетных тел или предпосылок для их образования около большого числа звёзд, находящихся в радиусе примерно 20 парсек от Солнца. Особенно богатая информация начала поступать после запусков астрономических спутников, оснащённых разнообразными исследовательскими приборами высокой точности. Заметно усовершенствовались и наземные средства наблюдения, развиты принципиально новые методы обработки получаемых с их помощью данных.

Начиная с 1983 года американский спутник ИРАС, заслуги которого отмечались в связи с его вкладом в «горячую» модель образования галактик, обнаружил примерно у 10% звёзд, находящихся в окрестностях Солнца, избыточное инфракрасное излучение. По мнению специалистов, оно связано с присутствием вокруг таких звёзд пылевых дисков, содержащих мелкие твёрдые частицы. Детальные наземные исследования этих звёзд подтвердили такие предположения.

О механизме формирования планет, в частности в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причём Солнце – звезда второго (или ещё более позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звёзд предыдущих поколений, скапливавшихся в газопылевых облаках. Это обстоятельство даёт основание назвать Солнечную систему малой частью звёздной пыли. О происхождении Солнечной системы и её исторического эволюции наука знает меньше, чем необходимо для построения теории планетообразования. От первых научных гипотез, выдвинутых примерно 250 лет назад, до наших дней предложено большое число различных моделей происхождения и развития Солнечной системы, но ни одна из них не удостоилась перевода в ранг общепризнанной теории. Большинство из выдвигавшихся ранее гипотез сегодня представляет лишь исторический интерес.

Солнечная система – очень сложное природное образование, сочетающее разнообразие составляющих её элементов с высочайшей устойчивостью системы как целого.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца.

При таком числе и разнообразии составляющих систему элементов, при тех сложных взаимоотношениях, которые устанавливаются между ними, задача теоретического описания Солнечной системы, не говоря уж о задаче определения механизма её образования, оказывается очень непростой.

Согласно современным представлениям, решение проблемы образования Солнечной системы требует учёта присутствующих магнитных полей, плазменного состояния вещества, эффектов взаимодействия магнитных полей с плазмой, магнитогидродинамических и газодинамических явлений, химических взаимодействий элементов. Хотя сегодняшние представления о процессе образования Солнечной системы далеки от завершения, сложилось прочное представление о закономерном характере процессов этого типа, протекающих в общем потоке структурной самоорганизации Вселенной. Локальные структуры формируются при участии двух противоположных, но взаимосвязанных механизмов: фракционирования крупных неорганизованных образований (таких, как газопылевые облака) и аккреции мелких частиц вещества с образованием более организованных крупных объектов, развивающихся потом как естественное тело. Необходимое условие совместного действия этих механизмов – значительная неравновесность среды, в которой происходит формирование структур.

№48

Строение Земли. Вулканизм и землетрясения. Тектоника материков. Атмосфере Земли, климат и погода.

Земля выделена самой природой: в Солнечной системе только на этой планете существуют развитые формы жизни, только на ней локальное упорядочение вещества достигло необычайно высокой ступени, продолжая общую линию развития материи. Именно на Земле пройден сложнейший этап самоорганизации, знаменующий глубокий качественный скачок к высшим формам упорядоченности.

Земля – самая большая планета в своей группе. Но, как показывают оценки, даже такие размеры и масса оказываются минимальными, при которых планета способна удерживать свою газовую атмосферу. Земля интенсивно теряет водород и некоторые другие лёгкие газы, что подтверждают наблюдения за так называемым шлейфом Земли.

Атмосфера Земли кардинально отличается от атмосфер других планет: в ней низкое содержание углекислого газа, высоко содержание молекулярного кислорода и относительно велико содержание паров воды. Две причины создают выделенность атмосферы Земли: вода океанов и морей хорошо поглощает углекислый газ, а биосфера насыщает атмосферу молекулярным кислородом, образующимся в процессе растительного фотосинтеза. Расчёты показывают, что если освободить всю поглощённую и связанную в океанах углекислоту, убрав одновременно из атмосферы весь накопленный в результате жизнедеятельности растений кислород, то состав земной атмосферы в своих основных чертах стал бы подобен составу атмосфер Венеры и Марса.

В атмосфере Земли насыщенные водяные пары создают облачный слой, охватывающий значительную часть планеты. Облака Земли входят важнейшим элементом в круговорот воды, происходящий на нашей планете в системе гидросфера – атмосфера - суша.

Тектонические процессы активно протекают на Земле и в наши дни, её геологическая история далека от завершения. Время от времени отголоски планетной деятельности проявляются с такой силой, что вызывают локальные катастрофические потрясения, отражающиеся на природе и человеческой цивилизации. Палеонтологи утверждают, что в эпоху ранней молодости Земли её тектоническая активность была ещё выше. Современный рельеф планеты сложился и продолжает видоизменятся под влиянием совместного действия на её поверхности тектонических, гидросферных, атмосферных и биологических процессов.

Рельеф земной поверхности в целом характеризуется глобальной асимметрией двух полушарий: одно из них представляет собой гигантское пространство, заполненное водой. Это – океаны, занимающие более 70% всей поверхности. В другом полушарии сосредоточены поднятия коры, образующие континенты. Океаническая и континентальная разновидности коры различаются и по возрасту, и по химико-геологическому составу. Понятно, что рельеф океанического дна отличен от континентального рельефа.

Средняя глубина мирового океана близка к 4 км, отдельные впадины достигают в три раза большей глубины, а отдельные конусы значительно возвышаются над поверхностью воды. Главная достопримечательность океанического рельефа – глобальная система срединных хребтов, тянущаяся на десятки тысяч км. Вдоль хи центральных частей протянулись разломы, так называемые рифтовые зоны, через которые из мантии на поверхность выходят свежие массы вещества. Они раздвигают океаническую кору, формируя её в процессе непрерывного обновления.

Рельеф континентальной части планеты более разнообразен: равнины, возвышенности, плато, горные хребты и огромные горные системы. Отдельные участки суши лежат ниже уровня океана, отдельные горные вершины подняты над его уровнем на 8-9 км. Согласно современным воззрениям, континентальная кора вместе с подстилающими слоями мантии образует систему литосферных континентальных плит. В отличие от литосферы океанов континентальные плиты имеют очень древнее происхождение, их возратс оценивается в 2,5-3,8 млрд. лет. Толщина центральной части некоторых континентальных плит достигает 250 км.

На границах литосферных плит, называемых геосинклиналиями, происходит либо сжатие, либо растяжение коры, что зависит от направления местного горизонтального смещения плит.

Зондирование недр Земли сейсмическими волнами позволило установить их оболочное строение и дифференцированность химического состава. Различают три главные концентрически расположенные области: ядро, мантия и кора. Ядро и мантия в свою очередь подразделяются на дополнительные оболочки, различающиеся физико-химическими свойствами. Ядро занимает центральную область земного геоида и разделяется на две части. Внутреннее ядро находится в твёрдом состоянии, оно окружено внешним ядром, прибывающем в жидкой фазе. Между внутренним и внешним ядрами нет чёткой границы, их разделяет переходная зона. О химическом составе ядра судят по плотности вещества в нём и на основании предположения, что состав ядра идентичен составу железных метеоритов. Чтобы внутреннее ядро оставалось твёрдым, а внешнее жидким, температура в центре Земли не должна превышать 4500 С, но и не быть ниже 3200 С. с жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма. Масса жидкого ядра перемещается при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра.

Плотность и химический состав мантии, по данным сейсмических волн, резко отличаются от соответствующих характеристик ядра. Мантию образуют различные силикаты (соединения в основе которых кремний). Предполагается, что состав нижней мантии подобен составу каменных метеоритов, хондритов.

Верхняя мантия непосредственно связана с самым внешнем слоем – корой. Полагают, что внешняя мантия состоит из оливина, пироксена, полевого шпата.

Хрупкая кора, обладающая высокой степенью жесткости, вместе с частью подстилающей мантии образует собой слой толщиной порядка 100 км, называемый литосферой.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из 8 хим элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий и калий.

Геологические особенности коры определяются совместными действиями на неё атмосферы, гидросферы и биосферы – этих трёх самых внешних оболочек планеты.

Самые верхние оболочки Земли – гидросфера и атмосфера – заметно отличаются от других оболочек, образующих твёрдое тело планеты. По массе это совсем незначительная часть земного шара, не более 0,025% всей его массы. Но значение этих оболочек в жизни планеты огромно. Гидросфера и атмосфера возникли на ранней стадии формирования планеты.

Среди сообщества оболочек Земли особое место занимает биосфера. Она захватывает верхний слой литосферы, почти всю гидросферу и нижние слои атмосферы. Под биосферой понималась совокупность заселяющей поверхность планеты живой материи вместе со средой обитания. Значимость этой системы выходит за пределы чисто земного мира, она представляет собой звено космического масштаба.

№49

Развитие учения о строении вещества.

В основе структурной химии лежит химическая атомистика Дж. Дальтона, согласно которой любой химический индивид стоит из совокупности молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом. Более конкретные представления о структуре молекул содержатся в теории Берцелиуса, который пытался ответить на вопрос: существует ли какая-либо упорядоченность в объединении атомов в молекуле или они объединяются произвольно. И. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы химических элементов обладают различной электроотрицательностью в зависимости места, которое они занимают в ряду элементов с убывающей электроотрицательностью. Атом каждого элемента несет два заряда: положительный и отрицательный, но в зависимости от места в ряду один из зарядов больше. Объединение атомов в молекулу приводит к частичной нейтрализации зарядов.

Полная нейтрализация невозможна из-за неравенства зарядов. Поэтому молекулы каждого соединения обладают также избыточным зарядом и склонны к образованию более сложных молекул в виде комплексов.

Таким образом, по Берцелиусу, молекула представляет собой объединение двух разноименно заряженных атомов или атомных групп-радикалов. В этом заключается содержание понятия ”структура" по Берцелиусу.

Французский химик Ш. Жерар (1816-1856) показал, что структурные представления Берцелиуса соответствуют действительности только в ряде случаев. Молекула является единой неделимой и унитарной системой, в которой все атомы всех элементов взаимодействуют — взаимно преобразуются, в этом сущность "структуры" по Жерару.

Комбинируя атомы разных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соедине­ния.

Таким образом можно создавать схему синтеза любого хими­ческого соединения, в том числе и неизвестного. Однако в неко­торых случаях, хотя формульная схема составлена правильно, химическая реакция может не осуществиться. Поэтому нужно учитывать не только методику составления формул, но и хими­ческую активность реагентов, которая лежит в основе теории химического строения Бутлерова.

Крупным шагом в развитии представлений о строении моле­кул явилась теория химического строения, выдвинутая в 1861 г. выдающимся русским химиком А. М. Бутлеровым.

Основу теории, разработан­ной А. М. Бутлеровым, составляют следующие положения:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валент­ностью.

3. Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от их «химического строения», т. е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой. Теория химического строения Бутлерова сочетается с широкими теоретическими обобщениями и научным предвидением. Бутлеров был убежден в возможности выразить формулами строения молекул химических соединений и притом сделать это путем изучения их химических превращений.

В 30-е годы нашего века теория Бутлерова нашла физическое квантово-механическое обоснова­ние. Согласно современным представлениям структура молекул — это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

Структурная химия охватывает и неорганические материалы. В структурной неорганической химии можно выделить два перспективных направления:

• синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

• создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными, оптическими и другими свойствами.

Исследования последнего времени направлены на разработку эффективных технологий синтеза не только органических, но и неорганических материалов.

Многообразие химических систем.

Системой в химии принято называть рассматриваемое ве­щество или совокупность веществ. При этом системе противопо­ставляется внешняя среда—вещества, окружающие систему. Обычно система физически отграничена от среды.

Различают гомогенные и гетерогенные системы. Го­могенной называется система, состоящая из одной фазы, гетеро­генной—система, состоящая из нескольких фаз. Фазой назы­вается часть системы, отделенная от других ее частей поверхно­стью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.

Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь (все газы при не очень высоких давлениях неограниченно растворяются друг в друге), хотя бы смесь азота с кислородом. Другим примером гомогенной системы может служить раствор нескольких веществ в одном растворителе, например раствор хло­рида натрия, сульфата магния, азота и кислорода в воде. В каж­дом из этих двух случаев система состоит только из одной фазы, из газовой фазы в первом примере и из водного раствора во втором. В качестве примеров гетерогенных систем можно привести сле­дующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, уголь и сера в атмосфере воздуха. В последнем случае система состоит из трех фаз: двух твердых и одной газовой.

Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы.

Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. Скорость гомогенной реакции и скорость гетеро­генной реакции определяются различно.

Скоростью гомогенной реакции называется количество веще­ства, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы .

Неорганические и органические соединения.

Соеди­нения углерода (за исключением некоторых наиболее простых) издавна получили название органических соединении, так как в природе они встречаются почти исключительно в организ­мах хвойных и растений, принимают участие в жизненных процессах или же являются продуктами жизнедеятельности или рас­пада организмов. В отличие от органических соединений, такие вещества, как песок, глина, различные минералы, вода, оксиды углерода: угольная кислота, ее соли и другие, встречающиеся в неживой природе, получили название неорганических или минеральных веществ.

Деление веществ на органические и неорганические возникло вследствие своеобразия органических соединений, обладающих специфическими свойствами. Долгое время считалось, что углеродосодержащие вещества, образующиеся в организмах, в принципе невозможно получать путем синтеза из неорганических соединений.

Органическая химия — химия углеводородов и их производных. Особенность органической химии связана с исключительными свойствами атома углерода и его способностью образовывать химические связи и геометрические структуры, обладающие гораздо большим разнообразием, чем структуры и связи других элементов.

Связь между атомами в молекулах органических веществ — ковалентная. Этим объясняется отсутствие электролитических свойств многих органических веществ.

Органические соединения содержат простые (одинарные) связи между атомами углерода С—С и атомами углерода и водорода С—Н, которые близки друг другу прочности. Поэтому органические вещества взаимодействуют друг с другом с большим трудом или вообще

взаимодействуют.

Органические вещества, как правило, молекулярного строения, поэтому они имеют низкие температуры плавления. Все органические вещества горючи и легко разлагаются при нагревании.Важной особенностью органических соединений является изомерия. Этим объясняется различие свойств веществ, имеющих одинаковый состав и молекулярную массу.

С развитием синтеза органических соединений была уничтожена грань, отделяющая эти соединения от неорганических, однако название «органические соединения» сохранилось. Большинство известных в настоящее время соединений углерода в организмах даже не встречаются, а получены искусственным путем.

№50

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА.

Периодическая система элементов является графичес­ким (табличным) изображением периодического закона.

Прообразом периодической системы был «Опыт сис­темы элементов, основанный на их «атомном весе и хими­ческом сходстве», составленный Д.И. Менделеевым 1 марта 1869 г. Это так называемый вариант длинной формы системы элементов, в нем периоды располагались одной строкой.

Короткая форма периодической системы была опубли­кована Д.И. Менделеевым в декабре 1870г. В этом варианте периоды разбиваются на ряды, а группы — на подгруппы (главные и побочные).

Основным недостатком короткой формы было сочета­ние в одной группе несходных элементов. Недостатком длинной формы — растянутость, некомпактность.

Короткий вариант периодической системы (см. табли­цу) подразделяется на семь периодов — горизонтальных последовательностей элементов, расположенных по воз­растанию порядкового номера, и восемь групп — вертикальных последовательностей элементов обладающих однотипной электронной конфигурацией атомов и сход­ными химическими свойствами.

Первые три периода называются малыми, осталь­ные — большими. Первый период включает два элемента, второй и третий периоды — по восемь, четвертый и пятый — по восемнадцать, шестой — тридцать два, седьмой (незавершенный) — двадцать один элемент.

Каждый период (исключая первый) начинается ще­лочным металлом и заканчивается благородным газом.

Элементы 2 и 3 периодов называются типическими.

Малые периоды состоят из одного ряда, большие — из двух рядов: четного (верхнего) и нечетного (нижнего). В четных рядах больших периодов расположены металлы и свойства элементов слева направо изменяются слабо. В нечетных рядах больших периодов свойства элементов изменяются слева направо, как у элементов 2 и 3 периодов.

В периодической системе любой формы для каждого элемента указывается его символ и порядковый номер, название элемента и значение относительной атомной массы. Координатами положения элемента в системе яв­ляется номер периода и номер группы.

Элементы с порядковыми номерами 58—71, именуе­мые лантаноидами, и элементы с номерами 90-103 — актиноиды — помещаются отдельно внизу таблицы.

Группы элементов, обозначаемые римскими цифрами, делятся на главные и побочные подгруппы. Главные под­группы содержат 5 элементов (или более). В побочные подгруппы входят элементы периодов, начиная с четверто­го.