4. Принцип близкодействия.

Фарадей, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем от точки к точке с конечной скоростью.

5. Эксперименты Герца и открытие электромагнитных волн.

Открытие предсказанных Максвеллом электромагнитных волн было делом немецкого физика Генриха Герца .

Герц установил три важнейших факта:

1. колебания можно возбудить в линейном проводнике;

2. электрическая искра является генератором электромагнитных колебаний;

3. колебания можно уловить на значительном расстоянии от генератора с помощью контура, в котором индикатором колебаний также служит электрическая искра.

Герц доказывает, что «индукционное действие распространяется в воздухе с конечной скоростью». Однако эксперимент он не считает убедительным (особенно для тех, кто относится к теории Максвелла с предубеждением) и публикует вслед за этим свою знаменитую статью «Об электродинамических волнах в воздухе и об их отражении». Именно в этом исследовании в «почти непосредственно осязаемой форме» были получены электромагнитные волны , или, как говорил Герц , «волнообразное распространение индукции в воздухе».

Герц обнаружил, что «в некоторых положениях вторичного контура, например при приближении к стене, искры снова делаются вполне отчетливыми, но в непосредственной близости к стене они снова исчезают» (подчеркнуто мною.— В. Д.).

Герц дает следующее «простейшее» объяснение наблюдаемому факту: «волнообразно распространяющееся индукционное действие отражается от стен, причем отраженные волны в некоторых местах усиливают падающие, в других—ослабляют, в результате чего, благодаря интерференции обеих волн , в воздухе образуются стоячие волны ».

Опыты, производимые Герцем , давали «осязаемые» результаты: круговым контуром с разрядником в качестве детектора можно было буквально «прощупать» волну .

6. Концепция мирового эфира.

Согласно электромагнитной теории существует неподвижный всюду эфир и движущиеся в нем заряды. Неподвижный эфир заполняет все пространство и с ним можно связывать систему отсчета, которая является инерциальной и более того, выделенной из всех инерциальных систем отсчета. Движение относительно эфира можно рассматривать как абсолютное.

Таким образом, на смену абсолютного пространства пришел эфир, который можно рассматривать как своего рода абсолютную и инерциальную систему отсчета. Т.е. о движении относительно эфира можно говорить и представить, но определить движение невозможно.

Лоренц вынужден был выдвинуть следующую гипотезу : несмотря на существование эфира, движение относительно его определить невозможно.

13. Естествознание XIX века. Химия и биология

Развитие атомно-молекулярного учения, понятие валентности.

Химическая наука делает огромный шаг вперед на основе принципов Лавуазье.

Главным условием развития химической теории становится утверждение атомно-молекулярного учения.

Важный вклад в развитие химии внесли Дальтон, Пруст, Гей-Люссак, Авогадро, открывшие количественные законы.

Открытие явления изомерии (Либих и Вёлер) - явление существования изомеров - веществ одинакового элементного состава, но c разными свойствами) - в итоге дискуссии Либиха и Вёлера было установлено, что существуют 2 резко различных по свойствам вещества состава AgCNO - циановокислое (AgNCO) и гремучее (AgONC) серебро; ещё одним примером послужили винная и виноградная кислоты.

Шведский химик Берцеллиус в 1810-е гг. с хорошей точностью определил атомные веса ≈50 элементов, он разделил все элементы на металлы и неметаллы на основе различий в свойствах образованных ими простых веществ и соединений; он определил, что металлам соответствуют осно́вные оксиды и основания, а неметаллам – кислотные оксиды и кислоты.

Валентность - способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов. Наблюдая способность к насыщению разных металлов и сравнивая состав органических производных металлов с составом неорганических соединений, Франкленд ввёл понятие о «соединительной силе», положив этим основание учению о валентности.

Количественные законы (Дальтон, Авогадро и другие).

Закон кратных отношений Дальтона: химические элементы способны соединяться в строго определенных отношениях, которые выражаются кратными числами. Например, в пяти оксидах азота (N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₅) количество кислорода на одно и то же весовое количество азота относится как 1:2:3:4:5.; ввел понятие атомного веса; атомы разных элементов могут иметь разную массу.

Закон Авогадро: при одинаковых условиях одинаковые объемы всех газов содержат одно и то же число молекул.

Закон объемных отношений Гей-Люссака: объемы реагирующих газов относятся как небольшие целые числа, т.е. как 1:1, 1:2, 1:3.

Закон постоянных отношений Пруста: любое химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами.

Теория химического строения веществ (Бутлеров, Вант-Гофф).

Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова

1) атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям; последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).

например, структурная формула 2-метилпропана C₄H₁₀

2) химическое строение можно устанавливать химическими методами;

3) свойства веществ зависят от их химического строения;

4) по свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства;

5) атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.

Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии (явление существования изомеров - веществ одинакового элементного состава, но c разными свойствами), предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них.

Якоб Вант-Гофф заложил основы теории пространственного строения органических соединений – стереохимии: изучает пространственную изомерию (молекулы могут располагаться по-разному в пространстве):

- четыре валентности углерода имеют четкую пространственную ориентацию и направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом углерода;

- наличие двух пространственных изомеров у соединения, содержащего атом углерода с четырьмя разными заместителями;

- реберное соединение тетраэдров при наличии двойной связи;

- установил, что при повышении температуры на 10°C скорость реакции увеличивается в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа).

Периодический закон химических элементов (Менделеев).

Классическая менделеевская формулировка периодического закона (1869 г.): «Свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от их атомного веса».

Наглядное отражение периодического закона - периодическая система химических элементов.

Физическое обоснование периодический закон получил благодаря разработке ядерной модели атома и экспериментальному доказательству численного равенства порядкового номера элемента в периодической системе заряду ядра.

В результате появилась современная формулировка периодического закона: «Свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера элемента)».

В рамках квантовой теории атома было показано, что по мере возрастания Z периодически повторяется строение внешних электронных оболочек атомов, что непосредственно и обусловливает специфику химических свойств элементов.

Свойства элементов изменяются:

- плавно, т.к. число электронов на внешнем уровне увеличивается на 1;

- периодически, т.к. периодически повторяется число электронов на внешнем уровне.

Свойства повторяются через 16 единиц атомной массы, 8 величин заряда.

Прогресс в цитологии, клеточная теория (Шванн, Шлейден, Флемминг и другие).

Прогресс цитологии связан с развитием методов исследования клеток. Клеточное строение впервые было обнаружено английским учёным Гуком в растительных тканях (1665 г.) благодаря использованию микроскопа. Левенгук впервые описал эритроциты, одноклеточные, сперматозоиды. Исследователи 17 в., положившие начало микроскопическому изучению организмов, в клетке видели лишь оболочку, заключающую в себе полость.

В 30-е гг. XIX в. немецкий учёный Т. Шванн, опираясь на теорию развития клеток немецкого ботаника М. Шлейдена, где особое значение придавалось ядру, сформулировал общую клеточную теорию строения и развития животных и растений, в соответ­ствии с которой образование клеток является универсальным прин­ципом развития любого (и растительного, и животного) организма; клетка — неотъемлемая элементарная основа любого организма.

В. Флемминг: обнаружение в ядре интенсивно окрашивающихся нитей, названных хроматином, при делении клетки эти нити собираются в хромосомы; в процессе клеточного деления (митоза) каждая хромосома расщепляется на две, они расходятся к полюсам и прочее.

Следствием клеточной теории стало пред­ставление, в соответствии с которым процесс клеткообразования регулируется каким-то единым, универсальным механизмом, за кото­рым скрывается загадка наследственности и изменчивости. Указание на существование такого механизма, по сути, являлось первым шагом на пути выделения качественно своеобразной предметной области учения о природе наследственности. Другими словами, создание кле­точной теории позволяло «выйти» на объект генетики.

Эволюционные теории Ламарка и Дарвина.

Жан Батист Ламарк стал создателем первой эволюционной теории.

Ученый определил 2 основных направления эволюционного прогресса:

1) постоянное усложнение уровня организации живых существ, происходящее во времени (учение о градации):

- первые организмы произошли из неорганической природы путем самозарождения, их развитие привело к усложнению живых существ;

- классификация живых существ отражает процесс движения от низших форм к высшим; выделил 14 классов, которые распределил по степени усложнения организации на 6 ступеней (градаций): самый низший уровень – инфузории, высший – млекопитающие;

- для объяснения эволюции предположил существование у всех организмов стремления к самосовершенствованию, изначально заложенного в них Богом;

- одновременное наличие в природе и простых, и более сложных организмов объяснил постоянно продолжающимся процессом самозарождения жизни.

2) увеличение разнообразия под действием условий среды (учение об изменчивости): два закона:

- закон упражнения и неупражнения органов: постоянное употребление органа ведет к его усиленному развитию, а не употребление – к ослаблению или исчезновению (необходимость доставать листья на деревьях ведет к тому, что жираф, стараясь до них дотянуться, постоянно вытягивает шею; редукция глаз у крота из-за неупражнения органов);

- закон наследования благоприятных органов: под действием постоянных упражнений и неупражнений органы изменяются, и возникшие изменения наследуются (вытянувшаяся шея жирафа будет передана следующему поколению); открытие ДНК опровергло этот принцип (проводились опыты на мышах, признаки не передавались по наследству).

Правильно оценив развитие природы от простого к сложному, Ламарк не смог вскрыть причины эволюции и не смог объяснить многие существующие явления (например, наследование неблагоприятных признаков).

Основной труд Чарлза Дарвина, в котором была изложена теория эволюции, называется «Происхождение видов путем естественного отбора». Дарвин отвергал идею божественного творения.

Два механизма эволюции: изменчивость и естественный отбор.

1) изменчивость:

- определенная (групповая) – возникает под влиянием факторов внешней среды и у всех особей проявляется одинаково (при улучшении качества кормов коровы больше производят молока) – не передается по наследству;

- неопределенная (индивидуальная): появление у отдельной особи нового проявления признака, которого не было у предковых форм (используют селекционеры при создании новых пород животных) – передается по наследству; обеспечивает возникновение новых видов..

Искусственный отбор – процесс создания новых пород животных и сортов растений путем систематического сохранения и размножения особей с определенными, ценными для человека признаками и свойствами в ряду поколений.

2) естественный отбор – процесс выживания и размножения наиболее приспособленных особей; материалом для этого отбора служит наследственная изменчивость; в процессе эволюции положительные изменения закрепляются, а отрицательные отбраковываются.

Дарвин выделил 3 формы борьбы за существование:

- межвидовая – взаимоотношения между особями разных видов (острые взаимоотношения или полезные);

- внутривидовая - между особями одного вида;

- борьба с неблагоприятными факторами внешней среды: в засушливое лето гибнут многие растения.

Заслуга Дарвина в том, что он впервые объяснил механизмы эволюции вообще и видообразования в частности.