3 Раздел. Структурные уровни и системная организация материи

Тема: Микро-, макро-, мегамиры. Структуры микромира

1. Что такое элементарные частицы?

Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать. Важнейшей характеристикой элементарной частицы является электрический заряд. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса – фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (в честь Ш. Бозе). Среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц вещества. Они составляют 1-й структурный уровень микромира.

2. Каковы критерии деления фундаментальных элементарных частиц на два класса: фермионы и бозоны?

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса – фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (в честь Ш. Бозе). К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам – кванты полей (глюоны, фотоны, векторные бозоны, гравитоны и гравитино). Эти частицы считаются истинно (фундаментальными) элементарными, то есть не имеющими структуры. Главный критерий классификации - фермионы составляют вещество, а бозоны обеспечивают взаимодействие частиц вещества.

3. Сколько «ароматов» и «цветов» кварков вы знаете? Как они называются?

Кварк — фундаментальная частица, обладающая дробным электрическим зарядом и не наблюдающаяся в свободном состоянии. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет» (красный (r, red), синий(b, blue) и зеленый(g, green)).

Чтобы из кварков можно было строить адроны с целыми и полуцелыми значениями изотопического спина, кварки должны содержать изотопический дублет (u, d), причем проекция изотопического спина u-кварка принимается равной +1/2 (отсюда и его обозначение 'u' от английского 'up' - вверх, т.е. изотопический спин u-кварка ориентирован в положительном направлении - по оси). Чтобы из кварков можно было строить странные адроны, нужно ввести третий кварк - s-кварк - носитель странности (strange - странный). Изотопический спин s-кварка полагается равным нулю. В связи с наличием пси-частиц нужно ввести четвертый кварк. Он несет на себе внутреннее квантовое число, которое принято называть charm и обозначается через с. В связи с наличием ню-частиц нужно ввести пятый кварк. Он обозначается через b (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть);. В единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий вводится еще шестой кварк. Он обозначается буквой t ( от top — верхний). U, d, s, c, b, t - сорт или иначе аромат кварка.

4. Чем обусловлена устойчивость атомных ядер?

Атомные ядра - третий структурный уровень микромира, состоящий из протонов и нейтронов. Прочность стабильных атомных ядер и относительная прочность радиоактивных обусловлена сильным взаимодействием ядерных частиц.

5. Чем обусловлена устойчивость атомов и молекул?

Пятый структурный уровень микромира образуют молекулы, состоящие из атомов. Устойчивость молекул обусловлена электромагнитным взаимодействием ядер одних атомов с электронами других и наоборот.

Тема: Виды материи и структуры мегамира

1. Перечислите планеты Солнечной системы в порядке удаления их от Солнца

Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун

2. Какая ближайшая к нам звезда (не считая Солнца)? Каково расстояние до неё?

Ближайшая к Земле звезда - Проксима Центавра. Она находится на расстоянии 4,25 световых лет от Солнца. Считается, что вместе с двойной звездой Альфа Центавра A и B она входит в свободную тройную систему. Двойная звезда Альфа Центавра находится от нас немного дальше, на расстоянии 4,4 световых лет

3. Как масса звезды влияет на время её жизни?

Чем больше масса, тем выше плотность и температура в ядре звезды, тем быстрее идут там термоядерные реакции, тем выше светимость звезды и быстрее заканчиваются запасы топлива. Поэтому жизнь массивных звезд значительно короче, чем маломассивных

4. Перечислите стадии жизни звезды типа Солнца

- Жизнь звезды начинается с гравитационного сжатия протозвездного облака. При этом вещество звезды уплотняется и нагревается, пока в ее недрах не начинаются термоядерные реакции. От массы звезды зависит, насколько быстро протозвезда превратится в звезду. Звезды типа Солнца тратят на эту стадию своего рождения 30 000 000 лет.

- Выделяющаяся в термоядерных реакция энергия увеличивает температуру и давление газа и останавливает сжатие — звезда входит в длительный стабильный период жизни, про который говорят, что она «находится на стадии главной последовательности». Солнце находится на активной стадии сжигания водорода в процессе активного нуклеосинтеза уже около 5 миллиардов лет, и запасов водорода в ядре для его продолжения нашему светилу должно хватить еще на 5,5 млрд лет.

- Когда в ядре звезды истощаются запасы водорода (основного ядерного топлива), ядро сильно сжимается, а термоядерные реакции в участием водорода продолжаются в окружающем его тонком слое. При этом оболочка звезды сильно раздувается и охлаждается, наступает стадия красного гиганта.

- После истощения топлива, питающего вторичную реакцию нуклеосинтеза, снова наступает стадия гравитационного коллапса — на этот раз окончательного. Температура внутри ядра больше не способна подняться до уровня, необходимого для начала термоядерной реакции следующего уровня. Поэтому звезда сжимается до тех пор, пока силы гравитационного притяжения не будут уравновешены силовым барьером. В его роли выступает давление вырожденного электронного газа. Электроны, до этой стадии не участвовавшие в реакциях ядерного синтеза и свободно перемещавшиеся между ядрами, которые находятся в процессе синтеза, на определенной стадии сжатия оказываются лишенными «жизненного пространства» и начинают «сопротивляться» дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Состояние звезды стабилизируется, и она превращается в вырожденного белого карлика, который будет излучать в пространство остаточное тепло, пока не остынет окончательно.

5. Перечислите стадии жизни более массивных звёзд

Первая стадия жизни массивных звезд продолжается 100 000 лет.

Касаемо второй стадии необходимо сказать, что чем массивнее звезда, тем короче время ее жизни, определяемое исчерпанием запасов водорода, и самые крупные звезды сгорают десятки миллионов лет.

Звезды более массивные, нежели Солнце, ждет более зрелищный конец. После сгорания гелия их масса при сжатии оказывается достаточной для разогрева ядра и оболочки до температур, необходимых для запуска следующих реакций нуклеосинтеза — углерода, затем кремния, магния — и так далее, по мере роста ядерных масс. При начале каждой новой реакции в ядре звезды предыдущая продолжается в ее оболочке. На самом деле, все химические элементы вплоть до железа, образовались именно в результате нуклеосинтеза в недрах умирающих звезд этого типа. Но железо — предел; оно не может служить топливом для реакций ядерного синтеза или распада ни при каких температурах и давлениях, поскольку как для его распада, так и для добавления к нему дополнительных нуклонов необходим приток внешней энергии. В результате звезда постепенно накапливает внутри себя железное ядро, не способное послужить топливом для дальнейших ядерных реакций. Как только температура и давление внутри ядра достигают определенного уровня, электроны начинают вступать во взаимодействие с протонами ядер железа, образуются нейтроны. За короткий отрезок времени свободные электроны буквально растворяются в протонах ядер железа, всё вещество ядра звезды превращается в сплошной сгусток нейтронов и начинает стремительно сжиматься в гравитационном коллапсе, поскольку противодействовавшее ему давление вырожденного электронного газа падает до нуля. Внешняя оболочка звезды обрушивается к центру. Энергия столкновения обрушившейся оболочки с нейтронным ядром столь высока, что она с огромной скоростью отскакивает и разлетается во все стороны от ядра — и звезда буквально взрывается в вспышке сверхновой звезды. После этого происходит образование нейтронной звезды, вещество которой сжимается до тех пор, пока не проявится давление вырожденных нейтронов. Теперь уже нейтроны противятся сжатию, требуя себе жизненного пространства. В итоге образуется быстро вращающаяся нейтронная звезда, испускающая электромагнитные импульсы с частотой ее вращения (пульсары). Если масса ядра звезды превышает 30 солнечных масс, ничто не в силах остановить ее гравитационный коллапс, и в результате вспышки сверхновой образуется черная дыра.

Тема: Концепции химии. Учение о составе вещества. Развитие структурной химии. Учение о химических процессах

1. Сколько концептуальных уровней химии Вам известно? Назовите их

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

2. Назовите виды изомерии

В изомерии можно выделить два основных вида: структурная изомерия и изомерия пространственная (стереоизомерия). В свою очередь структурная делится на изомерию углеродной цепи (углеродного скелета), валентную изомерия, изомерию функциональной группы, изомерию положения. Пространственная изомерия (стереоизомерия) делится на диастереомерию (цис, транс — изомерия), энантиомерию (оптическая изомерия).

3. Что такое учение о химических процессах? На какой идее оно базируется?

В XIX веке происходит интенсивное развитие учения о химических процессах, составившего третий концептуальный уровень химии.

Химической реакцией или химическим процессом называется процесс превращения веществ, который сопровождается изменением их состава и (или) строения. Учение о химических процессах основывается на идее о том, что способность к взаимодействию различных химических реагентов зависит не только от химического состава этих исходных веществ, но еще и от ряда факторов: температуры, давления, излучения, наличия растворителей, катализаторов и т.д. В связи с этим важнейшей задачей химии становится задача разработки методов управления химическими процессами с целью получения нужных продуктов реакций в необходимых количествах.

4. Каков возможный механизм действия катализатора?

Механизм действия катализаторов весьма сложен и до конца не изучен. Основная гипотеза, объясняющая влияние катализатора на скорость реакции, в упрощенном виде состоит в том, что катализатор реагирует с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение, как правило, с малой энергией активации по отношению ко второму исходному веществу. Это промежуточное соединение вступает в реакцию со вторым исходным веществом, образуя конечный продукт реакции и выделяя катализатор в первоначальном виде. Именно поэтому катализатор в процессе реакции не расходуется.

5. Приведите примеры проявления хиральности в природе

В качестве примера проявления хиральности в природе можно привести открытие Луи Пастера – ему удалось выделить левые и правые кристаллы винной кислоты. Сюда же можно отнести кристалл кварца, асимметрическую винтовую раковину моллюска, руки человека, аминокислоты природного происхождения. Всё это хиральные объекты, т.е. несовместимые со своим зеркальным отображением.