Тема 7. Квантовая картина мира. Ядерная физика

Квантово-полевая научная картина мира (начало XX в.) сформировалась на основе квантовой гипотезы М. Планка, волновой механики Э. Шредингера, квантовой механики В. Гейзенберга, квантовой теории атома Н. Бора и др. Модели строения атома Дж. Томсона, Э. Резерфорда, Н. Бора. Недостатки моделей. Современная квантово-механическая модель строения атома Э.Шредингера, Л. де Бройля, В.Гейзенберга, Н.Бора. Четыре уровня микромира: молекулярный, атомный, нуклонный и кварковый. Предполагаемое наличие пятого уровня. Атом – мельчайшая частица химического элемента, носитель его свойств. Ядро атома образовано нуклонами – протонами и нейтронами. Заряд атома определяется количеством протонов, число которых равно числу электронов. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электронов достаточно велика, называется орбиталью. Положение электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами. Корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) частиц микромира. Открытие М.Планком дискретности волнового процесса. Неотделимость частиц от создаваемых ими полей. Открытие Луи де Бройлем корпускулярно- волнового дуализма для любого вида материи. Явление фотоэффекта как доказательство корпускулярной природы микрочастиц, дифракция электронов как доказательство волновой природы частиц. Неразрывная связь частиц и полей – единство прерывности и непрерывности в структуре материи.

Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Различают радиоактивность естественную для существующих в природе неустойчивых изотопов, и искусственную – для изотопов, полученных посредством ядерных реакций. Известны три основных вида радиоактивного излучения: альфа- (поток ядер гелия), бета- (поток электронов или позитронов), гамма- излучение (самое коротковолновое электромагнитное излучение). Спонтанное деление тяжёлых ядер. Цепная реакция деления ядер – реакция деления тяжелого атомного ядра под действием нейтронов на более легкие атомные ядра с испусканием вторичных нейтронов. Управляемые реакции деления осуществляются в ядерных реакторах АЭС, неуправляемые – при взрыве атомной бомбы. Термоядерный синтез – реакция образования из легких атомных ядер более тяжелых, происходящая при сверхвысоких температуре и давлении с выделением колоссального количества энергии. Неуправляемая реакция синтеза происходит при взрыве водородной бомбы; трудность практической реализации управляемой реакции. Естественные термоядерные реакторы – звёзды.

Наиболее характерной чертой современной научной картины мира является ее эволюционность. Принцип самоорганизации позволил изучать процессы возникновения и формирования новых, более сложно организованных систем.

Тема 8. Химическая эволюция Земли

Первый этап химической эволюции на Земле

Химическая эволюция — это совокупность процессов, протекавших в Космосе и на ранних этапах существования Земли, приведших к возникновению жизни. На первом этапе образовались литосфера, гидросфера, атмосфера. Литосфера возникла вследствие вулканизма. Ежегодно вулканы выбрасывают на поверхность Земли около 1 км. За время существования Земли, при нынешней активности вулканов, было выброшено такое количество лавы, которой достаточно для образования коры Земли.

Гидросфера также создана вулканами: 3 % массы лавы составляет водяной пар. Пар конденсировался. Это привело к появлению осадков и Первичного океана. Атмосфера образовалась при дегазации лав. Вначале Земля имела первичную атмосферу. Но масса юной Земли оказалась недостаточной для удержания газов, и они улетучивались. Земля увеличила свою массу за счет космической пыли и метеоритов: на Землю ежегодно выпадает 107 кг пыли. К тому же Земля, проходя через пылевое облако, могла получать с космической пылью 10 т органического материала. Вторичная атмосфера возникла тоже за счет дегазации лав и состояла из СО, СО₂, Н₂, Н₂О, N, NНз. Кислород появился в атмосфере благодаря фотолизу — разложению паров воды в верхних слоях атмосферы солнечными лучами. Позже обогащение атмосферы кислородом шло за счет фотосинтеза. Два с половиной миллиарда лет назад исчезли золотоураносные конгломераты, которые формируются только в отсутствии кислорода. В тот же период появляются красноцветы, образующиеся только при наличии кислорода.

Второй этап химической эволюции на Земле

На этом этапе происходило образование низкомолекулярных органических соединений (аминокислот, спиртов, углеводов, органических кислот). Жизнь на Земле основана на углеродистых соединениях. Почему именно углерод стал основой жизни? Во-первых, потому, что углерод образует соединения в виде крупных молекулярных цепочек. Во-вторых, углеродистые соединения взаимодействуют медленно. В-третьих, углерод образует сложные соединения с особой структурой, существенной для протекания важнейших жизненных процессов.

Химическая эволюция началась задолго до возникновения Земли — она началась в Космосе. В межзвездном пространстве обнаружено более 50 органических соединений. В Космосе обычен формальдегид, окись углерода, вода, аммиак, цианистый водород. Эти вещества, как показали эксперименты, могут быть предшественниками аминокислот и других органических соединений. Во внеземном пространстве обнаружены углеводороды, альдегиды, эфиры, аминокислоты, нуклеотиды, ароматические соединения. Обнаружено вещество, имеющее в своем составе 18 атомов углерода. Синтез примитивных углеводородов, начавшийся в Космосе, продолжался во время формирования Солнечной системы и Земли.

Предположения о процессах второго этапа химической эволюции имеют экспериментальное подтверждение. В 1850 г. немецкий химик А. Штеккер осуществил химический синтез аминокислот из аммиака, альдегидов, синильной кислоты. В 1861 г. А. М. Бутлеров, нагревая формальдегид в крепком щелочном растворе, получил смесь Сахаров. Д. И. Менделеев получал углеводы, подвергая карбиды действию водяного пара. Студент Чикагского университета С. Л. Миллер в 1953 г. для дипломной работы, выполненной под руководством С. Фокса, собрал специальный аппарат для проверки возможности абиогенетического синтеза органических соединений. В этом герметическом приборе в течение недели по замкнутой схеме циркулировала смесь газов, которые, по общему мнению, наиболее вероятно содержались в ранней атмосфере Земли: СН4, Н2, NH3. Кипящая вода - источник водяного пара — и холодильник поддерживали циркуляцию газовой смеси. В приборе непрерывно пропускали искры при напряжении 60 тыс. вольт. После этого воду подвергли хроматографическому и химическому анализу Было обнаружено 6 аминокислот (глицин, аланин, аспаргиновая и глутаминовая кислоты и др.), мочевину, молочную, янтарную, уксусную кислоты. Всего было обнаружено 11 органических кислот.

В том, что абиогенетический синтез органики возможен, убеждает такой факт: одно извержение вулкана в настоящее время сопровождается выбросом до 15 т органического вещества. К тому же Земля, проходя через пылевое облако, могла получать с космической пылью 108 т органического материала. Все это, предположительно, могло создать тот "бульон", о котором писали А. Опарин и Дж. Холдейн.