этом играют двоякую роль: они быстро приспосабливаются к разным условиям

жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источ­ника углерода

и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями и потому

располагаются выше одноклеточных в эко­логической пирамиде, опираясь на них,

как на фундамент.

Биотический круговорот состоит из разных круговоротов, причем каждый биоценоз

представляет модель биосферы в миниатюре. Важ­ны и исторические факторы

формирования биоценоза, и климат, и ландшафт, и многое другое. Напри­мер,

экосистема леса включает биоценозы различных типов лесов — хвойные,

лиственные, тропические, каждый из которых характери­зуется своим

круговоротом веществ. В этом мне кажется проявляется отличие биотического

круговорота от круговорота энергии, второе отличие: по закону сохранения

энергии энергия не возникает ниоткуда и не уходит в никуда, т.е.

преобразование энергии вечно (именно в данном круговороте энергии), а

круговорот веществ в природе имеет свое окончание, как уже было сказано выше.

7. Какие виды взаимодействий Вы знаете и какие из них играют важную роль

в повседневной жизни и почему.

В настоящее время известны четыре типа взаимодействий: гра­витационные, слабые,

электромагнитные и сильные. Физике XVII—XVIII вв. были известны только

гравитационные взаимодей­ствия. Было найдено, что гравитационные силы прямо

пропорцио­нальны произведению масс и обратно пропорциональны квадрату

расстояния между массами. Мы постоянно ощущаем гравитацию в на­шей жизни.

Гравитация (лат gravifas "тяжесть"), или тяготение, не очень существенна при

взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную

систему и галактики. По закону всемирного тяготения (открытого Ньютоном),

описываю­щему это взаимодействие в хорошем приближении, две точечные массы

притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соеди­няющей их прямой: F

гр= - Gm1*m2/r2

Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние между

телами (считается, что размер тел много меньше г), m1 и m2

— массы тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину

гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг

от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67-1011 Н. Если бы

величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждение об

универсальности постоян­ной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой

момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными рас­стоянием

в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно гово­рить об универсальности

постоянной G и о том, что она определяет структуру гравитирующих систем.

Обратимся теперь к электромагнитному взаимодействию. И элек­трические, и

магнитные силы обусловлены электрическими заряда­ми. Силы взаимодействия

между зарядами сложным образом зависят от положения и движения зарядов. Если

два заряда e1 и е2, непод­вижны и сосредоточены в точках на расстоянии г, то

взаимодействие между ними чисто электрическое и определяется простой

зависимос­тью (закон Кулона):

Здесь сила электрического взаимодействия, направленная вдоль прямой, соединяющей

заряды, будет силой притяжения или оттал­кивания в зависимости от знаков

зарядов е1 и е2 Через e обозначе­на универсальная

постоянная, определяющая интенсивность элект­ростатического взаимодействия, ее

значение 8,85 • 1012 Ф/м. Электрический заряд всегда связан с

элементарными частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них

— протона и электрона — одинакова: это универсальная постоянная, равная 1,6 *10

-19 Кл. Заряд протона считается положительным (обозначает­ся е),

электрона — отрицательным.

Магнитные силы полностью порождаются электрическими тока­ми — движением

электрических зарядов. Существуют попытки объе­динения теорий с учетом

симметрий, в которых предсказывается су­ществование магнитных зарядов, но они

пока не обнаружены. По­этому величина е определяет и интенсивность магнитного

взаимо­действия.

Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отда­ют энергию в

виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Види­мый свет является

электромагнитным излучением определенного ди­апазона частот. Почти все

носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют

электромагнитную природу, хотя и проявляются подчас в сложных формах.

'Электромагнитные взаимо­действия определяют структуру и поведение атомов,

удерживают атомы от распада, отвечают за связи между молекулами, т.е. за

химические и биологические явления. Гравитация и электромагнетизм —

дальнодействующие силы, распространяющиеся на всю Вселенную.

Сильные и слабые ядерные взаимодействия — короткодействую­щие и проявляются

только в пределах размеров атомного ядра.

Слабое взаимодействие ответственно за многие ядерные процес­сы, например,

такие, как превращение нейтронов в протоны, и сильнее других сказывается на

превращениях частиц. Поэтому эф­фективность слабого взаимодействия можно

охарактеризовать уни­версальной постоянной связи g(W), определяющей скорость

протека­нии процессов типа распада нейтрона. Через ядерное слабое

взаимо­действие одни субатомные частицы могут превращаться в другие.

Сильное ядерное взаимодействие имеет более сложную природу. Именно оно

препятствует распаду атомных ядер, и не будь его, ядра распались бы из-за сил

электрического отталкивания протонов. С этим типом взаимодействия связаны

энергия, выделяемая Солн­цем и звездами, превращения в ядерных реакторах и

освобождение энергии. В ряде простейших случаев для его характеристики можно

ввести величину g(S), аналогичную электрическому заряду, но мно­го большую.

Здесь есть некоторые особенности — сильное взаимо­действие не удовлетворяет

закону обратной пропорциональности, как гравитационное или электромагнитное:

оно очень резко спадает за пределами эффективной области радиусом около 10

-15м. Кроме того, внутри протонов и нейтронов также существует сильное

взаимодей­ствие между теми элементарными частицами, из которых они состо­ят,

следовательно, взаимодействие протонов и нейтронов есть отражение их внутренних

взаимодействий. Но пока картина этих глубин­ных явлений скрыта от нас.

Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему

времени неясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самым

сильным является короткодейству­ющее сильное взаимодействие, электромагнитное

слабее его на два порядка, слабое — на 14 порядков, а гравитационнное — самое

сла­бое, оно меньше сильного на 39 порядков. В соответствии с величи­ной сил

взаимодействия они происходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия

происходят при столкновении частиц с око­лосветовыми скоростями, и время

реакций, определяемое делением радиуса действия сил на скорость света, дает

величину порядка 10-23 с. В случае слабого взаимодействия процессы

происходят медлен­ней — за 10-9 с. Характерные времена для

гравитационного взаимо­действия порядка 1016 с, или 300 млн лет.

Среди электромагнитных взаимодействий для примера можно выделить химическую

реакцию, в медицине - рентгеновское обследование. Что касается любви – то

это соединение всех четырех взаимодействий в одно.

8. В чем суть соотношения неопределенностей Гейзенберга? Как Вы понимаете

когда-нибудь приходилось видеть».

Гейзенберг представил физические величины как совокупность всех возможных

амплитуд перехода из одного квантового состояния в другие. Сама вероятность

перехода пропорциональна квадрату мо­дуля амплитуды, именно эти амплитуды и

наблюдаются в экспери­ментах. Тогда каждая величина должна иметь два индекса,

соответ­ствующих верхнему и нижнему состояниям. Эти величины называ­ются

матрицами. Гейзенберг получил и уравнения для наблюдаемых величин, но в

первоначальном виде они были сложными. В 1926 г. он сумел объяснить отличие

двух систем термов для пара- и ортогелия как соответствующих симметричным и

антисимметричным решениям его уравнения.

Гейзенберг в решении проблем, которыми начал заниматься с 1925 г., шел от

наглядных феноменологических моделей. В 1927 г. он при поддержке Бора и его

школы предложил устранить противоре­чие волна — частица, которое он понимал

как некую аналогию. Счи­тая, что "совокупность атомных явлений невозможно

непосредствен­но выразить нашим языком", он предложил отказаться от

представ­ления о материальной точке, точно локализованной во времени и

пространстве. Либо точное положение в пространстве при полной

не­определенности во времени, либо наоборот — таково требование квантовых

скачков.

Так Гейзенберг пришел к формулировке принципа неопределенно­сти,

устанавливающего границы применимости классической физи­ки. Этот принцип,

принесший ему большую известность и до сих пор вызывающий дискуссии,

представляет фундаментальное положение квантовой теории, отражая ограничение

информации о микробъектах самими средствами наблюдения. Гейзенберг подсчитал

Предельную точность определения положения и скорости электрона из так

называемых перестановочных соотношений квантовой меха­ники. В то время в

моде были мысленные эксперименты. Допустим, в какой-то момент нам нужно

угнать положение и скорость электрона. Самый точный метод — осветить электрон

пучком фотонов. Электрон столкнется с фотоном, и его положение будет

определено с точ­ностью до длины волны используемого фотона. Для максимальной

точности нужно использовать фотоны наимень­шей длины, т. е. большей частоты,

или обладающие большими энер­гией Е и импульсом hv/c. Но чем больше импульс

фотона, тем силь­нее он исказит импульс электрона. Чтобы знать точно

положение электрона, нужно использовать фотоны бесконечной частоты, но тогда

и импульс его будет бесконечным, так что количество движе­ния электрона будет

совершенно неопределенным. И, наоборот, же­лая определить точно импульс

электрона, из аналогичных рассужде­ний придем к неопределенности и положении.

Выразив неопределен­ность положения как Dq, а неопределенность импульса как

р, полу­чим Dq Dр³h. Если взять сопряженные им величины — энергию Е и

время t, то квантово-механическое соотношение неопределенности для них будет

Dt DЕ³h.

Высказывание Ричарда Феймана лишь доказывает что, сложно представить

частицу, которая бы обладала свойствами и волны, и частицы.

9. как происходит образование элементов во Вселенной по модели Большого

взрыва. Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе.

Светимость нашей Галактики оценивают числом 1054 эрг/с. Если возраст

Галактики 1010 лет, то при постоянной светимости она выделила за

-это время 2*1061 эрг. При образовании одного ядра гелия выделяется

энергия 2,5* 10-5 эрг. Следовательно, за время существования

Галактики в ней образовалось 1066 альфа-частиц. При массе частицы

6,67*10-24 г это составляет 7*1042 г, а масса Галактики —

4*1044 г. Поэтому к нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н

могло бы быть 7/400, или 1/57, по массе или 1/230 по числу атомов. Это меньше

наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализа состава звездных

атмосфер, космических лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких простых

оценок понятно, как получать согласие модели с данными соотношениями.

Плотность материи во Вселенной r практически совпадает с плот­ностью реликтового

излучения. Она может быть выражена через энергию r = Е/с2, а,

значит, и температуру Е = sТ4. С другой сторо­ны, r = M/(4/3)pR

3, R = (9GMt2/2)1/3 и r (5*105/t2

) г/см3. Здесь время t в секундах. Отсюда ясна связь температуры Т и

времени, прошедше­го от начала расширения: Т@ 1010/Öt

Сначала (при t<0,01 с) температура очень высока, и вещество со­стоит из

нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря при­сутствию электронов,

позитронов, нейтрино и антинейтрино проис­ходит непрерывное превращение n + е

+« р + u- и обратно, р + е- «n+ u. При охлаждении

за первые 10 с число протонов увеличится за счет нейтронов, и начнется

образование дейтерия, трития, изотопа гелия He-3 и Не-4. Через 100 с от начала

расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода получается 0,9,

гелия — 0,09, остальное приходится на более тяжелые элементы. По весу водород

составляет около 0,7, гелий — 0,3. Это и есть химический состав Все­ленной к

началу формирования звезд и галактик.

Для наглядности эту начальную стадию делят на четыре "эры". Для каждой из них

можно выделить преобладающую форму суще­ствования материи, в соответствии с

чем и даны названия.

В самом начале эры адронов, продолжавшейся 0,0001 с, была вели­ка энергия

гамма-квантов. При высоких температурах могли суще­ствовать частицы только

больших масс, для которых существенно и гравитационное взаимодействие.

Элементарные частицы разделяют на адроны и лептоны, причем первые могут

участвовать в сильных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и

медленных, поэтому первые эры получили такие названия.

Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов. Плотность d > 1014, Т

> 1012 К, t< 0,0001 с. Основную роль играет излучение,

количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце

адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но оста­ется некоторое

количество протонов. Из равновесия с излучением

вышли последовательно гипероны, нуклоны, К- и p-мезоны и их античастицы.

Продолжительность эры лептонов 0,0001 <t< 10с, при этом 1010 К

< Т <1012 К; 104 < d < 1014

Основную роль, играют легкие части­цы, принимающие участие в реакциях между

протонами и нейтро­нами. Постепенно из равновесия с излучением вышли мю-мезоны

и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны распались

на электроны, электронное антинейтрино и мю-онное нейтрино. В конце эры

лептонов происходит аннигиляция элек­тронов и позитронов. Спустя 0,2 с

Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино, и они перестают

взаимодействовать с ве­ществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино

сохранились до нашего времени, но температура их должна была снизиться до 2 К,

поэтому пока их не могут обнаружить.

Далее приходит фотонная эра продолжительностью 1 млн лет. Ос­новная доля

массы—энергии Вселенной приходится на фотоны, ко­торые еще взаимодействуют с

веществом. В первые 5 мин эры про­исходили события, во многом определившие

устройство нашего мира. В конце лептонной эры происходили взаимные

превращения прото­нов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов

количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов

стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказы­вались

энергетически более выгодными и, значит, более вероятны­ми. Это определило

скорости реакций, и к началу эры число нейтро­нов остановилось на 15%.

В начале эры излучения 3000 К < T< 1010 К; 10-21

< d < 104г/см3 ней­троны захватываются протонами, и

происходит образование ядер ге­лия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое

количество нейт­ронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое

количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла со­ставить 1/3.

В конце эры температура снизилась до 3 000 К, плотность уменьшилась на 5-6

порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов.

Излучение отделилось от веще­ства, Вселенная стала прозрачной для вещества, и

пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется

гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начина­ет

трать вещество.

В звездную эру, наступившую при t порядка 1 млн. лет, Т прибли­зительно равно 3

000 К, а плотность d порядка 10-21г/см3 Начинается

сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Основными источниками сведений о распространенности химических элементов

служат данные о составе Солнца полученные с помощью спектрального анализа, и

результаты лабораторных химических анализов материала земной коры.

метеоритов пород поверхности Луны и планет.. Принято выражать количество

атомов какого-либо химического элемента по отношению к кремнию в разных

природных системах. поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим

элeментам.

С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает

неравномерно, причем элементы с четным порядковым номе' ром более

распространены, чем с нечетным, особенно элементы с массовым числом, кратным

4, например. Не, С, О, Ne, Мд, Si, S, Ar, Са. ряд максимумов соответствует

элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно 2. 8. 20,

50, 82, 126 . Этим "магическим" числам соответствуют заполненные ядерные

оболочки, характеризующие устойчивые ядра. По этому поводу американс­кие

космохимики Гарольд Юри и Г.Зюсс сказали так: "Представляется, что

распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и

что окружающее нас вещество похоже на юлу космическою ядерною пожара, в

котором оно было создано".

Большинство газов (или летучей части солнечного вещества) — Н, Не, СО, О, N,

СО2 и все инертные газы. Основную часть внутрен­них планет и метеоритов

составляют нелетучие элементы солнечного вещества — Si, Ре, Vg, Са, Al, Mi,

Na. Проводя детальные сравнения, Виноградов показал, что эти породообразующие

элементы планет и метеоритов непосредственно выброшены Солнцем, и не

за­хвачены из других областей Галактики. Некоторые различия в составе планет

связаны с вторичными процессами и тем, что элементы входят в разные

соединения, пребывая в разных агрегатных состоя­ниях. Особенно близок состав

нелетучей части элементов Солнца и наиболее распространенных каменных

метеоритов — хондритов.

Летучая часть солнечного вещества, существующая в виде газов при Т>0, при

низких температурах переходит в твердое состояние, а атомы газов вступают в

соединения. Инертные газы в соединения не вступают, оставаясь и при низких

температурах в газообразном со­стоянии. Земля и метеориты сохранили летучие

элементы в той сте­пени, и какой они проявляли свою активность, поэтому

инертные газы как на Земле, так и в метеоритах встречаются редко. Что каса­ется

изотопного состава С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Со, Ва, К, Си, то он оди­наков на

Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований не

проведено, но для С12:С13 он такой же, как и на Земле. Исследования по инертным

газам показали идентичность изо­топного состава в солнечной системе, но на

других звездах это отно­шение иное.

Таким образом, все тела солнечной системы построены из неболь­шого числа

элементов (около 28 номера таблицы Менделеева распро­страненность существенно

падает) и имеют единое происхождение. Метеориты, большинство которых

оказались очень древними, дали ценную научную информацию об истории

возникновения отдельных тел солнечной системы. По оценкам, основанным на

радиоактив­ном распаде урана, тория, рубидия и калия, их возраст около

4,5—4,6 млрд лет, т. е. совпадает с возрастом Земли и Луны. В них

насчитываются примерно 66 минералов, большинство из них похожи на земные.

Вероятно, метеориты образовались тогда же, что и плане­ты земной группы.

Согласно принятой в геологии классификации, все элементы разделены на четыре

группы. Атмофильные элементы склонны накапливаться в атмосферах; литофильные

образуют твер­дые оболочки планет; халькофильные создают соединения с серой,

подобные меди; сидерофильные способны растворяться в сплавах же­леза.

10. Круговороты каких веществ определяют основные факторы

формирования климата и каким образом.

Планеты земной группы, как предполагают ученые, когда-то были похожи друг на

друга.

Разница в климате возникла из-зи разного круговорота углекислого газа при

обмене им между корой и атмосферой. Как и водяной пар, углекислый газ

является газом парниковым, так как он, пропуская солнечный свет, поглощает

тепло планеты и переизлучает часть его к поверхности.

Оценки сделанные М. Хартром, показали снижение содержания углекислого газа в

атмосфере со скоростью, точно компенсирующей возрастание светимости Солнца.

Он провел аналогичные рассчеты для иных, чем у Земли, расстояний от Солнца и

получил, что при расстоянии от Солнца меньше 1 а. Е. На 5% атмосфера бы

нагрелась настолько, что океаны испарились бы в результате разгоняющегося

парникового эффекта, а на расстоянии дальше на 1% а. Е. От Солнца имело бы

разгоняющееся оледенение. Только в узкой полоске расстояний между 0,95 и 1,01

а.е. Земля смогла бы избежать этой катастрофы климата.

Нелепо предполагать, что это редкая случайность – появление жизни на нашей

планете в таком узком кольце Солнечной системы. Скорее всего, содержание

углекислого газа менялось в соответствии с изменением температуры поверхности

Земли. Этот режим саморегуляции обеспечил нашей планете устойчивость климата.

Эта обратная связь могла обеспечиваться карбонатно-силикатным геохимическим

циклом, который способен отвечать за 80% обмена углекислым газом между

планетой и ее атмосферой на временных интервалах более 0,5 млн. лет.

Началом цикла можно считать растворение содержащегося в атмосфере углекислого

газа в водяных капельках и образование угольной кислоты. Дождевые осадки

разрушали горные породы, состоявшие из соединений кальция, кремния и кислорода.

Угольная кислота вступает в реакцию с породами на поверхности, высвобождая ионы

кальция и бикарбоната, которые поступают в грунтовые воды, а за­тем в океан,

где оседают в скелетах и раковинах планктона и других организмах, состоящих из

карбоната кальция (СаСО3). Останки этих организмов откладываются на

океанском дне, формируя осадочные породы. Дно моря расширяется, через много

тысяч лет эти породы приблизятся к краям континентов. Дно подтягивает их под

берег, они попадают в земные, недра, где на них действуют давление и

температура. Карбонат кальция соединяется с кремнием, образуя силикатные породы

и выделяя углекислый газ, т. е. происходит карбонатный метаболизм. Газ попадает

вновь в атмосферу через извержения вулканов и срединно-океанические хребты.

Цикл завер­шается (рис. 129).

Изменения температуры земной поверхности влияют на количе­ство углекислого газа

в атмосфере и величину парникового эффекта. Пусть по какой-то причине на Земле

стало прохладнее. При более низкой температуре меньше воды испарится из океана

в атмосферу, меньше выпадет дождей, и уменьшится эрозия почвы, вызванная

осадками. Тогда скорость покидания атмосферы углекислым газом уменьшится, а

скорость регенерации его в процессе карбонатного ме­таболизма и поступления в

атмосферу останется на прежнем уровне. Это приведет к накоплению СО2

, усилению парникового эффекта и восстановлению более теплого климата. Если по

какой-то причине на Земле произошло потепление, то обратная связь сработает в

другую сторону, и равновесие установится. Предположим, что все океаны

вымерзли, дожди прекратились,

содержание СО, в атмосфере возросло. При современной скорости выделения

давление его в 1 бар создается за 20 млн. лет, такого коли­чества углекислого

газа хватит на поднятие средней температуры до +50 °С. Значит, льды растают и

восстановится нормальный для жиз­ни климат.

В круговороте углекислого газа большую роль играют живые орга­низмы,

определяющие изменения климата. Часть углекислого газа (около 20 %), не

участвующая в карбонатно-силикатном обмене, вы­водится из атмосферы

фотосинтезирующими растениями. При гние­нии растений и окислении в почве

накапливается СО2, в результате его оказывается в почве больше, чем

было 400 млн. лет назад до появления растений, поэтому превращение силикатных

материалов в осадочные карбонатные породы происходит быстрее. Расчеты

пока­зывают, что исчезновение растений привело бы в повышению тем­пературы на

10° за счет отрицательной обратной связи силикатно-карбонатного цикла.

Страницы: 1, 2, 3