Атомистическое строение материи. Гипотезы происхождения жизни

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский  государственный университет

сервиса и экономики

 

НОВГОРОДСКИЙ  ФИЛИАЛ

 

Кафедра: «ТЕХНИЧЕСКИХ И ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИн»

 

КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА

Дисциплина: «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

Тема: Атомистическое строение материи. Гипотезы происхождения жизни. Основные принципы и запреты биоэтики.

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент 1курса  613 группы

менеджмент"управление проектом"

Викторова Валентина Александровна

Проверила: Водолазова Надежда Николаевна

 

Великий  Новгород                           

2014 
1.Атомистическое строение материи.

 Атомистика - учение о прерывистом, дискретном (зернистом) строении материи, ее ступенчатой организации. Оно уходит глубокими корнями во времена Древнего Востока и Древней Греции, когда оно было всего лишь гениальной догадкой и не основывалось на каких-либо эмпирических данных. Но, тем не менее, зародившаяся именно в то время, эта теория определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания

Эта концепция, несомненно, обладает огромными возможностями для объяснения свойств и особенностей сложных тел с помощью свойств более простых элементов и частиц посредством метода редукции, т.е. сведения сложного к простому, составного к элементарному. В разное время и на определенном этапе познания были и различные теории строения материи - исторически элементарными и неделимыми частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки.

И даже сейчас, когда мы знаем, что атом вовсе не является последней, неделимой частицей материи и имеет сложное строение, тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции.

 Первоначальные сведения

Представления о веществе и материи как о предметах изучения естественных наук (в первую очередь химии и физики) менялись в соответствии с уровнем развития знаний и использования веществ.

Предположение о том, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц - атомов, было высказано около 2500 лет назад древнегреческими философами Левкиппом и Демокритом в их атомистических гипотезах.

Левкипп (5 век до н. э.) - древнегреческий философ-материалист, один из создателей древней атомистики. Левкипп был учителем Демокрита, фигура которого как создателя завершенной системы атомистики полностью заслонила его учителя. Все элементы мыслились как однородные, непрерывные и потому неделимые (atomoi).

Демокрит (460-370 до н. э.) - понятие «атома», как некоторого неделимого материального индивидуума (греческое atomos, как латинское individuum означает «неделимый», который признается не возникающим и не гибнущим, неразрушимым, не подверженным какому-либо воздействию извне, подлинным бытием, противостоящим пустоте как абсолютному ничто. Атом таким образом превращался у Демокрита просто в геометрическое тело. Демокрит отрицал бесконечную делимость материи. Атомы различаются между собой только формой, порядком взаимного следования, и положением в пустом пространстве, а также величиной и зависящей от величины тяжестью. Они имеют бесконечно разнообразные формы с впадинами или выпуклостями.

Так Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов.

Существенные изменения в атомистическое учение Демокрита внес Эпикур (342-341 до н. э.). Вихревое движение атомов заменяется у Эпикура падением, вводится понятие «веса атомов».

Философская поэма Лукреция(1 век до н. э.) «О природе вещей», излагает учение Эпикура - главным образом его физику. Это единственный полностью сохранившийся памятник материалистической мысли древности, в книгах 1 и 2 излагается атомистическая теория мироздания и идея корпускулярной модели атома.

Корпускула - от латинского „corpuskulum” - частица в классической неквантовой физике.

Тенденция к поиску «элементарных кирпичиков» мироздания, порожденная атомистической концепцией, оказалась плодотворной в объяснении свойств тел. Но она не позволяет понять макроскопические свойства тел, ведь применительно к отдельному атому нельзя говорить ни о давлении, ни о температуре, ни о плотности.

Также большой вклад в развитие идеи атомистического строения внесли такие великие ученые как Коперник, Ломоносов, Фарадей, Менделеев и другие

В 1860 году Менделеев и 6 русских химиков участвовали в Международном конгрессе химиков в Карлсруэ. Съезд строго разграничил понятия: атом, молекула, которые до того времени не различались, что приводило к путанице.

В 1910 году английский физик Эрнст Резерфорд со своими учениками Гейгером и Марсденом провели эксперимент, который дал поразительные результаты, необъяснимые с точки зрения модели Томсона. В то время уже была открыта радиоактивность, о которой в наше время знают даже школьники начальных классов. Радиоактивные вещества способны испускать не только лучи высокой энергии, но и частицы высокой энергии, которые способны проникать сквозь многие предметы. Такие частицы называются альфа-частицами.

Поток альфа-частиц проникает сквозь тонкую золотую фольгу толщиной приблизительно 10000 атомов. Пройдя сквозь золото, альфа-частицы вызывают вспышку при ударе об экран. По вспышкам на экране можно видеть отклонения части альфа-частиц от прямолинейной траектории

В опыте Резерфорда пучок альфа-частиц направлялся на тонкую золотую фольгу, а затем становился видимым на специальном экране со светящимся покрытием. Обнаружилось, что не весь пучок альфа-частиц проходит фольгу насквозь. Некоторые альфа-частицы меняют направление весьма значительно и даже отражаются от тонкого листа золотой фольги, как снаряд от брони! Это могло означать только одно: атомы золота не сплошные, а состоят из "разреженных" пустот (сквозь которые альфа-частицы проходят беспрепятственно) и очень плотных областей, от которых альфа-частицы отскакивают, как мячик. Резерфорд предположил, что атом золота состоит из плотного, положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома, и окружающих это ядро электронов. Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Однако она оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает В 1913 г. опираясь на гипотезу квантов Планка, выдвинул два постулата:

1.электроны в атомах могут находиться только на определённых орбитах, на которых они не излучают;

2.при переходе атома из одного энергетического состояния En в другое Em происходит излучение кванта света с определенной частотой.

Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

 

Современное представление об атоме

Сегодня общепринятой является модель атома, являющаяся развитием планетарной модели. Считается, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется количеством протонов, в то время как количество нейтронов на химические свойства практически не влияет; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов. Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.

Элементарные частицы

Вслед за электроном были открыты элементарные частицы: протон, нейтрон и другие (сейчас их известно более трехсот) и соответствующие им античастицы. Для упорядочения их группируют по массе, времени жизни, спину , электрическому заряду, участию в разных типах фундаментальных взаимодействий и другим признакам.

Кварковая модель строения элементарных частиц существует с 1964 г. (Г.Цвейг, М.Гелл-Ман). Сначала кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы с дробным электрическим зарядом, но они заняли в квантовой хромодинамике роль основных частиц. Открытие возможности превращений одних элементарных частиц в другие показывает, что они тоже имеют сложную внутреннюю структуру. Ее описывают с помощью так называемых «виртуальных» частиц, так как эту внутреннюю структуру невозможно описать через другие частицы, но мы не будемтак углубляться. Одной из важнейших характеристик элементарных частиц является спин.

Спин (англ. spin — вертеть[-ся]) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.

Спин равен ħ*J, где J — характерное для каждого сорта частиц целое (в т. ч. нулевое) или полуцелое положительное число — т. н. спиновое квантовое число, которое обычно называют просто спином (одно из квантовых чисел). В связи с этим говорят о целом или полуцелом спине частицы.

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:

 фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

 бозоны — частицы с целым спином (например, фотон).

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

 Составные частицы:

адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Гипотезы происхождения жизни

1. Креационизм  
Креационизм (от лат. creaсio — создание) — философско-методологическая концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким сверхсуществом (Творцом) или божеством. Никаких научных подтверждений этой точки зрения нет: в религии истина постигается через божественное откровение и веру. Процесс сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. 
Теория креационизма придерживается последователями почти всех наиболее распространенных религиозных учений (особенно христиане, мусульмане, иудеи). 
2. Теория стационарного состояния  
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание. 
3. Теория самопроизвольного зарождения жизни  
Теория спонтанного зарождения жизни существовала в Вавилоне, Египте и Китае как альтернатива креационизму. Она восходит к Эмпедоклу и Аристотелю: определенные «частицы» вещества содержат некое «альтернативное начало», которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель считал, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, солнечном свете, гниющем мясе. У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса – в воде, у Анаксагора – в воздухе. Платон говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе гниения. С распространением христианства идеи самозарождения были объявлены еретическими, и долгое время о них не вспоминали. Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья. Бэкон тоже считал, что гниение – зачаток нового рождения. Идеи самозарождения жизни поддерживали Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель, Ламарк. 
 
4.Гипотеза панспермии 
Гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких зародышей жизни получила название 
панспермии (от греч. pan — весь, всякий и sperma — семя). Эта гипотеза примыкает к гипотезе стационарного состояния. Ее приверженцы поддерживают мысль о вечном существовании жизни и выдвигают идею о внеземном ее происхождении. Одним из первых идею о космическом (внеземном) происхождении жизни высказал немецкий ученый Г. Рихтер в 1865 г. Согласно Рихтеру жизнь на Земле не возникла из неорганических веществ, а была занесена с других планет.  
В связи с этим вставали вопросы, насколько возможно такое перенесение с одной планеты на другую и как это могло быть осуществлено. Ответы искали в первую очередь в физике, и неудивительно, что первыми защитниками этих взглядов выступили представители этой науки, выдающиеся ученые Г. Гельмгольц, С. Аррениус, Дж. Томсон, П.П. Лазарев и др. 
Согласно представлениям Томсона и Гельмгольца споры бактерий и других организмов могли быть занесены на Землю с метеоритами. Лабораторные исследования подтверждают высокую устойчивость живых организмов к неблагоприятным воздействиям, в частности к низким температурам. Например, споры и семена растений не погибали даже при длительном выдерживании в жидком кислороде или азоте. 
Другие ученые высказывали мысль о перенесении «спор жизни» на Землю светом. 
Современные приверженцы концепции панспермии (в числе которых — лауреат Нобелевской премии английский биофизик Ф. Крик) считают, что жизнь на Землю занесена случайно или преднамеренно космическими пришельцами. 
 
5. Теория биохимической эволюции  
В представлениях о зарождении жизни в результате физико-химических процессов важную роль играет эволюция самой планеты. По мнению многих биологов, геологов и физиков, состояние Земли за время ее существования все время изменялось. В очень давние времена Земля была горячей планетой, ее температура достигала 5-8 тысяч градусов. По мере остывания планеты тугоплавкие металлы и углерод конденсировались и образовывали земную кору, которая не была ровной из-за активной вулканической деятельности и всевозможных подвижек формирующего грунта.