Основы концепции современного естествознания

Хими́ческий потенциа́л   — один из термодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы.

Взрыв — физический или/и химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшомобъёме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов.

     6.2. потенциальная ® кинетическая,

 

При свободных механических колебаниях кинетическая и потенциальная  энергии периодически изменяются. При  максимальном отклонении тела от положения  равновесия его скорость, а следовательно, и кинетическая энергия обращаются в нуль. В этом положении потенциальная энергия колеблющегося тела достигает максимального значения. Для груза на пружине потенциальная энергия – это энергия упругих деформаций пружины. Для математического маятника – это энергия в поле тяготения Земли.

Когда тело при своем движении проходит через положение равновесия, его скорость максимальна. Тело проскакивает положение равновесия по закону инерции. В этот момент оно обладает максимальной кинетической и минимальной потенциальной энергией. Увеличение кинетической энергии происходит за счет уменьшения потенциальной энергии. При дальнейшем движении начинает увеличиваться потенциальная энергия за счет убыли кинетической энергии и т. д. Таким образом, при гармонических колебаниях происходит периодическое превращение кинетической энергии в потенциальную и наоборот.

 

7. Решите задачи:

7.2. На фотографии, полученной с помощью камеры  Вильсона, ширина следа электрона  составляет 0,8 · 10^-3 м. Найти неопределенность в нахождении его скорости.

А_х= 0,8 · 10^-3 м

Соотношение неопределённости Гейзенберга

∆Х· ∆Р ≥ h

∆Р=m·∆V – неопределенность импульса

Mе – масса электрона

h- постоянная Планка

0,8 · 10^-3 м · 9,11 · 10^-31 · ∆υ ≥ 6,625·10^-24Дж·С    ∆υ ≥ (6,625 / 9,11·0,8) · 10^{10 м/с}

 

8. В чем состоит  принцип корпускулярно-волнового  дуализма света? Как он связан с принципом единства природы света?

 

Принцип дополнительности. Итак, из сказанного выше следует, что  корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание – принципа дополнительности (1927). Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

В ходе развития науки открываются все новые свойства элементарных частиц. Взаимная обусловленность свойств частиц свидетельствует о сложной их природе, наличии многогранных связей и отношений. В зависимости от специфики элементарной частицы может появиться тот или иной вид взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое. Сильное взаимодействие обуславливается ядерными силами, оно обеспечивает устойчивость атомных ядер. Электромагнитные взаимодействия, слабые взаимодействия — в процессах распада нейтронов, радиоактивных ядер и предполагают участие в этих взаимодействиях нейтрино. Слабые взаимодействия в 1010—1012 раз слабее сильных. Этот вид взаимодействий в настоящее время достаточно хорошо изучен.

Взаимодействие. Все многообразие взаимодействий подразделяется в современной физической картине мира на 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. По современным представлениям все взаимодействия имеют обменную природу, т.е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами – переносчиками взаимодействий. Каждое из взаимодействий характеризуется так называемой константой взаимодействия, которое определяет его сравнительную интенсивность, временем протекания и радиусом действия.

Какие из нижеперечисленных  явлений можно описать на основе:                   а) волновой, б) корпускулярной, в) как волновой, так и корпускулярной теории света?

 

8.2. дифракция света,  тепловое излучение, прямолинейное 

         распространение света

а) дифракция света  описывается волной теорией.

б) тепловое излучение корпускулярной теорией.

в) прямолинейное распространение света сможет быть объяснено как волновой так и корпускулярной теорией.

9. В каких агрегатных состояниях может находиться вещество? От каких факторов зависит состояние вещества? В каком состоянии вещества находятся звезды? Что является источником энергии Солнца и звезд?

Агрегатные состояния  вещества удобнее всего показывать на одном графике. Графики изменения  потенциальной энергии молекул  в зависимости от расстояния между  ними у различных веществ имеют  индивидуальные характеристики, но одну форму. Индивидуальные характеристики различных веществ можно учесть введением коэффициентов.

Рис. 1. Универсальный  график агрегатных состояний вещества без внешнего давления. 

На (рис.1) показаны зоны твёрдого, жидкого и газообразного состояния  для любых веществ. На универсальном  графике хорошо видно, почему вещество существует в определённых агрегатных состояниях. На основании универсального графика можно дать точные физические признаки агрегатных состояний вещества.

Универсальный график агрегатных состояний  вещества составлен для условий  отсутствия внешнего давления. Внешнее  давление изменяет свойства вещества. Влияние внешнего воздействия на свойства молекул вещества должно рассматриваться в разделе молекулярных основ сопротивления материалов, но современной физике такого раздела нет. Если будет интерес читателей, эта работа будет опубликована позднее.

То, что универсальный график существует, прикладная наука давно заметила, и использует, например, для сравнительного анализа металлов. Чтобы сравнивать свойства различных металлов между собой, испытания проводят при так называемых сходственных температурах, составляющих одинаковую долю от абсолютной температуры плавления, например, 0,5 от абсолютной температуры плавления. Для свинца это  С, для железа  С. При этих температурах свойства свинца и железа достаточно близки. 

Диск нашей  Галактики образован не только звездами. Светящиеся межзвездные облака свидетельствуют  о том, что пространство между  отдельными звездами нельзя считать пустым. Примерно одна сотая часть массы всей нашей Галактики не сосредоточена в звездах, а заполняет межзвездное пространство. Химический состав этого вещества совпадает с составом Солнца, однако его плотность составляет всего одну миллионную часть одной миллиардной части плотности Солнца. В этом межзвездном газе существуют крошечные пылевые частицы. Межзвездные пылевые облака ослабляют свет звезд, которые находятся за ними, и эти звезды кажутся нам более красными, чем на самом деле. Точно так же Солнце на закате кажется нам красным, поскольку его свет проходит через запыленную земную атмосферу. Частицы межзвездной пыли очень малы, их средний диаметр составляет всего около одной десятитысячной миллиметра.

Энергетические запасы Солнца не могут быть бесконечно большими. Солнце имеет конечные размеры, оно содержит конечное количество вещества. Мы можем определить массу Солнца по силе его гравитационного притяжения. Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца по замкнутым орбитам, причем притяжение солнечной массы действует на каждую планету с силой, которая равна центробежной силе, стремящейся увести планету с орбиты. Если бы Солнце полностью состояло из каменного угля, то энергии горения этого угля хватило бы на поддержание нынешнего солнечного излучения в течение примерно 5000 лет. Но Солнце светит уже многие миллиарды лет. Если бы в «солнечной печи» сжигали уголь, то она давно бы уже потухла. Другие химические процессы слабо отличаются от горения: они тоже не дают достаточной энергии, чтобы обеспечить излучение Солнца.

Другим источником энергии  Солнца может быть, в принципе, гравитационное взаимодействие между частицами  его вещества. Если бы в недрах Солнца не было никакого другого источника  энергии, то с течением времени Солнце постепенно сжималось бы. Его диаметр становился бы все меньше и меньше, а каждый грамм солнечного вещества постепенно приближался бы к центру Солнца (в самом грубом приближении-с постоянной скоростью)..

Сегодня мы знаем, что атомные  и ядерные реакции служат наиболее мощными из известных источников энергии. Заметная часть электроэнергии вырабатывается сегодня на атомных электростанциях. В реакторах этих электростанций тяжелые ядра атомов урана распадаются на ядра более легких элементов. При таком распаде освобождается энергия. Еще больше энергии выделяется при ядерных реакциях, в которых легкие ядра объединяются в более тяжелые. Одной из таких реакций является слияние ядер водорода.

 

10. Найдите  энергию, выделяющуюся при термоядерной  реакции:

Массы некоторых изотопов (а.е.м.)

10.2.

+

®

 

+ =4,02820 а.е.

= 3,01603+1,00867=4,02460 а.е.

∆m=0,003360 а.е.

∆Е=∆m×С²=0,00360×1,6605×10²⁷кг ×(3×10⁸)^{2 м2}/с²=0,054×10^-иДж

11. Какие  виды радиоактивного (ионизирующего)  излучения Вы знаете? Дайте понятие  естественного радиоактивного фона. Какое воздействие оказывает  радиоактивное излучение на живые  организмы?

 

При радиоактивном  распаде имеют место три основных вида ионизирующих излучений: альфа , бета и гамма.

Естественный радиоактивный фон — доза излучения, создаваемая космическим излучением и излучением радионуклидов, естественно распределенных в земле, воде, воздухе и других элементах биосферы, пищевых продуктах и организме человека.

Действие излучения на организм неощутимо человеком (люди не имеют органов чувств, которые воспринимали бы ионизирующее излучение). Ионизирующее излучение может оказывать вредное воздействие на здоровье человека (границы между вредом и пользой радиации пока не установлены, поэтому к любому ионизирующему излучению следует относиться как к опасному).

Индивидуальные особенности организма человека проявляются лишь при небольших дозах радиации (чем моложе человек, тем выше его чувствительность к облучению; начиная с 25 лет, человек становится наиболее устойчивым к облучению) чем больше доза облучения, полученная человеком, тем выше вероятность появления у него лучевой болезни.

Видимые поражения кожного покрова, недомогание, характерное для лучевой болезни, появляются не сразу, а лишь некоторое время спустя суммирование доз происходит скрытно (со временем дозы излучения суммируются, что приводит к лучевым заболеваниям).

В результате воздействия  радиации в организме человека нарушается течение биохимических процессов  и обмена веществ. В зависимости  от поглощенной дозы и индивидуальных особенностей организма изменения могут быть обратимыми или необратимыми. При небольшой дозе пораженная ткань восстанавливает свою функциональную деятельность, большая доза при длительном воздействии может вызвать необратимое поражение отдельных органов или всего организма в целом.

При возникновении  ЧС, сопровождающейся ионизирующим излучением, необходимо предпринять все меры, чтобы полученная доза была как можно  меньше. Существует три действенных  способа защиты от радиации: защита временем, защита расстоянием, защита.   

12. Перечислите виды симметрии, которыми обладают следующие объекты:

 

12.2. молекула H₂О, квадрат, яблоко.

 

а) молекула  Н2О обладает зеркальной симметрией.

б) квадрат обладает центральной  симметрией (при повороте относительно центра квадрата на 90° он совпадет с самим собой.)

в) яблоко обладает осевой симметрией (при вращении относительно оси проходящей через полюса, яблоко совпадет само с собой)

 

 13. Какие типы химических связей Вы знаете? Объясните на примере молекул воды механизм образования ковалентной и водородной связей. 

Изобразите: а) структуру  молекулы воды; б) образование водородных связей в воде.

Чем определяются уникальные свойства воды? Перечислите  эти свойства и охарактеризуйте  их биологическую роль.

 

• Одноэлектронная химическая связь
• Металлическая связь
• Ковалентная связь
• Ионная связь
• Ван-дер-ваальсова связь
• Водородная связь
• Двухэлектронная трёхцентровая химическая связь

 

Молекула воды имеет  следующее строение:

Для возникновения водородных связей важно, чтобы в молекулах  вещества были атомы водорода, связанные  с небольшими, но электроотрицательными  атомами, например: O, N, F. Это создает заметный частичный положительный заряд на атомах водорода. С другой стороны, важно, чтобы у электроотрицательных атомов были неподеленные электронные пары. Когда обедненный электронами атом водорода одной молекулы (акцептор) взаимодействует с неподеленной электронной парой на атоме N, O или F другой молекулы (донор), то возникает связь, похожая на полярную ковалентную.

 

Учитывая заметную разницу  зарядов на атомах Н и О соседних молекул, дополнительную прочность этой межмолекулярной связи придает притяжение разноименных зарядов. Водородные связи характерны для таких веществ, как вода H₂O, аммиак NH₃, фтороводород HF.

В водных растворах аммиака или HF эти молекулы образуют водородные связи не только между собой, но и  с молекулами воды. Благодаря водородным связям аммиак NH₃ имеет фантастическую растворимость: в 1 л воды может растворяться 750 л газообразного аммиака! В органических веществах встречаются также внутримолекулярные  водородные связи, сильно влияющие на пространственную форму этих молекул.