Концепции современного естествознания

5.5.4Земля - планета Солнечной системы

Особое место в Солнечной системе принадлежит Земле – это единственная планета, на которой в течение миллиардов лет развиваются различные формы жизни. Возраст Земли составляет примерно 4,6 млрд. лет. Существует несколько гипотез о происхождении Земли. Почти все они

62

исходят из того, что исходным веществом для формирования Земли были межзвёздная пыль и газы, однако до сих пор нет ясного ответа на вопрос о том, откуда в составе Земли и других планет появились все химические элементы таблицы Менделеева. Нет однозначного мнения и о тепловом состоянии новорождённой Земли. Гипотеза Канта-Лапласа исходила из огненно-жидкого исходного состояния Земли, которая постепенно остывала.

В 50-е годы 20 века появилась идея об изначально холодной Земле, которая начала разогреваться за счёт выделения тепла при распаде радиоактивных веществ, а так же за счёт столкновения уже образовавшихся твёрдых структур. Предполагается, что при таком разогревании начинают появляться оболочки и, прежде всего, силикатная мантия и железное ядро. За счёт выделившегося тепла на поверхности Земли стали образовываться газы и вода. Постепенно начали своё формирование атмосфера и гидросфера. Земля вращается вокруг оси с линейной скоростью 0,44 км/с, а вокруг Солнца – со скоростью 30 км/с. Средний радиус Земли 378 ·10 6 м, масса

Земли 5,97 ·1024 кг, средняя плотность Земли 5,5 м103 3 кг . Так же, как и другие

планеты, она имеет слоистое строение и состоит из земной коры, мантии и ядра. Средняя толщина земной коры несколько десятков км ( на материках 30-40 км, а под океаном до 10 км). Самая верхняя часть земной коры в значительной степени состоит из осадочных пород (останки вымерших животных и растений). Земная кора очень богата различными полезными ископаемыми: каменный уголь, нефть, газ, руды чёрных и цветных металлов.

Вид Земли из Космоса

63

Внутреннее строение Земли

Самая массивная часть Земли – мантия, составляет 83% объёма Земли и представляет невероятно вязкую жидкость. Температура её 20002500 С, состоит из различных силикатов. Происходящие в ней процессы обусловливают тектоническую и вулканическую активность. Земная кора вместе с верхней частью мантии образуют литосферу. Предполагается, что она разбита на крупные плиты (до нескольких тысяч километров в поперечнике), которые перемещаются в горизонтальном направлении, плавая в пластичном слое верхней мантии Литосферные плиты включают в себя не только материковую часть, но и прилегающую к ним океаническую кору. Они ограничены со всех сторон тектоническими и сейсмически активными зонами разломов

Ядро имеет радиус примерно 3,5 тысячи километров, состоит из внешней жидкой оболочки и твёрдого субъядра, температура которого 5000 С, а плотность 12,5т/ Предполагается, что субъядро по своему составу похоже на железный метеорит – содержит 80% железа и 20% никеля. Внешняя жидкая оболочка ядра содержит 52% железа и 48% смесь железа с серой. Есть мнение, что магнитное поле Земли является результатом циркуляции потока расплавленных металлов во внешней оболочке ядра.

Несмотря на высокую температуру, субъядро и мантия находятся в твёрдом состоянии: вещество в них находится под огромным давлением, при котором температура плавления гораздо выше, чем при нормальном давлении. Если же давление понижается, то вещество плавится и образуется раскалённая жидкая масса – магма, которая растекается по трещинам в

64

земной коре и там, где выходит на поверхность, происходит извержение вулкана.

Гидросфера Земли включает в себя океаны, моря, реки, озера, подземные воды, ледники, снежники. Больше всего воды содержится в Мировом океане. Для своих нужд человек использует в основном пресную воду, которая составляет только 0,001% от всех мировых запасов воды. Ежегодно с поверхности Земли и океанов испаряется в воздух около 355 000 кубических километров воды. Примерно 90% этого количества выпадает в виде осадков, а остальная влага уходит под землю, консервируется в ледниках, осаждается на суше и реками выносится в океан. От такого непрерывного круговорота воды зависит климат и обмен веществ на всей нашей планете. Различают континентальный и морской климат. Под влиянием силы притяжения Луны происходят приливы и отливы, причём не только в водной оболочке Земли, но и в твёрдой и в воздушной.

Воздушную оболочку Земли образует атмосфера, которая защищает нас от губительного космического излучения, от обжигающих солнечных лучей. Без атмосферы наша планета была бы безмолвной, т.к. в безвоздушном пространстве звук не распространяется. Плотность атмосферы с высотой уменьшается, температура её понижается, но химический состав атмосферы практически не меняется. Атмосфера на 78% состоит из азота и на 21% из кислорода. В небольших количествах туда входят диоксид углерода, аргон, гелий, водород, озон и др. Самая нижняя часть атмосферы – тропосфера простирается до 10км в полярных широтах и до 18 км в тропических широтах. Тропосферу называют фабрикой погоды – в ней образуются облака, дождь, снег, ветер. Выше тропосферы находится стратосфера – в полярных широтах простирается до 18 км, а вблизи экватора до 55 км. Здесь стоит неизменно ясная погода, но дуют сильные ветры. Это кладовая погоды. Между тропосферой и стратосферой происходит обмен воздушными массами, от которого и зависит погода. На высоте от 50 км начинается ионосфера, которая состоит из заряженных частиц (ионов и электронов), обладающих способностью отражать короткие радиоволны, что позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Выше ионосферы располагается экзосфера - зона рассеяния атмосферы. Деление атмосферы на составные части весьма условно, хотя у каждой составляющей своя специфика. На стыке верхней части литосферы, гидросферы и нижней части атмосферы существует область активной жизни - биосфера, в которой совокупная деятельность живых организмов, в том числе и человека, проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.

Наша Земля окружена ещё одной оболочкой – магнитной. Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается на расстояние 8-14 радиусов Земли, а с ночной – вытянута на несколько сотен земных радиусов, образуя так называемый магнитный хвост. Исследования разрезов горных пород говорят о том, что магнитные полюсы (северный и южный) много раз менялись местами, происходила инверсия магнитного поля Земли. Считается,

65

что за 11 миллионов лет это происходило не менее 9 раз. Нынешняя полярность сохраняется примерно 500-800 тысяч лет и через какие-то тысячи лет по-видимому изменится. Сам процесс переворота длится несколько тысяч лет.

5.5.5 Антропный принцип. Тонкая подстройка Вселенной.

Сущность Вселенной невозможно понять до конца, не разобравшись в том, какое место занимает в ней жизнь и сам человек.

Появление Разума во Вселенной по-видимому должно было иметь какой-то смысл и одним из вечных вопросов является вопрос о том, кто такой человек

– венец развития Вселенной или что-то случайное, не отличающееся от других объектов природы?

Современная наука подтверждает идею о том, что Земля уникальна: определённые физические параметры обеспечивают условия, необходимые для жизни человека. Речь идёт не только об удалённости нашей планеты от Солнца и постоянстве концентрации кислорода в атмосфере на протяжении многих тысяч лет. В космологических концепциях существует антропный принцип, суть которого состоит в том, что существование той Вселенной, в которой мы живём, зависит от фундаментальных физических констант (гравитационной постоянной, постоянной Больцмана, постоянной Планка, элементарного электрического заряда и многих других), которые входят в математические формулировки многих основных законов Природы

.Численные значения этих констант, измеренные экспериментально, определяют основные особенности нашей Вселенной, размеры планет, звёзд, атомов, ядер атомов и т.д. Если эти константы изменить на ничтожно малую величину, то станет невозможной не только жизнь, но станет невозможным существование самой Вселенной в том виде, в каком она есть. Создаётся впечатление, что кто-то (или что-то) беспокоится о нашем существовании и «подстраивает» Вселенную с помощью значений физических констант под такое состояние, которое может обеспечить возможность пребывания в ней человека. Из антропного принципа вытекает вывод о том, что возможность

жизни тесно связана с законами природы.

Тренировочный ТЕСТ по теме 5

1.Принцип глобального эволюционизма означает, что

1)материя, Вселенная в целом и во всех её элементах не могут существовать вне развития;

2)с течением времени энтропия замкнутой системы возрастает;

3)человек и природа участвуют в согласованном развитии.

2.Современная естественнонаучная картина мира базируется на

знаниях

66

1)только физики;

2)физики, химии и биологии;

3)естественных и гуманитарных наук.

3.Расположите объекты природы в соответствии со структурными уровнями микро-макро-мега:

1)ядро атома, атом, молекула;

2)атом, кристалл, планета;

3)планета, Солнечная система, галактика.

4.Укажите правильную последовательность (от меньшего к большему) в структурной иерархии микромира:

1)атомы, ядра атомов, молекулы;

2)молекулы, атомы, элементарные частицы; 3)элементарные частицы, атомы, молекулы.

5.О каких объектах природы идёт речь, если известно, что они являются носителями дробного элементарного заряда, в свободном состоянии не существуют, а сила их взаимодействия пропорциональна расстоянию между ними?

1)Об электронах и позитронах;

2)Об элементарных частицах – кварках;

3)О гравитонах.

6. Большой взрыв – это:

1) Бомбардировка Хиросимы и Нагасаки в 1945 году;

2) Падение астероида, погубившее динозавров;

3) Общепринятая сейчас модель возникновения Вселенной.

7. Возраст Земли составляет примерно:

1) 13-15 млрд. лет;

2) 6-8 тыс. лет;

3) 4,6 млрд. лет.

8.По современным представлениям, расширение Вселенной:

1)Остановится и сменится сжатием;

2)Будет замедляться, но никогда не остановится;

3)Остановится лишь в бесконечно отдалённом будущем.

9.Движущей силой геологической и геотектонической активности Земли является:

1)непрерывно поступающая на Землю солнечная энергия;

2)продолжающаяся дифференциация вещества внутри Земли;

3)вращение Земли вокруг своей оси.

67

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 5

1.Что представляет собой естественнонаучная картина мира? Чем принципиально отличается современная ЕНКМ от предыдущих картин мира?

2.Как изменили научную картину мира квантовая механика, теория относительности и синергетика?

3.В чём заключается корпускулярно-волновой дуализм света? Приведите примеры. Что такое дебройлевская длина волны?

4.Что изучает квантовая механика? Что такое квант? Запишите формулу М.Планка для энергии кванта света и объясните её физический смысл.

5.Рассмотрите основные квантово-механические принципы: квантование, дискретность, корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц, соотношение неопределённостей Гейзенберга.

6.В чём заключается идея атомизма? Как изменились представления об атоме в 20 веке?

7.Что означает расширение Вселенной? Как оно было обнаружено? Охарактеризуйте основные стадии эволюции расширяющейся Вселенной. Какова структура Вселенной?

8.Раскройте сущность антропного принципа. Что означает выражение «тонкая подстройка Вселенной»?

9.Современные представления о происхождении Солнечной системы и планеты Земля.

10.Какой вклад в создание научной космологии внесли А.Эйнштейн, Фридман и Э.Хаббл?

Тема 6 ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

6.1Место химии в современном естествознании

Впроцессе развития цивилизации человечество овладевало веществом,

энергией, информацией и одно из ведущих мест в этом процессе принадлежит химии. Химия – это наука о веществах и законах, по которым происходит превращение одних веществ в другие. Своими корнями химические знания уходят в древность, а подлинной наукой она стала в середине 18 века. Её становление было связано с трудами М.В.Ломоносова, А.Л.Лавуазье и др. В 19 веке английский физик и химик Дж.Дальтон заложил основы химической атомистики. Он впервые ввёл понятие «атомный вес» и определил атомные веса некоторых химических элементов. В 1811 году итальянский физик и химик А.Авогадро ввёл понятие молекулы и способствовал развитию атомно-молекулярных представлений. В 1861 году выдающийся русский химик А.М.Бутлеров

создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием. В 1869 году Д.И.Менделеев открыл

68

один из фундаментальных законов естествознания - периодический закон химических элементов, современная формулировка которого такова: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от электрического заряда их ядер.

В процессе эволюции химической науки в ней происходила смена одних концепций на другие и она прошла последовательно через следующие этапы: учение о составе веществ, структурная химия, учение о химических процессах, и в настоящее время развивается эволюционная химия. Причём каждый этап в химическом познании мира опирался на предыдущие достижения, сохраняя в себе всё необходимое для дальнейшего развития. Химия это одна из наук о природе и не всегда можно провести чёткую границу между химическими процессами и физическими, между химическими и биологическими. В частности, жизнь можно рассматривать как сложную цепь химических превращений, поскольку все живые организмы поглощают из окружающей среды одни вещества и выделяют другие. На стыке химии и других наук появились биохимия, агрохимия, геохимия, физическая химия и др.

Энергетика, металлургия, лёгкая, пищевая, фармацевтическая промышленности, сельское хозяйство во многом зависят от развития химии. С современной точки зрения её основное предназначение – это получение веществ с необходимыми свойствами: сверхпрочных и в то же время пластичных, выдерживающих сверхвысокие давления и температуры, не меняющих своих свойств при очень низких температурах, сверхпроводящих и т.д. Примером таких веществ являются фуллерены – это молекулы – многогранники, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. Химические технологии и связанное с ними промышленное производство охватывают в основном все важнейшие сферы производства. Вместе с тем химия требует разумного к себе отношения. В противном случае может наступить экологическая катастрофа или просто нежелательные последствия в виде изменения климата, сокращения плодородия почв, непредсказуемые генетические изменения растений и животных вплоть до их исчезновения ( в том числе и самого человека). Поэтому учёным-химикам, управленцам следует искать такие способы производства необходимых веществ и материалов, разрабатывать такие технологии, которые бы не оказывали губительного влияния на природу, на окружающую среду.

6.2 Химический элемент. Химические вещества

Химический элемент – это атом. Линейные размеры атома. составляют величину порядка 0,1 нанометра. В периодической системе элементов Д.И.Менделеева насчитывалось 62 элемента, последним стоял уран (зарядовое число Z = 92). Предполагается, что на ранней стадии развития Земли существовали и трансурановые (заурановые) элементы, но будучи радиоактивными, они распались. Сравнительно недавно из

69

калифорнийского минерала удалось выделить плутоний (зарядовое число которого Z =94), который в настоящее время считается самым тяжёлым (и самым последним в таблице Менделеева) природным элементом. На сегодня известно 116 химических элементов, причём те, что стоят после плутония, были зарегистрированы в лабораторных условиях. Элементы под номерами 104, 105, 106 и 107 были открыты в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне (под Москвой). В 1997 году международный союз ученых узаконил названия новых элементов в честь учёных: курчатовий, резерфордий, борий, менделевий и др. Трудности в получении всё более тяжёлых новых элементов обусловлены их коротким временем жизни, т.е. их радиоактивностью. Основу современной химии составляет квантовая механика, опираясь на которую, учёным удалось рассчитать, что между № 114 и № 164 должны быть «островки» стабильности. Предполагается, что свойства элементов с № 112 по №118 аналогичны свойствам элементов в ряду ртуть - радон (в современной таблице Менделеева эти новые предполагаемые элементы обозначены как экартуть, экаполоний и т.д.). Для синтеза этих химических элементов необходимы колоссальные энергии.

Атомы могут соединяться друг с другом, образуя молекулы. Молекула

– это наименьшая частица вещества, которая сохраняет все его свойства. Например, если измельчить поваренную соль, то каждая крупинка будет состоять из огромного количества молекул соли; если эту соль растворить в воде, где вещество разбивается на отдельные молекулы, то каждая молекула продолжает проявлять свойства соли (раствор будет иметь солёный вкус).Если же разрушить молекулу соли , то вещества в виде соли уже не будет, а будут другие вещества. Или другой пример. Если взять молекулу воды, которая состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н2О), то при удалении из этой структуры хотя бы одного атома (кислорода или водорода) приведёт к тому, что оставшаяся часть уже не будет водой.

Химические вещества подразделяют на простые и сложные. Простые вещества являются основой всей живой и неживой природы, а следовательно, и всей Вселенной. Например, в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится примерно

70

Большинство веществ, находящихся в естественных условиях являются сложными, т.е. состоят в соединении друг с другом. Число таких веществ в настоящее время составляет 20 млн.

6.3 ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ

Химическая связь – это та причина, которая приводит к такому взаимодействию атомов, при котором они соединяются в молекулы или кристаллы. Для возникновения химической связи внутренняя энергия образовавшейся молекулы должна быть меньше, чем суммарная энергия исходных изолированных атомов – это необходимое условие, обеспечивающее устойчивость образовавшейся молекулы. Силы, действующие при образовании химической связи, носят в основном электрическую природу (притяжение разноимённых зарядов и отталкивание одноимённых). За счёт этих сил происходит перестройка электронных оболочек взаимодействующих атомов, причём в первую очередь этой перестройке подвержены оболочки внешних – валентныхэлектронов. Основными типами химической связи являются металлическая , ковалентная,

ионная и водородная. Металлическая связь образуется за счёт обобществления всех валентных электронов взаимодействующих атомов. Например, при образовании кристалла натрия все валентные электроны ( а их по одному у каждого атома) становятся обобществлёнными и образуют так называемый электронный газ, а оставшаяся часть каждого атома становится положительным ионом, который остаётся в узле кристаллической решётки.

71