Примеры решения задач

1. Вычислить в мегаэлектрон-вольтах энергию ядерной реакции

.

59 1 60

С₀ +n → С_о+γ

27 0 27

.

.

Выделяется или поглощается энергия при этой реакции?

Решение: энергия ядерной реакции:

Е = ∆mс² (1)

где ∆m - дефект массы реакции, с - скорость света в вакууме. Если ∆m - выражать в а.е.м., то формула (1) примет вид:

Е = 931∆m [МэВ]

Дефект массы равен ∆m=m_Co⁶⁰+m_n-m_Co⁵⁹

Так как число электронов до и после реакции сохраняется, то вместо значений масс ядер воспользуемся значением масс нейтральных атомов, которые приводятся в справочных таблицах •

m_Со⁵⁹ = 58,95182 а.е.м.; m_n = 1,00867 а.е.м.

m_Co ⁶⁰ = 59,95250 а.е.м.

∆m = (59,96075 - 59,95250) а.е.м. = 0,00825 а.е.м.

Реакция идет в выделением энергии, т.к. ∆m > 0

Е = 931 МэВ/а.е.м. · 0,00825 а.е.м. = 7,66 МэВ

2. Сколько энергии выделяется при образовании 1 г гелия из протонов и нейтронов?

Дано: m = 1,0 г = 10^-3 кг

Найти: Е

Решение: выделившуюся энергию найдем по формуле взаимосвязи масс и

энергии

Е = ∆mс²n

.

где ∆m - изменение массы при образовании одного ядра атома гелия (дефект массы), с - скорость распространения света, n - число атомов гелия в массе m. Дефект массы определим из равенства

∆m=Zm_p+(A-Z)m_n-m_a

где Z - зарядовое число элемента, равное порядковому номеру элементам таблице Менделеева, для гелия Z = 2; m_р - масса прогона, m_n - масса нейтрона.

m_р = 1,00783 а.е.м.; m_n = 1,00867 а.е.м.

.

массовое число, для гелия А =4; m_а - масса атома гелия; m_а = 4,00260 а.е.м. Подставим эти значения в расчетную формулу (2):

∆m = [2 - 1,00783 + (4 - 2) 1,00867 - 4,00260] а.е.м. = 0,0304 а.е.м. = 5,05 10^-29 кг

Учтем, что n = (m / M) Na

Число атомов в одном г. равно n = 10^-3 N_A/M,

где N_A - постоянная Авогадро, М - молярная масса; для гелия М = 4 • 10^-3 кг/моль

Подставим значения в формулу (1):

Е = (5,05 · 10^-29 кг • 10^-3 • 6,023 • 10²³ моль^-1• 9 • 10^1б м²/с² / 4 -10^-3 кг/моль = 6,84 • 10¹¹ Дж Ответ: Е =6,84 • 10¹¹ Дж

.

Задание № 9. Вода - основа жизни на Земле. Студенты должны уяснить себе, что уникальные свойства воды связаны со структурой ее молекул. Важное значение в живой природе имеют водородные связи, на которых держится вся жизнь на Земле. Вода является не только уникальным растворителем, но и средой обитания многих живых организмов. Обратите внимание, что максимальная плотность у воды при 4 °С. .

Задания № 10, № 11 и № 12. Выполнение этого задание преследует цель акцентировать внимание студентов на важнейших для жизни химических элементов -органогенных элементах. Студент должен уяснить, что уникальными свойствами обладает не только углерод - основа жизни на Земле, но и другие химические элементы, которые наиболее распространены в живых организмах и составляют приблизительно 99 % массы живого.

Ниже приводится фрагмент из текста ответа на задание № 12.

Кислород, (лат. Oxygenium), О, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; ат. н. 8, ат. м. 15,9994. В свободном виде встречается в виде двух модификаций - О₂ ("обычный" кислород) и О₃ (озон).

О₂ - самый распространенный на Земле элемент; в виде соединений составляет около 1/2 массы земной коры; входит в состав воды (88,8 % по массе) и множество тканей живых организмов (ок. 70 % по массе).

Физиологическое значение кислорода огромно. Это единственный газ, который живые организмы могут использовать для дыхания. Окисление кислородом углеводов, жиров и белков служит источником энергии живых организмов. В организме человека содержание кислорода составляет 61% от массы тела. В виде различных соединений он входит в состав всех органов, тканей, биологических жидкостей. Отсутствие кислорода вызывает остановку жизненных процессов и гибель организма. Без кислорода человек может прожить всего несколько минут. При дыхании поглощается кислород, который принимает участие в окислительно-восстановительных процессах, происходящих в организме, а выделяются продуктов окисления органических веществ - вода» оксид углерода (IV) и другие вещества. Как наземные, так и водные живые организмы дышат кислородом: наземные -свободным кислородом атмосферы, а водные - кислородом, растворенным в воде.

В „природе происходит своеобразный круговорот кислорода. Кислород из атмосферы поглощается животными, растениями, человеком, расходуется yа процессы горения топлива, гниение и прочие окислительные процессы. Оксид углерода (IV) и вода, образующиеся в процессе окисления, потребляются зелеными растениями, в которых с помощью хлорофилла листьев и солнечной энергии осуществляется фотосинтез, т.е. синтез органических веществ из оксида углерода (IV) и воды, сопровождающийся выделением кислорода. Для обеспечения кислородом одного человека нужны кроны двух больших деревьев. Зеленые растения поддерживают постоянный состав атмосферы.

Задания №№ 13,14,15,16. Выполняя эти задания, студент знакомится с биологическими концепциями естествознания, изучает структурные уровни организации материи и знакомится с основополагающими жизненными системами.

К фундаментальным биологическим знаниям, без которых невозможно понять сущность жизнедеятельности организмов, относится клеточная теория. Одно из ее положений гласит, что клетка является структурно-функциональной единицей всех живых организмов.

Без знаний химического состава клетки - основной единицы жизни нельзя понять механизм сложнейших процессов, которые протекают в живых организмах. Студент должен знать, что все проявления жизнедеятельности клетки связаны с химическими превращениями веществ.

Задания преследуют цель акцентировать внимание студента на особую роль нуклеиновых кислот в природе - хранение и передача наследственной информации.

Обратите внимание, что нуклеиновые кислоты всех живых существ от вирусов до высших многоклеточных организмов обладают сходством химического состава.

Ниже приводится фрагмент из текста ответа на задание № 16.

.

Биологические полимеры - нуклеиновые кислоты, распадаясь образуют мономеры - нуклеотиды. Структурными единицами каждого нуклеотида являются фосфат (остаток фосфорной кислоты), углеводный остаток сахара, содержащего пять атомов углевода, - дезоксирибозы (в ДНК) или рибозы (в РНК)

Дезоксирибоза

ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. Их структуры приведены ниже. Как видно, у всех четырех нуклеотидов углевод и фосфорная кислота одинаковы. Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии к которыми их называют: нуклеотид с азотистым основанием аденин (сокращенно А), нуклеотид с гуанином (Г), нуклеотид с тимином (Т) и нуклеотид с цитозином (Ц). По размерам А - Г, а Т - Ц; размеры А и Г несколько больше, чем Т и Ц

Рибоза

Как и в ДНК, структура РНК создается чередованием четырех типов нуклеоти­дов, но состав нуклеотидов РНК нес­колько отличается от нуклеотидов ДНК, т.е. углевод в РНК не дезоксири-боза, а рибоза, отсюда и название РНК. Кроме того, в РНК вместо азотистого основания тимина входит другое, близкое по строению основание,

называемое урацилом (У).

Задания № 17 и № 18, Выполняя эти задания, студент должен уяснить, что биосфера - это сложная система, составной частью которой является человечество. Многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы. Спасти человечество может только создание целого комплекса мер по охране биосферы.

Задание № 19. Выполняя это задание студент знакомится с индивидуально-психологическими особенностями личности человека. К этим особенностям

относятся: темперамент, характер, способности.

Ниже приведен фрагмент ответа на задание № 19.

Холерический темперамент деятельности характеризует вспыльчивого человека. О таком человеке говорят, что он слишком горяч, не сдержан. Вместе с тем такой индивид быстро остывает и успокаивается, если ему уступают, идут на встречу. Его движения порывисты, но непродолжительны.

Для холерика нестерпимо любое ожидание. Для него неприятно время, проведенное на автобусной остановке. Ему трудно стоять спокойно. Он суетится, постоянно заглядывает вперед, чтобы выяснить, не показался ли наконец автобус, и, измучившись даже недолгим ожиданием, идет торопливо к следующей остановке, а по дороге его, естественно, обгоняет долгожданный автобус. На очередной остановке все повторяется, в результате холерик нередко приходит домой пешком.

Торопливость, суетливость - характерные черты холерика. Затеяв с кем-нибудь спор, он горячится, перебивает собеседника и совершенно не способен прислушаться к его аргументации. Повышенная общительность - одно из свойств характера холерика. Если сосед по электричке обратился в Вам еще раньше, чес Вы заняли свободное место, да к тому же затронул вопрос, совершенно не относящийся к предстоящей поездке, - он наверняка холерик. Мировая литература богата описаниями подобных людей.

Портрет человека с неудержимым темпераментом - Ноздрева - талантливо изобразил Н.В. Гоголь в романе "Мертвые души". Вот как характеризует подобных людей сам Гоголь: "Они скоро знакомятся, и не успеешь оглянуться, как. уже говорят тебе "ты". Дружбу заведут, кажется, навек, но почти всегда так случается, что подружившийся подерется с ними того же вечера на дружеской пирушке. Они всегда говоруны, кутилы, лихачи..." Ноздрев дома "больше дня никак не мог усидеть. Чуткий нос его слышал за несколько десятков верст, где была ярмарка со всякими съездами и балами; он уже в одно мгновение ока был там, спорил и заводил сумятицу...". Встретившись, "в ту же минуту он предлагал вам ехать куда угодно, хоть на край света, войти в какое хотите предприятие, менять все, что ни есть, на все, что хотите. Ружье, собака, лошадь - все было предметом мены, но вовсе не с тем, чтобы выиграть; это происходило просто от какой-то неугомонной юркости и бойкости характера". Вспомните, как Ноздрев продавал Чичикову мертвые души, как предлагал различные варианты обмена, игры в карты и шашки, при этом ссорился к оскорблял его.

Задания № 20 и № 21 являются итоговыми. Студент должен понимать смысл основных терминов, включенные в это задание.

Ниже представлен фрагмент ответа на задание № 21 .

Аннигиляция - превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы (например при аннигиляции пары электрон-позитрон возникают фотоны).

Ноосфера - учение Вернадского - сфера разума, ставшая по своему воздействию на планету сравнимой с геологической силой.

Самоорганизация - процесс взаимодействия объектов, в результате которого возникает новый порядок или структура в системе.