Концепция современного естествознания 6

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ



Кафедра “Физика”























Контрольная работа

по курсу “Концепции современного естествознания”



Вариант ____















Выполнил студент _________________

Курс _________________

Группа _________________

№ зачетной книжки _________________

Дата выполнения работы _________________

Оценка работы _________________

Подпись преподавателя _________________













Ливны 2009




1. Материя и движение.

"Материя" - одно из фундаментальнейших понятий философии. Однако в различных философских системах его содержание понимается по-разному. Для идеалистической философии, например, характерно то, что она или совсем отвергает существование материи или отрицает ее объективность. Так, выдающийся древнегреческий философ Платон рассматривает материю как проекцию мира идей. Сама по себе материя у Платона ничто. У последователя Платона, Аристотеля, материя тоже существует лишь как возможность, которая превращается в действительность только в результате соединения ее с формой. Формы же в конечном итоге берут свое начало от Бога.  Гегеля материя проявляется в результате деятельности абсолютной идеи, абсолютного духа. Именно абсолютный дух, идея порождают материю.  В субъективно-идеалистической философии Дж. Беркли открыто заявляется о том, что материи нет, и ее никто никогда не видел, что, если изгнать это понятие из науки, то это никто и не заметит, ибо оно ничего не означает. 

В материалистической философии также существуют разные представления о материи. Правда, для всех философов-материалистов характерно признание за материей ее объективного, независимого от сознания (ощущений) существования. 

Уже древние философы (китайские, индийские, греческие) в качестве материи рассматривали какое-либо наиболее распространенное чувственно-конкретное вещество, которое они считали первоосновой всего существующего в мире. Такой подход к определению материи может быть назван субстанциальным, ибо его суть составляла поиск основы (субстанции) мира. Представитель той же Милетской школы - философ Аваксимен утверждал, что все вещи происходят из воздуха, за счет его разряжения, или сгущения (воздушные испарения, подымаясь вверх и разряжаясь, превращаются в огненные небесные светила и, наоборот, твердые вещества – земля, камни и т. д. – есть не что иное, как сгустившийся и застывший воздух). Гераклит первоосновой всего сущего считал огонь. 

Конечно, трудно было представить, что в основе разнообразия вещей и процессов находится что-то одно. Поэтому впоследствии философы стали рассматривать в качестве первоосновы мира (материи) несколько веществ сразу. Так, например, Эмпедокл (У в. до н. э.) говорил о 4-х элементах, как о корнях всех вещей: огне, воздухе (эфире), воде и земле. Другой древнегреческий философ Анаксагор учил, что мир состоит из бесконечного числа "семян" - делимых до бесконечности частиц.

Атомистический материализм связан с именами древнегреческих философов Левкиппа и Демокрита (IV в. до н. э.). Материя отождествлялась ими с бесструктурными атомами (атом в переводе с греческого означает "неделимый"). По Демокриту, бытие складывается из движущихся в пространстве атомов и пустоты. Атомы геометричны (например, душа состоит из круглых атомов), не подвергаются никакому воздействию извне, неспособны ни к какому изменению, они вечны и неуничтожимы. Они обладают определенным размером, массой, могут сталкиваться, ударяясь друг о друга. Глазу атомы совершенно не видимы, - замечал Демокрит, но, однако, они могут быть вполне видимыми в умственном смысле. Жизнь, с точки зрения Демокрита, - это соединение атомов, смерть - их разложение. Душа тоже смертна, ибо ее атомы могут разлагаться, -учил Демокрит. 

Взгляд на материю как на бесчисленное множество атомов, без каких-либо заметных изменений, сохранялся в различных школах философского материализма вплоть до начала ХХ века. Отождествление материи с веществом (и с неделимыми атомами в его основе) был характерен и для французских материалистов XVIII века, и для Л. Фейербаха. Интересно, что и Ф. Энгельс, основываясь на позициях атомистического материализма, вместе с тем в ответе на вопрос: существует ли материя как таковая, писал, что реально существует материя лишь в виде конкретных форм, объектов и не существует материи как бесструктурной первоматерии, не изменяемой формы всех форм.

Наиболее глубокие революционные изменения происходили в конце XIX и начале XX века в естествознании, особенно в физике. Они были столь фундаментальны, что породили не только кризис физики, но очень серьезно затронули и ее философские основания. 

Все это привело к коренному пересмотру прежних устоявшихся представлений о строении материи. Рухнуло основное положение атомистического материализма о неделимости, неизменности и о неуничтожимости атома, что послужило поводом для опровержения материализма в свете новейших выводов естествознания. Тезис о том, что в связи с новыми открытиями физики материя исчезла, был правомерно оспорен В. И. Лениным, защищавшим философский материализм. 

В.И.Ленин показал, что в действительности здесь имело место не крушение материализма как такового, но крах лишь его конкретной, первоначальной формы. Материализм же диалектический рассматривает материю как материю движущуюся и поэтому "настаивает на приблизительном, относительном характере всякого научного положения о строении материи и свойствах ее". 

Рассматривая материю, как философскую категорию, обозначающую объективную реальность, В.И.Ленин тем самым продолжает материалистическую линию в философии. В его определении нет подведения категории "материя" под более широкое понятие, ибо такого понятия просто не существует. Материя противопоставляется сознанию, при этом подчеркивается объективность, как независимость ее существования от сознания. Именно это свойство: существовать до, вне и независимо от сознания определяет смысл и значение философско-материалистического представления о материи. Философская трактовка материи обладает признаком всеобщности и обозначает всю объективную реальность. При таком понимании материи нет и не может быть ссылок на физические свойства материи, знание о которых относительно. 

Материя, как объективная реальность характеризуется бесконечным количеством свойств. Но важнейшими ее свойствами, ее атрибутами, являются пространство, время и движение. 

Пространство характеризуется протяженностью и структурностью материальных объектов (образований) в их соотношении с другими образованиями.  

Время характеризуется длительностью и последовательностью существования материальных образований в их соотношении с другими материальными образованиями. 

Объективная непрерывность пространства и времени и их прерывность обусловливают движение материи, которое является основным способом ее существования. Движение материи - абсолютно, ее покой - относителен.  При этом следует иметь в виду, что в философии движение понимается как всякое изменение вещей и процессов.  Движение в самом широком его понимании представляет собой единство моментов перемещения вещей и процессов и их изменения. Едущая машина перемещается в пространстве, "старая" книга на полке "стареет", изредка "перемещаясь". 

Движение обладает целым рядом важнейших свойств. Во-первых, движению свойственна объективность, т. е. независимость его существования от сознания человека. Иными словами, материя сама по себе имеет причину своих изменений. Отсюда следует положение и о бесконечности взаимопревращений материи. 

Во-вторых, движению свойственна всеобщность. Это означает, что любые явления в мире подвержены движению как способу существования материи (нет объектов лишенных движения). Это означает также и то, что само содержание материальных объектов во всех своих моментах в отношениях определяется движением, выражает его конкретные формы (и проявления).

В-третьих, движению свойственны несотворимость и неуничтожимость. Последовательный философский материализм отвергает какое-либо рассуждение о начале или конце движения. 

В-четвертых, движению свойственна абсолютность. Признавая всеобщий характер движения, философский материализм не отвергает существования в мире устойчивости, покоя. Однако последовательный философский материализм подчеркивает относительный характер таких состояний материальных объектов. Это означает, что абсолютная природа движения реализуется всегда только в определенных, локально и исторически ограниченных, зависимых от конкретных условий, переходящих и, в этом смысле, относительных его видах. Именно поэтому можно сказать, что всякий покой (или устойчивость) – это момент движения, поскольку он преходящ, временен, относителен. Покой – это как бы .движение в равновесии, поскольку покой включен в совокупное движение, и он снимается этим абсолютным движением. Следовательно, о покое как некотором равновесии, моменте движения можно говорить лишь по отношению к определенной точке отсчета. 

Многообразные конкретные проявления движения могут быть соотнесены с определенными материальными носителями. Это дает возможность построения разных классификаций форм движения материи. Форма движения материи связана с определенным материальным носителем, имеет определенную область распространения и свои определенное законы. 

Ф. Энгельс отмечал наличие 5-ти основных форм движения материи. 

1.    Механическое движение, связанное с перемещением тел в пространстве. 

2.    Физическое (по существу тепловое) движение, как движение молекул. 

3.    Химическое движение – движение атомов внутри молекул. 

4.    Органическое или биологическое движение, связанное с развитием белковой формы жизни. 

5.    Социальное движение (все изменения в обществе). 

Эта классификация к настоящему времени устарела. 

Поэтому современная классификация форм движения материи включает: 

пространственное перемещение;  

электромагнитное движение, определяемое как взаимодействие заряженных частиц; 

гравитационную форму движения; 

сильное (ядерное) взаимодействие; 

слабое взаимодействие (поглощение и излучение нейтрона); 

химическую форму движения (процесс и результат взаимодействия молекул и атомов); 
геологическую форму движения материи (связанную с изменением в геосистемах - материках, слоях земной коры и т. д.): 

биологическую форму движения (обмен веществ, процессы, происходящие на клеточном уровне, наследственность и т. д.; 

социальную форму движения (процессы, происходящие в обществе). 

Очевидно, что развитие науки и дальше будет постоянно .вносить свои коррективы и в эту классификацию форм движения материи. Однако, представляется, что в обозримом будущем она будет осуществляться исходя из принципов, сформулированных Ф. Энгельсом. 







2. Квантово-волновая двойственность света.

Основная заслуга в строгой формулировке принципов квантовой механики принадлежит Н.Бору. 

В первоначальном варианте им использовалась планетарная модель атома Резерфорда, в рамках которой движущемуся по круговой орбите электрону сопоставлялись волна, квадрат модуля которой определял вероятность обнаружения электрона в данной точке (“волна ДеБройля”). 

В мысленном эксперименте В. Гейзенберг показал, что в микромире реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы её или нет. В принципе можно наблюдать электрон на его орбите, для этого нужен микроскоп с большой разрешающей силой. Будет пригоден микроскоп, использующий лучи с длиной волны меньшей размеров атома. В процессе наблюдения по меньшей мере один квант света пройдёт через микроскоп и столкнётся с электроном, что изменит его импульс и скорость. Следовательно, событие должно быть ограничено наблюдением. Результат наблюдения не может быть предсказан, предсказывается вероятность. В описание атомных процессов вводится субъективный элемент, так как измерительный прибор создан наблюдателем. 

Н.Бор, исходя из принципа неопределённости, разрешил карпускулярно-волновой парадокс. Согласно принципу неопределённости две характеристики частицы в одном эксперименте нельзя наблюдать одновременно, следовательно, существуют дополнительные языки описания одной реальности, каждое может быть верным только отчасти. Электрон в атоме - волна материи (Л. де Бройль), но электрон вылетает из атома и где-то находится, проявляется как частица. Н.Бор советовал применять обе картины как дополнительные, они исключают друг друга (одновременно одно и то же не может быть и волной и частицей), но и дополняют друг друга. А. Эйнштейн не был готов к признанию принципиально статистического характера новой теории и не хотел допустить невозможность познания всех определяющих моментов, необходимых для полной детерминации рассматриваемых процессов. Окончательный ответ был получен в 1982 году в экспериментах А. Аспека: квантовую неопределённость невозможно обойти.

Квантовая теория изменила представления о реальности. Во-первых, атомные явления представляют более сложную реальность, чем та, с которой сталкиваются в классической макроскопической физике. Чувствительность объекта к вмешательству приборов демонстрирует свойства, не наблюдающиеся у объектов макроскопических исследований. Значит, описание объекта нельзя считать, как раньше, "обособленным" от процесса наблюдения. Великим открытием квантовой физики явилось обнаружение индивидуальных квантовых состояний, каждое из которых представляет собой неделимое целое, пока не подвергается воздействию средств наблюдения. Во-вторых, квантовая теория принесла идею тождественности, идентичности, точности, определённости веществ в природе. Атомным явлениям свойственны определённые формы в противоположность произвольно меняющимся формам в классической механике. В рамках классической физики трудно понять, почему бы не существовать электронам с немного меньшим зарядом, или с другой массой. В квантовой теории объекты квантованны, возможны не любые орбиты, а только определённые. Два атома железа идентичны, поскольку их орбиты квантованны. В классической физике имеется неограниченное число вариантов и нет объяснения определённости материи. Но определённость существует только до некоторого порога, существуют пороговые уровни энергии, выше которых атомы разрушаются, существует порог, выше которого и ядро атома разлетается на части. В третьих, то, что выводится из эксперимекгов, есть функция вероятности, которая описывает не определённое событие, а совокупность возможных событий. Переход от возможности к действительности совершается в процессе наблюдения. В четвёртых, квантовая механика изменила представление о "неизменных" частицах, неделимых атомах Ньютона - атомы можно разрушить, открылся мир субатомных и виртуальных частиц.







3. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках  — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.

В клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов  (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемыеплазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

С химической точки зрения, ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков, нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например,транспозонам.

Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине1962 г.

ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году. Вначале новое вещество получило название нуклеин, а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота. Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию.

Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. 

Вплоть до 50-х годов XX века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалось неизвестным. Хотя и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, состоящих из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены.

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно.

Каждое основание на одной из цепей связывается с одним определённым основанием на второй цепи. Такое специфическое связывание называется комплементарным. 

Комплементарность двойной спирали означает, что информация, содержащаяся в одной цепи, содержится и в другой цепи. Обратимость и специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований важна для репликации ДНК и всех остальных функций ДНК в живых организмах.

ДНК может повреждаться разнообразными мутагенами, к которым относятся окисляющие и алкилирующие вещества, а также высокоэнергетическая электромагнитная радиация — ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. 

ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов — наследственность и изменчивость. В ходе процесса, называемого репликацией ДНК, образуются две копии исходной цепочки, наследуемые дочерними клетками при делении, таким образом образовавшиеся клетки оказываются генетически идентичны исходной.

Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции (синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белков на матрице РНК).

Последовательность нуклеотидов «кодирует» информацию о различных типах РНК: информационных, или матричных (иРНК), рибосомальных (рРНК) и транспортных (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на основе ДНК в процессе транскрипции. Роль их в биосинтезе белков (процессе трансляции) различна. Информационная РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке, рибосомальные РНК служат основой для рибосом (сложных нуклеопротеиновых комплексов, основная функция которых — сборка белка из отдельных аминокислот на основе иРНК), транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту сборки белков — в активный центр рибосомы, «ползущей» по иРНК.







4. Странность элементарных частиц.

Странность - в ядерной физике - целое квантовое число, характеризующее адроны. Странности элементарных частиц и античастиц противоположны по знаку.

Адроны - элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях (протон, нейтрон, гипероны, мезоны, а также все резонансные частицы).

Элементарные частицы - простейшие структурные элементы материи, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением других частиц.

Между элементарными частицами осуществляются сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия, по отношению к которым элементарные частицы подразделяются: 
- на адроны, участвующие в сильном взаимодействии; 

- на лептоны, не участвующие в сильном взаимодействии; и 

- на виртуальные частицы, выступающие переносчиками взаимодействий между частицами.

По другой классификации элементарные частицы подразделяются: 

- на составные частицы адроны; и 

- на фундаментальные частицы без внутренней структуры.

Глюон - гипотетическая частица, которая является переносчиком взаимодействия между кварками.

Глюон - квант поля межкваркового взаимодействия.

Кварки - гипотетические элементарные частицы, из которых состоят все адроны. Считается, что кварки заключены внутри адронов и неспособны их покидать.

Странность S - квантовое число в физике элементарных частиц, необходимое для описания определенных короткоживущих частиц. Странность частицы определяется как:



S=N-s - Ns,



где

N-s — количество странных антикварков

Ns — количество странных кварков.

Причина для такого непонятного с первого взгляда определения в том, что концепция странности была определена до открытия существования кварков, и для сохранения смысла изначального определения странный кварк должен иметь странность -1, а странный антикварк должен иметь странность +1. Для всех ароматов кварков (странность, очарование, прелесть и истинность) правило следующее: значение аромата и электрический заряд кварка имеют одинаковый знак. По этому правилу любой аромат, переносимый заряженным мезоном, имеет тот же знак, что и его заряд. . 







5. Дефект массы, энергия связи.

Задача о нецелочисленности атомного веса изотопов долго волновала учёных, но теория относительности, установив связь между массой и энергией тела (E=mc2), дала ключ к решению этой задачи, а протон-нейтронная модель атомного ядра оказалась тем замком, к которому этот ключ подошёл. Для решения данной задачи понадобятся некоторые сведения о массах элементарных частиц и атомных ядер (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Масса и атомный вес некоторых частиц

Частица

Символ

Масса, кг

Масса в физической шкале

Электрон

e

(9,10830,0003)10-31

(5,487630,00006)10–4

Протон



(1,672390,00004)10-27

1,0075930,000003

Нейтрон



(1,674700,00004)10-27

1,0089820,000003

Альфа-частица



(6,64330,0001)10-27

4,0027800,000006

(Массы нуклидов и их разности определяют опытным путем с помощью: масс-спектроскопических измерений; измерений энергий различных ядерных реакций; измерений энергий β- и α-распадов; микроволновых измерений, дающих отношение масс или их разностей.)

Сравним массу -частицы, т.е. ядра гелия, с массой двух протонов и двух нейтронов, из которых оно состоит. Для этого из суммы удвоенной массы протона и удвоенной массы нейтрона вычтем массу -частицы и полученную таким образом величину назовём дефектом массы

m=2Mp+2Mn-M=0,03037 а.е.м.	(1.1)

Атомная единица массы

mа.е.м.= (1,65970,0004)10-27 кг.(1.2)

Пользуясь формулой связи между массой и энергией, делаемой теорией относительности, можно определить величину энергии, которая соответствует этой массе, и выразить её в джоулях или, что более удобно, в мегаэлектронвольтах (1 Мэв=106 эв). 1 Мэв соответствует энергии, приобретаемой электроном, прошедшим разность потенциалов в миллион вольт.

Энергия, соответствующая одной атомной единице массы, равна

E=mа.е.м. с2=1,6597 10-27 8,99  1016=1,49  10-10 дж=931 Мэв.	                                                                                                           (1.3)

Наличие у атома гелия дефекта массы (m = 0,03037 а.е.м.) означает, что при его образовании была излучена энергия (Е=mс2= 0,03037 931=28 Мэв). Именно эту энергию нужно приложить к ядру атома гелия для того, чтобы разложить его на отдельные частицы. Соответственно на одну частицу приходится энергия, в четыре раза меньшая. Эта энергия характеризует прочность ядра и является важной его характеристикой. Её называют энергией связи, приходящейся на одну частицу или на один нуклон (р). Для ядра атома гелия р=28/4=7 Мэв, для других ядер она имеет иную величину.

В сороковые годы ХХ века благодаря работам Астона, Демпстера и других ученых с большой точностью были определены значения дефекта массы и вычислены энергии связи для ряда изотопов. На рис.1.1 эти результаты представлены в виде графика, на котором по оси абсцисс отложен атомный вес изотопов, а по оси ординат – средняя энергия связи частицы в ядре.

Анализ этой кривой интересен и важен, т.к. по ней, и очень наглядно, видно, какие ядерные процессы дают большой выход энергии. По существу ядерная энергетика Солнца и звёзд, атомных электростанций и ядерного оружия является реализацией возможностей, заложенных в тех соотношениях, которые показывает эта кривая. Она имеет несколько характерных участков. Для лёгкого водорода  энергия связи равна нулю, т.к. в его ядре всего одна частица. Для гелия  энергия связи на одну частицу составляет 7 Мэв. Таким образом, переход от водорода к гелию связан с крупным энергетическим скачком. У изотопов среднего атомного веса: железа, никеля и др. энергия связи частицы в ядре наибольшая (8,6 Мэв) и соответственно ядра этих элементов наиболее прочные. У более тяжёлых элементов энергия связи частицы в ядре меньше и поэтому их ядра относительно менее прочные. К таким ядрам относится и ядро атома урана-235.



Рисунок 1.1.Чем больше дефект массы ядра, тем большая энергия излучена при его образовании.  Следовательно, ядерное превращение, при котором происходит увеличение дефекта массы, сопровождается добавочным излучением энергии. Рисунок 1.1 показывает, что имеются две области, в которых эти условия выполняются: переход от самых лёгких изотопов к более тяжёлым, например, от водорода к гелию, и переход от самых тяжёлых, например урана, к ядрам атомов среднего веса.









6. Симметрия и законы сохранения.

Слово "симметрия" ("symmetria") имеет греческое происхождение и означает "соразмерность". Научное определение симметрии принадлежит крупному немецкому математику Герману Вейлю (1885-1955), который в своей замечательной книге "Симметрия"  проанализировал также переход от простого чувственного восприятия симметрии к ее научному пониманию. Согласно Вейлю, под симметрией следует понимать неизменность (инвариантность) какого-либо объекта при определенного рода преобразованиях. Можно сказать, что симметрия есть совокупность инвариантных свойств объекта. Например, кристалл может совмещаться с самим собой при определенных поворотах, отражениях, смещениях. Многие животные обладают приближенной зеркальной симметрией при отражении левой половины тела в правую и наоборот. Однако подчиняться законам симметрии может не только материальный, но и, к примеру, математический объект. Можно говорить об инвариантности функции, уравнения, оператора при тех или иных преобразованиях системы координат. Это в свою очередь позволяет применять категорию симметрии к законам физики. Так симметрия входит в математику и физику, где она также служит источником красоты и изящества. 

Постепенно физика открывает все новые виды симметрии законов природы: если вначале рассматривались лишь пространственно-временные (геометрические) виды симметрии, то в дальнейшем были открыты ее негеометрические виды (перестановочная, калибровочная, унитарная и др.). Последние относятся к законам взаимодействий, и их объединяют общим названием "динамическая симметрия"

Принцип симметрии пронизывает все структуры современной физики. Как методологический принцип, он лежит в основании различных физических теорий и определяет структурную организацию современной физической теории как целого. 

Законы сохранения - физические, закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в классе процессов. 

Н.Ф. Овчинников в своей работе отмечает, что именно эта фундаментальная мысль — мысль о неизменных сущностях — характеризует процесс превращения знания в науку. В развитии и конкретизации научной идеи сохранения она принимала разные формы и приводила к открытию “истинных законов мира”. 

Еще в классической физике идея сохранения превратилась в принцип. Были сформулированы соответствующие конкретные законы — законы сохранения энергии, массы, импульса, момента импульса, электрического заряда. Исключительно важную роль играет открытие Ю. Майером закона сохранения энергии. М. Фарадей назвал этот закон высшим физическим законом, а Р. Фейнман утверждал, что “из всех законов сохранения этот закон самый трудный и абстрактный, но и самый полезный”. По мнению Фейнмана, во многих физических законах содержится в зашифрованном виде закон сохранения энергии. История физики показывает, что нет никаких оснований сомневаться в истинности этого закона, и если что-либо, как кажется, противоречит ему, то “обычно оказывается, что не закон ошибочен, а просто мы недостаточно знаем явление”. 

Общий закон сохранения, конкретизируемый в виде различных частных физических законов сохранения, лежит в основе единой физической картины мира.

С развитием физического знания увеличивается число конкретных законов сохранения различных физических величин. Так, в физике микромира открыты законы сохранения барионного заряда, лептонного заряда, четности, странности. В структуре физических теорий появляются новые формы выражения сохранения — инвариантность. К таким формам относится, в частности, принцип унитарности в квантовой теории, который, по мнению Н.Ф. Овчинникова, представляет собой современную формулировку принципа сохранения материи. Особое место занимает так называемый принцип инвариантности научных законов, имеющий ярко выраженную методологическую окраску. Теория относительности требует соблюдения инвариантности физических законов относительно определенных преобразований. Согласно Е. Вигнеру, инвариантные принципы играют роль законов законов. Их функция состоит в том, чтобы наделять структурой законы природы или устанавливать между ними внутреннюю связь, “так же как законы природы устанавливают структуру или взаимосвязь в мире явлений”. 

Принципы сохранения можно классифицировать в зависимости от вида симметрии, так как между сохранением и симметрией существует фундаментальная связь. Известно, что симметрии преобразования времени соответствует закон сохранения энергии. Симметрическое преобразование пространства отвечает закону сохранения импульса, изотропность пространства — сохранению момента импульса. Всякой симметрии соответствует некоторый закон сохранения. Тогда если постоянная Планка указывает на сохранение, то какая симметрия ей соответствует? Какую симметрию подсказывает эта константа? Может быть, объединение методологических принципов в систему, что мы в дальнейшем попытаемся сделать, поможет дать ответ на этот вопрос. Во всяком случае, понимание постоянной Планка как сохранения может стать тем звеном в системе, которое позволит систематизировать методологические принципы симметричным образом. 









7. Простые и сложные вещества.

Химия занимается изучением превращений химических веществ (число известных к настоящему времени веществ более десяти миллионов), поэтому очень важна классификация химических соединений. Под классификацией понимают объединение разнообразных и многочисленных соединений в определенные группы или классы, обладающие сходными свойствами. С проблемой классификации тесно связана проблема номенклатуры, т.е. системы названий этих веществ

Индивидуальные химические вещества принято делить на две группы: немногочисленную группу простых веществ (их, с учетом аллотропных модификаций, насчитывается около 400) и очень многочисленную группу сложных веществ. 

Сложные вещества обычно делят на четыре важнейших клас са: оксиды, основания (гидроксиды), кислоты, соли






Оксиды — это сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых кислород

Кислоты — это электролиты, при диссоциации которых из положительных ионов образуются только ионы водорода (Н+)

Основания — это электролиты, при диссоциации которых из отрицательных ионов образуются только гидроксид-ионы (ОН-)

Соли — это электролиты, при диссоциации которых образуются катионы металлов и анионы кислотного остатка.

 Далее следует привести уравнения реакций, характеризующие основные свойства каждого класса соединений.

Для оксидов таким свойством является взаимодействие с водой:











Характерным свойством солей является взаимодействие друг с другом:







Различие в свойствах объясняется разным порядком связи атомов в молекулах и их расположением в пространстве, т. е. химическим строением.

Перед тем, как рассмотреть более детально каждый из классов неорганических соединений, целесообразно взглянуть на схему, отражающую генетическую связь типичных классов соединений.



В верхней части схемы помещены две группы простых веществ — металлы и неметаллы, а также водород, строение атома которого отличается от строения атомов других элементов. На валентном слое атома водорода находится один электрон, как у щелочных металлов; в то же время, до заполнения электронного слоя оболочки ближайшего инертного газа — гелия — ему недостает также одного электрона, что роднит его с галогенами. 

Волнистая черта отделяет простые вещества от сложных; он символизирует, что «пересечение» этой границы обязательно затрагивает валентные оболочки атомов в простых веществах, следовательно, любая реакция с участием простых веществ будет окислительно-восстановительной.

В левой части схемы под металлами помещены их типичные соединения — основные оксиды и основания, в правой части схемы помещены соединения, типичные для неметаллов, кислотные оксиды и кислоты. Водород, помещенный в верхней части схемы, дает очень специфический, идеально амфотерный оксид — воду Н2О, которая в комбинации с основным оксидом дает основание, а с кислотным — кислоту. Водород в сочетании с неметаллами образует бескислородные кислоты. В нижней части схемы помещены соли, которые, с одной стороны, отвечают соединению металла с неметаллом, а с другой — комбинации основного оксида с кислотным.

В заключение важно показать, что причинами многообразия веществ являются их: а) качественный состав; б) количественный состав.

В настоящий момент известно более 50 тыс. неорганических и несколько миллионов органических соединений, в то время как открыто лишь 114 химических элементов. Это объясняется тем, что атомы могут соединяться в разной последовательности и в разном количественном соотношении. Так, например, азот может образовывать пять оксидов: N2O; NO; N2O3; NO2, N2O5. А сера входит в состав 11 кислот. Другая причина многообразия заключается в том, что некоторые химические элементы могут образовывать несколько простых веществ. Такое явление получило название аллотропия, а простые вещества — аллотропные видоизменения. 

8. Гормоны

Гормоны, органические соединения, вырабатываемые определенными клетками и предназначенные для управления функциями организма, их регуляции и координации. У высших животных есть две регуляторных системы, с помощью которых организм приспосабливается к постоянным внутренним и внешним изменениям. Одна из них – нервная система, быстро передающая сигналы (в виде импульсов) через сеть нервов и нервных клеток; другая – эндокринная, осуществляющая химическую регуляцию с помощью гормонов, которые переносятся кровью и оказывают эффект на отдаленные от места их выделения ткани и органы. Химическая система связи взаимодействует с нервной системой; так, некоторые гормоны функционируют в качестве медиаторов (посредников) между нервной системой и органами, отвечающими на воздействие. Таким образом, различие между нервной и химической координацией не является абсолютным.

Гормоны есть у всех млекопитающих, включая человека; они обнаружены и у других живых организмов. Хорошо описаны гормоны растений и гормоны линьки насекомых .

Физиологическое действие гормонов направлено на:

1) обеспечение гуморальной, т.е. осуществляемой через кровь, регуляции биологических процессов;

2) поддержание целостности и постоянства внутренней среды, гармоничного взаимодействия между клеточными компонентами тела;

3) регуляцию процессов роста, созревания и репродукции.

Гормоны регулируют активность всех клеток организма. Они влияют на остроту мышления и физическую подвижность, телосложение и рост, определяют рост волос, тональность голоса, половое влечение и поведение. Благодаря эндокринной системе человек может приспосабливаться к сильным температурным колебаниям, излишку или недостатку пищи, к физическим и эмоциональным стрессам. 

Изучение физиологического действия эндокринных желез позволило раскрыть секреты половой функции и чудо рождения детей, а также ответить на вопрос, почему одни люди высокого роста, а другие низкого, одни полные, другие худые, одни медлительные, другие проворные, одни сильные, другие слабые.

В нормальном состоянии существует гармоничный баланс между активностью эндокринных желез, состоянием нервной системы и ответом тканей-мишеней (тканей, на которые направлено воздействие). Любое нарушение в каждом из этих звеньев быстро приводит к отклонениям от нормы. Избыточная или недостаточная продукция гормонов служит причиной различных заболеваний, сопровождающихся глубокими химическими изменениями в организме.

Изучением роли гормонов в жизнедеятельности организма и нормальной и патологической физиологией желез внутренней секреции занимается эндокринология. 

Главные эндокринные железы млекопитающих – гипофиз, щитовидная и паращитовидные железы, кора надпочечников, мозговое вещество надпочечников, островковая ткань поджелудочной железы, половые железы (семенники и яичники), плацента и гормон-продуцирующие участки желудочно-кишечного тракта. В организме синтезируются и некоторые соединения гормоноподобного действия.

Гормоны использовались первоначально в случаях недостаточности какой-либо из желез внутренней секреции для замещения или восполнения возникшего гормонального дефицита. На сегодняшний день гормональная терапия способна восполнить недостаточную секрецию практически любой эндокринной железы; прекрасные результаты дает и заместительная терапия, проводимая после удаления той или иной железы. Гормоны могут использоваться также для стимуляции работы желез. Кроме заместительной терапии, гормоны и гормоноподобные препараты используются и для других целей. Так, избыточную секрецию андрогена надпочечниками при некоторых заболеваниях подавляют кортизоноподобными препаратами. Гормоны могут применяться и как агенты, нейтрализующие действие других медикаментозных средств.

Часто гормоны применяют как специфические лекарственные средства. Так, адреналин, расслабляющий гладкие мышцы, очень эффективен в случаях приступа бронхиальной астмы. Гормоны используются и в диагностических целях. Например, при исследовании функции коры надпочечников прибегают к ее стимуляции, вводя пациенту АКТГ, а ответ оценивают по содержанию кортикостероидов в моче или плазме.

В настоящее время препараты гормонов начали применяться почти во всех областях медицины. 




Литература:

Большаков А.В., Грехнев В.С., Добрынина В.И. Основы философских знаний. М. Общество "Знание" Россиии, 1997.- 453 с.

Философия: теория и методология: Учебное пособие под ред. М..Галкина, МЭСИ, 1991.– 426 с.

Философское понимание мира: Учебное пособие под ред. В.В. Терентьева, МИИТ, 1994.– 384 с.

Готт В.С. Философские вопросы современной физики.- М.: Высшая школа, 1988.- 343 с.

Савельев И.В. Курс общей физики.- т.1.-М.: Наука, 1977.- 416 с.

Глинка Н.Л. Общая химия.- Л.: Химия, 1983.- 702 с.

Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия.- М.: Просвещение, 1973.- 632 с.

Биохимия. Под общ. ред. Н.Н. Яковлева, М.: Физкультура и спорт, 1964.- 248 с.

Мэрион Дж.Б. Физика и физический мир.- М.: Мир, 1975.

Эрден-Груз Т. Основы строения материи.- М: Мир, 1976.

Гузей Л.С. и др. Химия. 9 класс: Учеб. Для общеобразоват. учреждний. – М.: Дрофа, 2002. – 288с.

Химия. 10 класс: Учеб. Для общеобразоват. Учреждний/ Под ред. В. И. Теренина. – М.: Дрофа, 2002. – 304 с.

Рузавин Г. И. Концепция современного естествознания: Учебник для вызов. – М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. – 287 с.

Концепция современного естествознания: Учебник для вузов/ Под ред. Проф. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. – 303 с.

Общая биология: Учеб. Для 10-11 кл. общеобразоват. Учреждений/ Д. К. Беляева и др. – М.: Просвещение, 1998. – 287 с.