Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

Другой важный результат  теории относительности:

      Новые понятия и принципы теории относительности существенно изменили не только физические, но и общенаучные представления о пространстве, времени и движении, которые господствовали в науке более двухсот лет. Особенно резкое сопротивление они встретили со стороны так называемого здравого смысла, который в конечном итоге также ориентируется на доминирующие в обществе научные взгляды, почерпнутые из классической науки. Действительно всякий, кто впервые знакомится с теорией относительности, нелегко соглашается с ее выводами. Опираясь на повседневный опыт, трудно представить, что длина линейки или твердого тела в движущейся инерциальной системе сокращается в направлении их движений, а временной интервал увеличивается.

     В связи с этим представляет интерес парадокс близнецов, который нередко приводят для иллюстрации теории относительности. Пусть один из близнецов отправляется в космическое путешествие, а другой - остается на Земле. Поскольку в равномерно движущемся с огромной скоростью космическом корабле темп времени замедляется и все процессы происходят медленнее, чем на Земле, то космонавт, вернувшись на нее, окажется моложе своего брата. Такой результат кажется парадоксальным с точки зрения привычных представлений, но вполне объяснимым с позиций теории относительности. В его пользу говорят наблюдения над элементарными частицами, названными мю-мезонами, или мюонами. Средняя продолжительность существования таких частиц около 2 мкс, но тем не менее некоторые из них, образующиеся на высоте 10 км, долетают до поверхности земли. Как объяснить этот факт? Ведь при средней "жизни" в 2 мкс эти частицы могут проделать путь только 600 м. Все дело в том, что продолжительность существования мюонов определяется по-разному для разных систем отсчета. С "их" точки отсчета, они живут 2 мкс, с нашей же, земной - значительно больше, так что некоторые из них, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, достигают поверхности Земли.

     В специальной теории относительности, как мы видели, все системы отсчета предполагаются инерциальными, т.е. движущимися друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Что произойдет, если одна из систем будет двигаться ускоренно.

     Теория относительности была первой физической теорией, которая радикально изменила взгляды ученых на пространство, время и движение. Если раньше пространство и время рассматривались обособленно от движения материальных тел, а само движение независимо от систем отсчета, т.е. как абсолютное, то с возникновением специальной теории относительности было твердо установлено:

     С философской точки зрения наиболее значительным результатом общей теории относительности является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс.

Вопрос 4. Как классифицирует современная наука элементарные частицы?

     Важнейшей  характеристикой частицы служит  спин, собственный момент количества  движения. В классической механике  такая величина характеризует  вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого  понятия на микрочастицу теряет  смысл, поскольку элементарные  частицы невозможно представить  вращающимися крохотными волчками.

     Свойства и  поведение частиц существенно  зависят от того, целое или  полуцелое значение имеет их  спин. Исходя из этого значения, можно систематизировать и классифицировать  данные об элементарных частицах.

     Исходя из  значения спина, все элементарные  частицы можно разделить на  две группы. Частицы с полуцелым  спином называются фермионами. Все эти частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния не одинаковы. Частицы с целочисленным спином называются бозонами. Они не могут находиться вместе в любом количестве.

     Такое разделение  частиц на две группы имеет  далеко идущие последствия. Так,  поля фермионов всегда остаются  квантованными, и в классическом  пределе они переходят в частицы.

     Существование  фермионов и бозонов создает  важнейшую предпосылку для проявления  привычного нашего макромира,  состоящего из атомного вещества (фермионы) и излучений (бозоны).

     Сегодня в  микромире выделяют четыре уровня  вещества: молекулярный, атомный, нуклонный  и кварковый. Поиск самых простых  частиц вещества привел исследователей  к пониманию того, что абсолютной  элементарности не существует, что  частица любого уровня сложна  в своей сущности и в своих  проявлениях, она не отделима  от других физических реальностей,  в числе которых особая роль  принадлежит фону - физическому вакууму. Условно же принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению (они меньше, чем 10^-15 см).

     Известны три  класса таких частиц: лептоны,  кварки и бозоны. Лептоны и  кварки относятся к фермионам.

     Класс лептонов состоит из шести частиц и шести античастиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино). Лептоны играют важную роль в структуре мира.

     Класс кварков, как и класс лептонов , содержит шесть частиц и столько же античастиц. Кварки - электрически заряженные частицы. Также не удалось обнаружить ни один кварк в свободном состоянии, хотя эксперименты на ускорителях дают убедительные косвенные доказательства их реального существования в связном состоянии. Кварки и антикварки группируются либо по две, либо по три частицы, образуя составные частицы, названные адронами. Составленные из кварков адроны подразделяются на три группы. Первая- барионы- образуются комбинациями трех кварков. Эта группа включает протон и нейтрон – фундаментальную основу атомных ядер. Вторую группу образуют частицы, получаемые путем сочетания кварка и антикварка. Они называются мезонами. Еще одна группа содержит частицы, образуемые сочетанием трех антикварков. В нее попадают антипротон и антинейрон, то есть то, что составляет основу антивещества.

     При объединении  кварков и антикварков в адроны  должны выполняться два условия:  суммарный электрический заряд  кварков в адроне должен быть  целочисленным; кварки, соединяющиеся  в адрон, должны полностью компенсировать  свои цветовые заряды и удовлетворять  признаку бесцветности. Это связано  с тем, что только кварки  проявляют способность к сильному  взаимодействию, связанному с цветовыми  силами. Адроны таких способностей  не имеют в силу своей бесцветности (конфаймент).

     Таковы основы  современных представлений о  строении материи на микроуровне.

Вопрос 5. Назовите основные этапы эволюции химических систем.

     Процесс зарождения  и формирования химии как науки  был длительным во времени,  сложным и противоречивым по  содержанию. Истоки химических знаний  лежат в глубокой древности.  В их основе лежит потребность  человека получить необходимые  вещества для своей жизнедеятельности. Для этого нужно было научиться производить из одних веществ другие, с заданными свойствами, то есть осуществлять их качественные превращения.

     История химии  показывает, что ее развитие происходило  неравномерно: периоды накопления  и систематизации данных эмпирических  опытов и наблюдений сменялись  периодами открытия и бурного  обсуждения фундаментальных законов  и теорий. Последовательное чередование  таких периодов позволяет разделить  историю химической науки на  несколько этапов:

1. Период алхимии- с древности до XVI в. нашей эры. Он характеризуется поисками философского камня, эликсира долголетия, алкагеста (универсального растворителя). Кроме того, в алхимический период почти во всех культурах практиковалось «превращение» неблагоприятных металлов в золото или серебро, но все эти «превращения» у каждого народа осуществлялись самыми разными способами.
2. Период зарождения научной химии, который продолжался в течение XVI –XVIII веков. На этом этапе были созданы теории Парацельса, теории газов Бойля, Кавендиша и др., теория флогистона Шталя и , наконец, теория химических элементов Лавуазье. В течение этого периода совершенствовалась прикладная химия, связанная с развитием металлургии, производства стекла и фарфора.
3. Период открытия основных законов химии охватывает первые шестьдесят лет XIX века и характеризуется возникновением и развитием атомной теории Дальтона, томно-молекулярной теории Авогадро, установлением Берцелиусом атомных весов элементов и формированием основных понятий химии: атом, молекула и др.
4. Современный период длиться с 60-х годов XIX века до наших дней. Это наиболее плодотворный перид развития химии, так как в течение немногим более 100 лет были разработаны периодическая классификация элементов, теория валентности, теория ароиатических соединений и стереохимия, теория электролитической диссоциации Аррениуса, электронная теория материи и т.д.

Вопрос 6. Какую  роль играет катализ в эволюции химических систем.

     Катализ - возбуждение химических реакций или изменение скорости их протекания посредством добавления особых веществ – катализаторов, не участвующих непосредственно в реакции, но изменяющих ее ход.

     Катализ в  химии делает настоящие чудеса. Например, реакция синтеза аммиака.  До 1913 г. она вообще не могла  быть осуществлена. Только после  того, как был найден катализатор,  при высокой температуре и  давлении эту реакцию удалось осуществить. Но она была очень трудной в технологическом исполнении и опасной. А сейчас открыты условия, позволяющие проводить ее при нормальном давлении и комнатной температуре с использованием металлоорганических катализаторов.

     Применение  катализаторов послужило основанием  коренной ломки всей химической  промышленности. Благодаря им стало  возможным ввести в качестве  сырья для органического синтеза  парафины и циклопарафины, до  сих пор считавшиеся «химическими  мертвецами».  60-80 % всей химии  основаны на каталических процессах. Сам катализ долгое время оставался загадкой природы, вызывая к жизни самые разнообразные теории, как чисто химические, так и физические.

     Эти теории, даже будучи ошибочными, оказывались  полезными хотя бы потому, что  наталкивали исследователей на  новые эксперименты. Ведь дело  было в том, что для большинства  промышленно важных химических  процессов катализаторы подбирались  путем проб и ошибок. Так, например, для вышеназванной реакции синтеза аммиака в 1913-1914 годах немецкие химики испробовали в качестве катализатора более 20 тысяч химических соединений, следуя периодической системе элементов и сочетая их самыми разными способами.

     Сегодня можно  сделать некоторые выводы о  сущности катализа:

1. Реагирующие вещества вступают в контакт с катализатором

А

         кат. взаимодействуют с ним, в результате чего

В

происходит ослабление химических связей.

2. В общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение ослабленных химических связей.
3. В подавляющем большинстве случаев в качестве катализаторов выступают соединения бертоллидного типа - соединения переменного состава, отличающиеся наличием в них ослабленных химических связей или даже свободных валентностей, что придает им высокую химическую активность.
4. Следствием взаимодействия реагентов с катализатором является ход реакции в заданном направлении; увеличение скорости реакции, так как на поверхности катализатора увеличивается число встреч реагирующих молекул; захват катализатором некоторой части энергии экзотермической реакции для энергетической подпитки все новых актов реакции и ее общего ускорения.