Контрольная работа по “Концепция современного естествознания”

Таким образом, симметрия  играет роль в сфере математического  знания, асимметрия – в сфере  биологического знания. Поэтому принцип  симметрии – это единственный принцип, благодаря которому есть возможность отличать вещество биогенного происхождения от вещества неживого. Парадокс: мы не можем ответить на вопрос, что такое жизнь, но имеем способ отличать живое от неживого.

 

 

4. Чем обусловливается химическая связь и свойства атомов?

 

Химическая связь между атомами обусловливается перекрыванием электронных облаков. Если перекрывание происходит вдоль линии, соединяющей ядра атомов, то такая связь называется сигма – связью (σ-связь).

Она может быть образована за счет двух s-электронов, s- и p-электронов, двух px-электронов, s и d электронов.

Химическая связь, осуществляемая одной электронной парой, называется одинарной. Одинарная связь –  всегда σ-связь. Орбитали типа s могут  образовывать только σ-связи.

Связь двух атомов может  осуществляться более чем одной парой электронов. Такая связь называется кратной. Примером образования кратной связи может служить молекула азота. В молекуле азота px-орбитали образуют одну σ-связь. При образовании связи pz-орбиталями возникают две области  перекрывания – выше и ниже оси х.

Такая связь называется пи-связью (π-связь). Возникновение π-связи  между двумя атомами происходит только тогда, когда они уже связаны  σ-связью. Вторую π-связь в молекуле азота образуют ру-орбитали атомов. При образовании π-связей электронные  облака перекрываются меньше, чем в случае σ-связей. Вследствие этого π-связи, как правило, менее прочны, чем σ-связи, образованные теми же атомными орбиталями.

Образование из атомов молекул, молекулярных ионов, ионов, кристаллических, аморфных и других веществ сопровождается уменьшением энергии по сравнению с невзаимодействующими атомами.

При этом минимальной  энергии соответствует определенное расположение атомов друг относительно друга, которому отвечает существенное перераспределение электронной  плотности. Силы, удерживающие атомы в новых образованиях, получили обобщённое название “химическая связь”.

Важнейшие виды химической связи: ионная, ковалентная, металлическая, водородная, межмолекулярная.

Согласно электронной  теории валентности, химическая связь  возникает за счет перераспределения электронов валентных орбиталей, в результате чего возникает устойчивая электронная конфигурация благородного газа (октет) за счёт образования ионов (В. Коссель) или образования общих электронных пар (Г. Льюис).

Химическая связь характеризуется энергией и длиной. Мерой прочности связи служит энергия, затрачиваемая на разрушение связи, или выигрыш в энергии при образовании соединения из отдельных атомов (Eсв).

Так, на разрыв связи H-H затрачивается 435 кДж•моль-1, а на атомизацию метана CH4 - 1648 кДж•моль-1, в этом случае EC-H = 1648 : 4 = 412 кДж.

Длина связи (нм) - расстояние между  ядрами в том или ином соединении. Обычно длина связи и её энергия антибатны: чем больше длина связи, тем меньше её энергия.

Химическая связь обычно изображается чёрточками, соединяющими взаимодействующие атомы; каждая черта эквивалентна обобщённой паре электронов. В соединениях, содержащих более двух атомов, важной характеристикой является валентный угол, образуемый химическими связями в молекуле и отражающий её геометрию.

Полярность молекулы определяется разностью электроотрицательностей  атомов, образующих двухцентровую связь, геометрией молекулы, а так же наличием не поделённых электронных пар, так как часть электронной плотности в молекуле может быть локализована не в направлении связей.  

Полярность связи выражается через  её ионную составляющую, то есть через смещение электронной пары к более электроотрицательному атому.

Полярность связи может быть выражена через её дипольный момент м, равный произведению элементарного заряда на длину диполя. Диполь – система из двух равных, но противоположных по знаку зарядов, находящихся на единичном расстоянии друг от друга.

Дипольный момент измеряется в кулон – метрах (Кл•м) или в дебаях (D); 1D = 0,333•10-29 Кл•м. м = e • l. Полярность молекулы выражается через её дипольный момент, который равен векторной сумме всех дипольных моментов связей молекулы.

Все эти факторы следует учитывать. Например, для линейной молекулы CO2 м = 0, но для SO2 м = 1,79 D вследствие её углового строения.

Дипольные моменты NF3 и NH3 при одинаковой гибридизации атома азота (sp3), примерно одинаковой полярности связей N-F и N-H (ОЭО N = 3; ОЭО F = 4; ОЭО H = 2,1) и сходной геометрии  молекул существенно различаются, поскольку дипольный момент не поделённой пары электронов азота при векторном сложении в случае NH3 увеличивает м молекулы, а в случае NF3 уменьшает его.

По определению, любые два атома с одним  и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу.

Атомы с одним и тем  же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента.

Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием – наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий).

Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд  по числу протонов в ядре, начиная  с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом у нуноктия, в ядре которого 118 протонов.

Все изотопы  элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.

 

 

5. Сформулируйте закон всемирного тяготения.

 

Все тела притягиваются друг к другу  с силой, прямо пропорциональной произведениям масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Этот закон был открыт Ньютоном в 1666 году. Он гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m₁ и m₂, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — то есть:

Здесь G — гравитационная постоянная, равная м³/(кг с²).

Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона.

Ранее о ней размышляли Эпикур, Гассенди, Кеплер, Борелли, Декарт, Роберваль, Гюйгенс и другие.

Кеплер полагал, что тяготение  обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики;

Декарт считал его результатом  вихрей в эфире. Были, впрочем, догадки с правильной зависимостью от расстояния;

Ньютон в письме к Галлею упоминает как своих предшественников Буллиальда, Рена и Гука.

Но до Ньютона никто не сумел  ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера).

В своём основном труде “Математические начала натуральной философии” (1687) Исаак Ньютон вывел закон тяготения, основываясь на эмпирических законах Кеплера, известных к тому времени. Он показал, что:

• наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы;
• обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам.

Теория Ньютона, в отличие  от гипотез предшественников, имела  ряд существенных отличий. Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель:

• закон тяготения; 
• закон движения (второй закон Ньютона);
• система методов для математического исследования (математический анализ).

В совокупности эта триада достаточна для полного исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики.

До Эйнштейна никаких принципиальных поправок к указанной модели не понадобилось, хотя математический аппарат оказалось необходимым значительно развить.

Отметим, что теория тяготения  Ньютона уже не была, строго говоря, гелиоцентрической. Уже в задаче двух тел планета вращается не вокруг Солнца, а вокруг общего центра тяжести, так как не только Солнце притягивает планету, но и планета притягивает Солнце. Наконец, выяснилась необходимость учесть влияние планет друг на друга.

Со временем оказалось, что закон всемирного тяготения  позволяет с огромной точностью  объяснить и предсказать движения небесных тел, и он стал рассматриваться  как фундаментальный.

 

 

6. Кто и когда создал электромагнитную теорию поля?

 

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году.

В том же году в Англии родился Джеймс Клерк Максвелл, ставший в последствии учёным и сделавший важнейшее научное открытие, которое позволило, в частности, более глубоко понять сущность электромагнитной индукции.

Согласно явлению электромагнитной индукции при изменении магнитного тока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает  индукционный ток.

Зная, что электрический  ток в проводнике протекает в том случае, если в проводнике существует электрическое поле, то получается, что в опытах Фарадея переменное магнитное поле, пронизывающее замкнутый контур проводника, создавало в нём электрическое поле, под действием которого и возникал индукционный ток.

Предположение о возникновении  электрического поля в результате изменения  магнитного сразу вызывало у учёных ряд вопросов.

Например, отличается ли оно от поля, созданного неподвижными электрическими зарядами?

Возникает ли это поле только в проводнике или существует и в пространстве вокруг него?

Играет какую-либо роль в возникновении этого поля замкнутый  проводник, по которому протекает ток?

Ответы на эти и  другие вопросы были получены в 1865 году, когда Максвелл создал теорию электромагнитного  поля.

Он теоретически доказал: Что всякое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению переменного электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает переменное магнитное поле.

Эти порождающие друг друга переменные электрическое и магнитное поля образуют единое электромагнитное поле.

Источником электромагнитного  поля служат ускоренно движущиеся электрические  заряды.

Действительно, электрическое  и магнитное поля возникают вокруг электрических зарядов, причём электрическое поле существует в любой системе отсчёта, а магнитное – в той, относительно которой заряды движутся.

Вокруг зарядов, движущихся с постоянной скоростью (например, вокруг проводника с протекающим по нему постоянным током), создаётся постоянное магнитное поле.

Но если электрические  заряды движутся с ускорением, например колеблются, то создаваемое ими электрическое  поле периодически меняется.

Переменное электрическое  поле создаёт в пространстве переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое и т.д.

Переменное электрическое  поле называется вихревым, поскольку  его силовые линии замкнуты подобно  линиям индукции магнитного поля.

Это отличает его от поля электростатического (т.е. постоянного, не меняющегося во времени), которое, существует вокруг неподвижных заряженных тел.

Силовые линии электростатического  поля начинаются на положительных зарядах  и заканчиваются на отрицательных.

Открытие электромагнитного  поля позволило более детально описать  механизм возникновения индукционного тока.

Во всех опытах по получению  индукционного тока тем или иным образом изменялся магнитный  поток, пронизывающий контур замкнутого проводника.

При этом, согласно теории Максвелла, возникало вихревое электрическое  поле, под действием которого свободные заряды, всегда имеющиеся в проводнике, приходили в направленное движение.

В данном случае проводник, замкнутый на гальванометр, играл  лишь роль индикатора, обнаруживающего  возникшее в данной области пространства электрическое поле.

Электрическое поле существует независимо от наличия проводника.

Созданная Максвеллом теория, позволившая  предсказать существование электромагнитного  поля за 22 года до того, как оно было обнаружено экспериментально, считается  величайшим из научных открытий, роль которого в развитии науки и техники трудно переоценить.

 

 

7. Что такое большой взрыв?

 

“Большой взрыв” - это событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около 15 миллиардов лет назад.