Читать онлайн «Шпаргалка по концепциям современного естествознания». Страница 19

Одной из основных догм витализма было утверждение о том, что органическое вещество не может возникнуть вне организма. Отсюда вытекала невозможность возникновения живого из неживого, и проблема естественного происхождения жизни вообще снималась. Как известно, в 1824 г. Ф. Велеру удалось получить в лаборатории (вне организма) щавелевую кислоту, а четыре года спустя и карбамид (мочевину). В настоящее время многие тысячи органических соединений вырабатываются тысячами и миллионами тонн; современным школьникам кажется даже странным, что между органическим и неорганическим когда-то могла лежать пропасть.

Теперь происхождение генетического кода – ключевая проблема происхождения жизни, тогда как возникновение органического из неорганического – почти банальность.

Третий принцип функционирования Вселенной, рассматриваемый современной космологией в комплексе с антропным, на профессиональном жаргоне часто называют «водоуглеродным шовинизмом». Это связано в первую очередь с нашим химическим составом, причем роль углерода исключительна. Как известно, этот элемент образует раз в тридцать больше различных химических соединений, чем все остальные элементы, вместе взятые. Среди этого богатейшего ассортимента природе легче найти подходящие «строительные материалы» для живого, чем среди каких бы то ни было других имеющихся наборов. Мало того, углерод наиболее способен к образованию таких соединений, молекулы которых имеют сложное цепное и циклическое строение и могут участвовать в очень разнообразных превращениях. Все работает словно по заказу для создания наиболее сложных и пластичных «конструкций».

Что касается роли воды, то ее тоже трудно переоценить. Вода в природе – самый совершенный растворитель, а контакт и взаимодействие веществ между собой, необходимый для возникновения самоорганизующихся структур, осуществляется во многих отношениях наиболее совершенным образом в растворах.

Наша принадлежность к жизни водно-углеродного типа – огромное везение, наша уверенность в превосходстве такой формы жизни над работно-пленочнопылевидными (метало-кремниево-аммиачными и т. д.), по-видимому, имеет под собой весьма солидные основания.

Открытие явления радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы не являются неделимыми простейшими частицами. Как было установлено, они состоят из электронов, протонов и нейтронов. В начале частицы, из которых построены атомы, считались неспособнымини к каким изменениям и превращениям. Поэтому их назвали элементарными частицами. Знакомство со свойствами этих трех частиц, наиболее распространенных в изученной части Вселенной, показало, что термин «элементарная частица» довольно условен.

Одна из этих частиц – нейтрон в свободном состоянии существует в среднем лишь около 15 мин, а затем самопроизвольно распадается на протон, электрон и нейтрино. Однако считать протон, электрон и нейтрино «настоящими» элементарными частицами, а нейтрон «ненастоящей» нельзя, так как каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы. Полное число параметров, определяющих свойства частицы, довольно велико. Важнейшими из них являются масса частицы, ее электрический заряд, спин и время жизни. Спином называется величина, дающая количественную характеристику вращательного движения частицы. Спин частицы (механический момент) у различных частиц может иметь различные значения, но все частицы одного типа имеют абсолютно одинаковые спины.

Любой из электронов обладает механическим моментом, равным 0,50272 ? 10-34Дж|с. Эта величина точности равна ?h(h = 6,626 ? 10-31Дж/с – постоянная Планка). Величина h принята за единицу спина.

Существует четыре типа взаимодействия между элементарными частицами – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Гравитационные силы действуют между любыми частицами, электромагнитные – между заряженными. Примером сильного взаимодействия могут служить ядерные силы, связывающие в атомных ядрах протоны и нейтроны. Слабое взаимодействие обнаруживается в процессах, связанных с испусканием или поглощением нейтрино. В природе существует частица с массой, равной массе электрона, но заряженная положительно – позитрон. Электрон и позитрон, способные к совместному «рождению» в паре и к аннигиляции при встрече, назвали античастицами. Рождение электронно<позитронных пар и аннигиляция при встрече наглядно показывают, что две формы материи – вещество и поле – не являются резко разграниченными, возможны превращения материи из одной формы в другую. Античастица имеется у каждой элементарной частицы. Масса любой античастицы в точности равна массе соответствующей частицы, а электрический заряд равен по абсолютному значению заряду частицы и противоположен ему по знаку. Изучение свойств света показало, что он обладает сложной природой, сочетающей в себе волновые и корпускулярные свойства.

Полная энергия фотона (кванта света) может быть выражена через постоянную Планка и частоту электромагнитных колебаний: E = hv. С другой стороны, по закону взаимосвязи массы и энергии полная энергия фотона может быть выражена через его массу и скорость света: E = mc2. Из этих двух соотношений получаем:

v = mc2/h, ? = c/v = h/mc т. е. длина световой волны равна постоянной Планка, деленной на импульс фотона. Длина волны любого тела массой m, движущегося со скоростью v, определяется соотношением:

?= h/mv

Пусть на тело массой действует постоянная сила и векторы силы и перемещения направлены вдоль одной прямой в одну сторону. Работа силы в этом случае определяется как: A = Fs. Модуль силы по второму закону движения равен F = ma, а модуль перемещения при равноускоренном прямолинейном движении связан с модулями начальной и конечной скорости и ускорения выражением

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела.

Выражение для работы можно записать в виде:

A = Ek2 – Ek1. Работа равнодействующих сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии тела. Если начальная скорость движения тела равна нулю и тело увеличивает свою скорость до значения v, то работа силы равна конечному значению кинетической энергии тела:

Ek = mv2/2

При перемещении тела массой m вертикально вниз с высоты над поверхностью Земли до высоты под действием силы тяжести Fm = mg совершается работа A = Fs = mg(h1 – h2) При перемещении тела массой m вниз по наклонной плоскости сила тяжести совершает работу

A = mgs cos? = mgh

где h – высота наклонной плоскости, s – модуль перемещения, равный длине наклонной плоскости. Работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела и всегда равна произведению модуля силы тяжести на разность высот в начальном и конечном положениях A = – (mgh 2 – mgh1). Физическую величину, равную произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией тела Ep = mgh. Тело массой m, находящееся на глубине h от поверхности Земли, обладает отрицательной потенциальной энергией: Ep = – mgh. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятого с противоположным знаком: A = – (Ep2 – Ep1). Работа силы тяжести на замкнутой траектории равна нулю.

Потенциальная энергия характеризует взаимодействующие тела, а кинетическая – движущиеся тела.

И потенциальная, и кинетическая энергии изменяются в результате такого взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля. Если несколько тел взаимодействуют между собой силами тяготения и упругости и никакие внешние силы на них не действую, то работа сил упругости или сил тяготения равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком: A = – (Ep2 – Ep1). Вместе с тем работа тех же сил равна изменению кинетической энергии: A = Ek2 – Ek1. Из сравнения равенств находим: Ek1 + Ep2 = Ek2 + Ep2.

Закон сохранения энергии в механических процессах: сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и упругости, остается постоянной. Сумма кинетической и потенциальной энергии тел называется полной механической энергией. Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной. При любых взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую

Все многообразие окружающей природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов.