Естественнонаучная картина мира

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Российский государственный

профессионально-педагогический университет»

Социальный институт

Кафедра физиологии и безопасности жизнедеятельности

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Естественнонаучная картина мира»

Екатеринбург 2016



1. Особенности научного знания. Научное познание. Основные формы научного познания: научные проблемы; научные факты; научные гипотезы и требования к ним; научные теории и их отличие от гипотез; законы науки; научные концепции и категории науки

научный атомный биосфера

1.1 Рассмотрим основные особенности научного познания, или критерии научности

1. Его основная задача - обнаружение объективных законов действительности - природных, социальных (общественных), законов самого познания, мышления и др. Отсюда ориентация исследования главным образом на общие, существенные свойства предмета, его необходимые характеристики и их выражение в системе абстракций, в форме идеализированных объектов. Если этого нет, то нет и науки, ибо само понятие научности предполагает открытие законов, углубление в сущность изучаемых явлений. Это основной признак науки, основная ее особенность. Ориентация науки на изучение объектов, их исследование как подчиняющихся объективным законам функционирования и развития составляет первую главную особенность научного познания.

Эта особенность отличает его от других форм познавательной деятельности человека. Так, например, в процессе художественного освоения действительности объекты, включенные в человеческую деятельность, не отделяются от субъективных факторов, а берутся в своеобразной “склейке” с ними.

Любое отражение предметов объективного мира в искусстве одновременно выражает ценностное отношение человека к предмету. Художественный образ -- это такое отражение объекта, которое содержит отпечаток человеческой личности, ее ценностных ориентаций, которые вплавляются в характеристики отражаемой реальности. Исключить это взаимопроникновение -- значит разрушить художественный образ. В науке же особенности жизнедеятельности личности, создающей знания, ее оценочные суждения не входят непосредственно в состав порождаемого знания (законы Ньютона не позволяют судить о том, что любил и что ненавидел Ньютон, тогда как, например, в портретах кисти Рембрандта запечатлена личность самого Рембрандта, его мироощущение и его личностное отношение к изображаемым социальным явлениям; портрет, написанный великим художником, всегда выступает и как автопортрет).

Наука ориентирована на предметное и объективное исследование действительности. Сказанное, конечно, не означает, что личностные моменты и ценностные ориентации ученого не играют роли в научном творчестве и не влияют на его результаты. Процесс научного познания обусловлен не только особенностями изучаемого объекта, но и многочисленными факторами социокультурного характера. Рассматривая науку в ее историческом развитии, можно обнаружить, что по мере изменения типа культуры меняются стандарты изложения научного знания, способы видения реальности в науке, стили мышления, которые формируются в контексте культуры и испытывают воздействие самых различных ее феноменов. Это воздействие может быть представлено как включение различных социокультурных факторов в процесс генерации собственно научного знания.

Однако констатация связей объективного и субъективного в любом познавательном процессе и необходимость комплексного исследования науки в ее взаимодействии с другими формами духовной деятельности человека не снимают вопроса о различии между наукой и этими формами (обыденным познанием, художественным мышлением и т.п.). Первой и необходимой характеристикой такого различия является признак объективности и предметности научного познания. Наука может исследовать любые феномены жизни человека и его сознания, она может исследовать и деятельность, и человеческую психику, и культуру, но только под одним углом зрения -- как особые предметы, которые подчиняются объективным законам.

На основе знания законов функционирования и развития исследуемых объектов наука осуществляет предвидение будущего с целью дальнейшего практического освоения действительности. Нацеленность науки на изучение не только объектов, преобразуемых в сегодняшней практике, но и тех, которые могут стать предметом практического освоения в будущем, является важной отличительной чертой научного познания.

Наука ставит своей конечной целью предвидеть процесс преобразования предметов практической деятельности (объект в исходном состоянии) в соответствующие продукты (объект в конечном состоянии). Это преобразование всегда определено сущностными связями, законами изменения и развития объектов, и сама деятельность может быть успешной только тогда, когда она согласуется с этими законами. Поэтому основная задача науки -- выявить законы, в соответствии с которыми изменяются и развиваются объекты.

Применительно к процессам преобразования природы эту функцию выполняют естественные и технические науки. Процессы изменения социальных объектов исследуются общественными науками. Поскольку в деятельности могут преобразовываться самые различные объекты -- предметы природы, человек (и состояния его сознания), подсистемы общества, знаковые объекты, функционирующие в качестве феноменов культуры и т.д., -- постольку все они могут стать предметами научного исследования.

Предвидение будущего - третье звено в цепи логической операции, два предшествующих звена которой составляют анализ настоящего и исследование прошлого. Точность и достоверность предвидения и определяются, прежде всего, тем, насколько глубоко и всесторонне изучены как предшествующее и современное состояния предмета исследования, так и закономерности его изменения. Без знания этих двух важнейших моментов в их единстве невозможно и само научное предвидение как таковое.

Научное предвидение в своей сущности сводится к тому, чтобы мысленно, в самом общем виде, в соответствии с выявленными законами, сконструировать "модель" будущего по тем его единичным фрагментам ("кусочкам", предпосылкам и т.п.), которые существуют сегодня. А для этого нужно уметь найти эти фрагменты и выделить их из огромного числа других единичностей, затемняющих, скрывающих те "ростки", которые станут впоследствии элементами будущей конкретно-исторической целостности.

Когда осуществляется предвидение событий, еще не имеющих места в действительности, то на основе уже известных законов и теорий происходит экстраполяция в будущее процессов настоящего и прошлого. Однако это не означает фатальной предопределенности, ибо при даннойэкстраполяции учитываются допустимые пределы, в рамках которых можно проецировать в будущее закономерности, выявленные в настоящем, возможность изменения данных пределов и данных тенденций и т.д.

Любое научное предвидение, каким бы точным оно ни было, всегда неизбежно ограничено, имеет свои пределы, за которыми превращается в утопию, в пустую беспочвенную фантазию. В науке очень важно знать также и то, чего принципиально быть (появиться в будущем) никогда, ни при каких условиях, не может. По мере развития практики и самого познания предвидение становится все более точным и достоверным, одни его элементы не подтверждаются и отбрасываются, другие - находят свою реализацию, предвидение в целом развивается, конкретизируется, наполняется новым, более глубоким содержанием.

Нацеленность науки на изучение не только объектов, преобразуемых в сегодняшней практике, но и тех объектов, которые могут стать предметом массового практического освоения в будущем, является второй отличительной чертой научного познания. Эта черта позволяет разграничить научное и обыденное, стихийно-эмпирическое познание и вывести ряд конкретных определений, характеризующих природу науки. Она позволяет понять, почему теоретическое исследование выступает определяющей характеристикой развитой науки.

3. Существенным признаком научного познания является его системность, т.е. совокупность знаний, приведенных в порядок на основании определенных теоретических принципов, которые и объединяют отдельные знания в целостную органическую систему. Собрание разрозненных знаний (а тем более их механический агрегат, "суммативное целое"), не объединенных в систему, еще не образует науки. Знания превращаются в научные, когда целенаправленное собирание фактов, их описание и обобщение доводится до уровня их включения в систему понятий, в состав теории.

4. Для науки характерна постоянная методологическая рефлексия. Это означает, что в ней изучение объектов, выявление их специфики, свойств и связей всегда сопровождается - в той или иной мере - осознанием методов и приемов, посредством которых исследуются данные объекты. При этом следует иметь в виду, что хотя наука в сущности своей рациональна, но в ней всегда присутствует иррациональная компонента, в том числе и в ее методологии (что особенно характерно для гуманитарных наук). Это и понятно: ведь ученый - это человек со всеми своими достоинствами и недостатками, пристрастиями и интересами и т.п. Поэтому-то и невозможно его деятельность выразить только при помощи чисто рациональных принципов и приемов, он, как и любой человек, не вмещается полностью в их рамки.

5. Непосредственная цель и высшая ценность научного познания - объективная истина, постигаемая преимущественно рациональными средствами и методами, но, разумеется, не без участия живого созерцания и внерациональных средств. Отсюда характерная черта научного познания - объективность, устранение не присущих предмету исследования субъективистских моментов для реализации "чистоты" его рассмотрения. Вместе с тем надо иметь в виду, что активность субъекта - важнейшее условие и предпосылка научного познания. Последнее неосуществимо без конструктивно-критического и самокритичного отношения субъекта к действительности и к самому себе, исключающего косность, догматизм, апологетику, субъективизм. Постоянная ориентация на истину, признание ее самоценности, непрерывные ее поиски в трудных и сложных условиях - существенная характеристика научного познания, отличающая его от других форм познавательной деятельности.

6. Научное познание есть сложный, противоречивый процесс производства, воспроизводства новых знаний, образующих целостную развивающуюся систему понятий, теорий, гипотез, законов и других идеальных форм, закрепленных в языке - естественном или (что более характерно) искусственном: математическая символика, химические формулы и т.п. Научное знание не просто фиксирует свои элементы в языке, но непрерывно воспроизводит их на своей собственной основе, формирует их в соответствии со своими нормами и принципами. Процесс непрерывного самообновления наукой своего концептуального арсенала - важный показатель (критерий) научности.

7. В процессе научного познания применяются такие специфические материальные средства, как приборы, инструменты, другое так называемое "научное оборудование", зачастую очень сложное и дорогостоящее (ускорители частиц, радиотелескопы, ракетно-космическая техника и т.д.). Кроме того, для науки в большей мере, чем для других форм познания, характерно использование для исследования своих объектов и самой себя таких идеальных (духовных) средств и методов, как современная логика, математические методы, диалектика, системный, синергетический и другие приемы и методы.

8. Научному познанию присущи строгая доказательность, обоснованность полученных результатов, достоверность выводов. Вместе с тем здесь немало гипотез, догадок, предположений, вероятностных суждений и т.п. Вот почему тут важнейшее значение имеют логико-методологическая подготовка исследователей, их философская культура, постоянное совершенствование своего мышления, умение правильно применять его законы и принципы.

В современной методологии выделяют различные уровни критериев научности, относя к ним - кроме названных - такие, как формальная непротиворечивость знания, его опытная проверяемость, воспроизводимость, открытость для критики, свобода от предвзятости, строгость и т.д. В других формах познания рассмотренные критерии могут иметь место (в разной мере), но там они не являются определяющими.

Интересные и оригинальные идеи об отличиях научного мышления от других духовных "исканий человечества развивал В. И. Вернадский. Он, в частности, считал, что только в истории научных идей четко и ясно проявляется прогресс, чего нет в других сторонах культурной жизни (в искусстве, литературе, музыке) и даже в истории человечества, которую "едва ли можно принимать за нечто единое и целое". По мнению русского мыслителя, характерными особенностями исторического процесса научного творчества являются, во-первых, единство процесса развития научной мысли; во-вторых, общеобязательность научных результатов; в-третьих, большая и своеобразная независимость науки (по сравнению с другими духовными образованиями - философией, религией, искусством и др.) от исторической обстановки; в-четвертых, очень глубокое (подобно религии), но совершенно своеобразное влияние научного познания на понимание человеком смысла и цели своего существования; в-пятых, научное творчество является основным элементом "научной веры" (противоположной религиозной), которая является могущественным созидательным фактором в науке.

К числу важнейших гносеологических признаков научного метода относятся:

а) объективность--опосредствованность достоверным знанием;

б) общезначимость--всеобщий интерсубъективный характер научного метода в отличие от остающейся уделом не науки персонифицированности, уникальности;

в) воспроизводимость -- инвариантность результатов для любого субъекта в любой сходной ситуации;

г) целесообразность -- определенность, заданность принципов интеллектуального движения, осмысленность реализации, как отдельных шагов, так и систем операций в целом;

д) необходимость -- гарантированность результатов в отличие от ненаучной особенности случайного, непреднамеренного их достижения;

е) эффективность -- запланированность социальной ассимиляции, внедрения, потребления результатов, что не свойственно ненаучному познанию, базирующемуся на ситуативном, индивидуально конституированном способе получения и применения результатов

1.2 Научное познание Человек с самого момента своего появления на свет стремится познать мир. Делает он это разнообразными путями. Одним из самых верных способов сделать происходящее в мире понятным и открытым является научное познание. Поговорим о том, чем же оно отличается, например, от ненаучного познания

Самая первая особенность, которой обладает научное познание - это его объективность. Человек, приверженный к научным взглядам, понимает, что все в мире развивается независимо от того, нравится нам это или нет. Частные мнения и авторитеты ничего с этим поделать не могут. И это замечательно, потому что невозможно себе представить иную ситуацию. Мир бы просто оказался в хаосе и вряд ли смог бы существовать.

Другое отличие научного познания - это направленность его результатов в будущее. Не всегда научные открытия дают сиюминутные плоды. Многие из них подвергаются сомнения и гонениям со стороны личностей, которые не хотят признать объективности явлений. Проходит огромное количество времени, пока истинное научное открытие признается состоявшимся. Далеко ходить за примерами не надо. Достаточно вспомнить судьбу открытий Коперника и Галилео Галилея относительно тел солнечной Галактики.

Научное и ненаучное познание всегда находились в противоборстве и это определило еще одну особенность научного познания. Оно обязательно проходит такие этапы, как наблюдение, классификация, описание, эксперимент и объяснение изучаемых естественных явлений. Другим видам эти этапы не присущи вовсе или же они присутствуют в них разрозненно.

Научное познание и научное знание имеют два уровня: эмпирический и теоретический. Эмпирическое научное познание заключается в исследовании фактов и законов, устанавливаемых путем обобщения и систематизации тех результатов, которые получаются путем наблюдений и экспериментов. Эмпирическим способом выявлены, например, закон Шарля о зависимости давления газа и его температуры, закон Гей-Люссака о зависимости объема газа и его температуры, закон Ома о зависимости силы ток от его напряжения и сопротивления.

А теоретическое научное познание более абстрактно рассматривает естественные явления, потому что имеет дело с объектами, которые в обычных условиях наблюдать и изучать невозможно. Таким путем были открыты: закон о всемирном тяготении, о превращении одного вида энергии в другую и его сохранении. Так развивается электронная и генная инженерия. Этот вид познания основан на построении в тесной связи друг с другом принципов, понятий, теоретических схем и логических следствий, вытекающих из исходных утверждений.

Научное познание и научное знание добываются в ходе наблюдений и экспериментов. Эксперимент отличается от наблюдения тем, что у ученого появляется возможность изолировать изучаемый предмет от внешнего воздействия, окружая его специальными, искусственно созданными условиями. Эксперимент может существовать и в мысленном виде. Это происходит тогда, когда невозможно изучать объект из-за дороговизны и сложности требуемого оборудования. Тут используется научное моделирование, в ход пускается творческое воображение ученого, который выдвигает гипотезы.

Научное и ненаучное познание всегда шагают рядом. И хотя они, чаще всего, находятся в противоборстве, нужно сказать о том, что первое невозможно без второго. Нельзя представить себе современную науку без пытливого народного ума, который придумывал мифы, изучал явления в ходе жизненной практики, оставил нашему поколению бесценную копилку народных мудростей, в которых заключен здравый смысл, помогающий нам руководствоваться в жизни. Большая роль в познании мира отводится и предметам искусства. Насколько разнообразна жизнь, настолько многообразны и способы познания ее законов.

1.3 Формы научного познания

Под формой научного познания понимают способ организации содержания и результатов познавательной деятельности. Для эмпирического исследования такой формой является факт, а длятеоретического - гипотеза и теория.

Научный факт - это результат наблюдений и экспериментов, который устанавливает количественные и качественные характеристики объектов. Работа ученого на 80% состоит в наблюдениях над интересующим объектом с целью установления его устойчивых, повторяющихся характеристик. Когда исследователь убедится в том, что при соответствующих условиях объект всегда выглядит строго определенным образом, он подкрепляет этот результат с помощью эксперимента и, в случае подтверждения, формулирует научный факт. Например: тело, если оно тяжелее воздуха, будучи подброшенным вверх, обязательно упадет вниз.

Таким образом, научный факт - это нечто данное, установленное опытом и фиксирующееэмпирическое знание. В науке совокупность фактов образует эмпирическую основу для выдвижения гипотез и создания теория. Познание не может ограничиться фиксированием фактов, потому что это не имеет смысла: любой факт должен быть объяснен. А это уже задача теории.

Широко известен пример с яблоком Ньютона, падение которого на голову знаменитого ученого побудило последнего к объяснению этого события и привело, в конечном итоге, к созданию теории гравитации.

Теоретический уровень научного исследования начинается с выдвижения гипотез. С греческого гипотеза переводится как предположение. В качестве формы теоретического знания гипотезу определяют как предположительное знание, которое удовлетворительно объясняет эмпирические факты и не вступает в противоречие с основополагающими научными теориями. Гипотеза выдвигается для решения конкретной научной проблемы и должна удовлетворять определенным требованиям. К числу таких требований относятся релевантность, проверяемость, совместимость с существующим научным знанием, наличие объяснительных и предсказательных возможностей и простота.

Релевантность (от англ. relevant - уместный, относящийся к делу) гипотезы характеризует её отношение к фактам, для объяснения которых она создается. Если факты подтверждают или опровергают гипотезу, она считается релевантной.

Проверяемость гипотезы предполагает возможность сопоставления её результатов с данными наблюдений и экспериментов. Имеется в виду именно возможность такой проверки, а не требование обязательного её проведения. Многие гипотезы современной науки оперируют ненаблюдаемыми объектами, что требует совершенствования экспериментальной техники для их проверки. Те гипотезы, которые нельзя проверить в настоящее время, возможно будут проверены позже, с появлением более совершенных экспериментальных средств и методов.

Совместимость гипотез с существующим научным знанием означает, что она не должна противоречить установленным фактам и теории. Это требование относится к нормальному периоду в развитии науки и не распространяется на периоды кризисов и научных революций.

Объяснительная сила гипотезы состоит в количестве дедуктивных следствий, которые из неё можно вывести. Если из двух гипотез, претендующих на объяснение одного и того же факта, выводится разное количество следствий, то, соответственно, они обладают разными объяснительными возможностями. К примеру, гипотеза Ньютона об универсальной гравитации не только объясняла факты, обоснованные до этого Галилеем и Кеплером, но и дополнительное количество новых фактов. В свою очередь, те факты, которые остались за пределами объяснительных возможностей ньютоновской теории гравитации, были позже объяснены в общейтеории относительности А. Эйнштейна.

Предсказательная сила гипотезы заключается в количестве событий, вероятность которых она в состоянии предугадать.

Критерий простоты гипотезы относятся к ситуациям, когда конкурирующие научные гипотезы удовлетворяют всем вышеуказанным требованиям и, тем не менее, нужно делать выбор в пользу одной из них. Серьёзным доводом может служить простота. Она предполагает, что одна гипотеза содержит меньше число посылок для выведения следствий, чем другая.

Выдвижение новых гипотез и их обоснование представляют очень сложный творческий процесс, в котором решающую роль играют интуиция и научная квалификация ученого. Какого-то определенного алгоритма в этом деле не существует. Общеизвестно, что большая часть научного существует в форме гипотез.

Закон - следующая форма существования научного знания, в которую трансформируются гипотезы в результате всестороннего обоснования и подтверждения. В законах науки отражаются устойчивые, повторяющиеся, существенные связи между явлениями и процессами реального мира. В соответствие с принятой двухступенчатой структурой научного познания выделяют эмпирические и теоретические законы.

На эмпирической стадии развития науки устанавливаются законы, в которых фиксируются связи между чувственно воспринимаемыми свойствами объектов. Такие законы называются феноменологическими (от греч. phainomenon - являющееся). Примерами таких законов могут служить законы Архимеда, Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и другие, в которых выражаются функциональные связи между различными свойствами жидкостей и газов. Но такие законы многое не объясняют. Тот же закон Бойля-Мариотта, утверждающий, что для данной массы газа, при постоянной температуре, давление на объем является постоянной величиной, не объясняет, почему это так. Подобное объяснение достигается с помощью теоретических законов, которые раскрывают глубокие внутренние связи процессов, механизм их протекания.

Эмпирические законы можно назвать количественными, а теоретические - качественными законами.

По степени общности законы подразделяют на универсальные и частные. Универсальные законы отображают всеобщие, необходимые, повторяющиеся и устойчивые связи между всеми явлениями и процессами объективного мира. Примером может служить закон теплового расширения тел, выражаемый с помощью предложения: «Все тела при нагревании расширяются». Частные законы либо выводятся из универсальных законов, либо отображают законы ограниченной сферы действительности. Примером могут служить законы биологии, описывающие функционирование и развитие живых организмов.

С точки зрения точности предсказаний различают статистические и динамические законы. Динамические законы имеют большую предсказательную силу, поскольку абстрагируются от второстепенных и случайных факторов. Предсказания статистических законов носят вероятностный характер. Это законы демографии, статистики населения, экономики и другие, которые имеют дело с множеством случайных и субъективных факторов. Вероятностно-статистический характер имеют и некоторые природные законы, в первую очередь - законы микромира, описываемые в квантовой механике.

Теоретические законы составляют ядро научной теории - высшей формы организации научного знания. Теория представляет собой систему базовых, исходных понятий, принципов и законов, из которых по определенным правилам могут быть выведены понятия и законы меньшей степени общности. Она появляется в результате длительного поиска научных фактов, выдвижения гипотез, формулирования вначале простейших эмпирических, а затем - фундаментальных теоретических законов.

Наука чаще всего оперирует не реальными объектами, а их теоретическими моделями, которые допускают такие познавательные процедуры, которые невозможны с реальными объектами.

В зависимости от формы идеализации различают описательные теории, в которых осуществляется описание и систематизация обширного эмпирического материала, математизированные теории, в которых объект выступает в виде математической модели и дедуктивные теоретические модели.

По степени точности предсказаний теории бывают детерминистские и стохастические. Первые отличаются точностью и достоверностью предсказаний, но, в силу сложности многих явлений и процессов в мире и наличия значительной доли неопределенности, применяются редко.

Стохастические теории дают вероятные предсказания, основанные на изучении случайностей. Теории естественнонаучного типа называют позитивными, поскольку их задачей является объяснение фактов. Если же теория ставит своей целью не только объяснение, но и понимание объектов и событий, её называют нормативной. Она имеет дело с ценностями, которые не могут быть научными фактами в классическом смысле этого слова. Поэтому часто высказываются сомнение в научном статусе философских, этических, социологических теорий.

Научные концепции - наиболее общие и важные фундаментальные положения теорий.

Категории науки - это наиболее общие понятия теории, характеризующие существенные свойства объекта теории, предметов и явлений объективного мира. Например, важнейшими категориями являются материя, пространство, время, движение, причинность, качество, количество, причинность и. т.п. Законы науки отражают существенные связи явлений в форме теоретических утверждений. Принципы и законы выражаются через соотношение двух и более категорий.



2. Проблема устойчивости атомных ядер. Радиоактивность. Естественная и искусственная радиоактивность. Типы радиоактивных распадов. Термоядерные реакции

2.1 Проблема устойчивости атомных ядер

Принято, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Единственное ядро, состоящее из одного протона - ядро атома водорода. В начале периодической таблицы Менделеева количество протонов примерно равно количеству нейтронов. Ближе к концу периодической таблицы соотношение составляет один протон на два нейтрона. Каждый элемент имеет свой положительный заряд, вокруг ядра на орбиталях вращаются электроны, число которых равно заряду ядра. Заряженные протоны в ядре отталкивают друг друга, а гравитационное взаимодействие существенно слабее и не в состоянии их удержать в ядре. Соответственно возникла проблема устойчивости ядра, и тогда придумали, что нуклоны (протоны и нейтроны) удерживаются в ядре сильным взаимодействием.

Электромагнитная теория устойчивости атомного ядра

Если из начальной теории убрать допущение, что заряд ядра равен номеру элемента в периодической таблице Менделеева, то проблема устойчивости атомного ядра решается без придуманного сильного взаимодействия. В этой теории все электроны, кроме валентных, находятся внутри ядра, удерживая протоны. Учитывая, что масса нейтрона больше масс в сумме протона и электрона, приходим к выводу, что в легких ядрах вообще нет нейтронов. Рассмотрим ядро дейтерия, два протона находятся на расстоянии чуть меньше, чем радиус электрона. Поскольку сила Кулоновского взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния, то электрон притягивает два протона, при этом потенциальная энергия системы значительно меньше, чем если бы эти частицы были бы в не ядра. Эта потенциальная энергия выделяется в виде фотонов. Устойчивость системе придает обстоятельство, что протон и электрон имеют спин, т.е. вращаются вокруг собственной оси и для вхождении протона в электрон требуется энергия для образования электромагнитного поля (т.е. частицы начинают отталкивать друг друга).Поскольку между двумя протонами может поместиться только один электрон, то электрон становиться валентным и находиться вне ядра.

2.2 Радиоактивность

Радиоактивность (от лат. radio - излучаю и activus-действенный), самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в др. ядра, сопровождающееся испусканием частиц, а также жесткого электромагнитного излучения (рентгеновского или g-излучения). Ядра нового нуклида, которые образуются в результате радиоактивного распада исходного нуклида (радионуклида), может быть стабильными или радиоактивными. 2.3 Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. 2.4. Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

Открытие радиоактивности относится к 1896г., когда А. Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает излучение, названное им радиоактивным (от. radio - излучаю и activas - действенный). Радиоактивное излучение возникает при самопроизвольном распаде атомного ядра. Известно несколько типов радиоактивного распада и радиоактивного излучения. ) б-Распад. Распад ядра с выделением б-частиц, которые являются ядрами He2+. Например,



Ra ? Rn + He ; U ? Th + б (He)

В соответствии с законом радиоактивного смещения, при б-распаде получается атом, порядковый номер которого на две единицы, а атомная масса на четыре единицы меньше, чем у исходного атома.

в-Распад. Различают несколько видов в-распада: электронном в-распаде, например,

Sn ? Y + в; P ? S + в

Нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной в-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется. При позитронном в-распаде из атомного ядра выделяется позитрон (в-частица), а потом внутри ядра превращается в нейтрон. Например:

Na ? Ne + в

Продолжительность жизни позитрона невелика, так как при столкновении его с электроном происходит аннигиляция, сопровождающаяся испусканием г-квантов. ) При К-захвате ядро атома захватывает электрон из близлежащей электронной оболочки (из К-оболочки) и один из протонов ядра превращается в нейтрон. Например,

Cu?Ni+n K + e= Ar + hv

На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жёсткого рентгеновского излучения. Спонтанное деление. Оно характерно для элементов периодической системы Д. И. Менделеева с Z>90. При спонтанном делении тяжёлые атомы делятся на осколки, которыми обычно являются элементы середины таблицы Л. И. Менделеева. Спонтанное деление и б-распад ограничивают получение новых трансурановых элементов. Поток б и в-частиц называют соответственно б и в-излучением. Кроме того, известно г-излучение. Это электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны. В принципе, г-излучение близко к жёсткому рентгеновскому и отличается от него своим внутриядерным происхождением. Рентгеновское излучение при переходах в электронной оболочке атома, а г-излучение испускает возбуждённые атомы, получившиеся в результате радиоактивного распада (б и в). В результате радиоактивного распада получаются элементы, которые по заряду ядер (порядковому номеру) должны быть помещены в уже занятые клетки периодической системы элементами с таким же порядковым номером, но другой атомной массой. Это так называемые изотопы. По химическим свойствам их принято считать неразличимыми, поэтому смесь изотопов обычно рассматривается как один элемент. Неизменность изотопного состава в подавляющем большинстве химических реакций иногда называют законом постоянства изотопного состава. Например, калий в природных соединениях представляет собой смесь изотопов, на 93,259% из 39 К, на 6,729% из 41 К и на 0,0119% из 40 К (К-захват и в-распад). Кальций насчитывает шесть стабильных изотопов с массовыми числами 40, 42,43,44,46 и 48. В химико-аналитических и очень многих других реакциях это соотношение сохраняется практически неизменным, поэтому для разделения изотопов химической реакции обычно не применяются. Чаще всего для этой цели используются различные физические процессы - диффузия, дистилляция или электролиз.

Единицей активности изотопа является беккерель (Бк), равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1с происходит один акт распада.

Ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких темп-рах (107-108К). T. р.- основной (хотя и не единственный) тип процессов, в которых ядрам, испытывающим взаимноекулоновское отталкивание, удаётся, преодолев соответствующий электростатический барьер (рис. 1),сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и, провалившись вобразуемую ими глубокую потенц. яму, совершить ту или иную экзоэнергетич. (т. е. сопровождающуюсявыделением энергии) ядерную перестройку. Под "выделением энергии" подразумевается выделение впродуктах реакции избыточной кинетич. энергии, равной увеличению суммарной энергии связи.T. о.,относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в ср. части периодич. системы Менделеева, то наиб, типичным механизмом экзоэнергетич. реакции является слияние (синтез) легчайших ядер в более тяжёлые. Вместе с тем существуют и экзоэнергетич. реакции деления лёгких ядер, напр. благодаря особойпрочности ядра 4He возможна реакция 11 В + р->34 Не + 8,7МэВ.

Рис. 1

Потенциальная энергия межъядерного взаимодействия как функция расстояния между ядрами; относительная энергия ядер, отвечающая глубоко под-барьерному прохождению. Штриховкой показано "срезание" барьера отталкивания на боровском радиусе am отрицательного мюона в кулоновском поле одного из сталкивающихся ядер, лежащее в основе явления m-катализа.

Ниже, для краткости, все охарактеризованные выше процессы именуются реакциями ядерного синтеза (ЯС).

По механизму преодоления кулоновского барьера реакции ЯС можно разделить на два осн. класса: А -реакции при неискажённом барьере, требующие для своего протекания достаточно большой относит.энергии сталкивающихся ядер, к-рая сообщается им в результате ускорения или сильного разогрева; Б-реакции т. н. холодного синтеза, к-рые становятся возможными в результате сильного искажения самогобарьера прежде всего его сужения благодаря "срезанию" внешней, наиб. широкой части.

Реакции класса А могут реализоваться либо в некотором ускорителе (реакция ЯС на мишени; возможен такжеслучай "микроускорителя", см. ниже), либо в высокотемпературной плазме звёздных недр, ядерного взрыва,мощного газового разряда или в плазме вещества, разогретого гигантским импульсом лазерного излучения,бомбардировкой интенсивным пучком частиц и т. п.; именно в последнем круге явлений реакции ЯСсводятся к собственно T. р.

Реакции класса Б являются следствием таких физически разнородных явлений, как: 1)смятие кулоновскогобарьера колоссальным давлением в недрах плотных звёзд (r>>104 г/см 3) - случай т. <н. пикноядерныхреакций[3]; 2) прямое кулоновское экранирование поля дейтрона или протона захваченным на боровскуюорбиту отрицат. мю-оном (рис. 1) - случай т. н. мюонного катализа.

Существуют и такие реакции ЯС, сама принадлежность к-рых к классу А или Б пока совершенно неясна. Этоотносится, в частности, к сенсационным экспериментам Флейшмана - Понса (США, 1989, т. н. холодныйсинтез), в к-рых реакции ЯС наблюдались при электролитич. насыщении дейтерием кристаллич. решёткипалладия (а затем титана и др.). Физически более интересным и практически крайне заманчивыммеханизмом ЯС здесь явилась бы взаимная кулоновская экранировка дейтронов в результате каких-товесьма нетривиальных квантово-механич. эффектов (класс Б), однако более вероятным механизмом представляется всё ускорение дейтронов в электрич. полях, возникающих в микротрещинах решётки приэлектролизе или при внедрении в неё дейтронов из газовой среды под давлением (класс А) [11].

Непреходящий интерес к реакциям ЯС, и прежде всего к T. р., связан с тем, что они являются: 1) гл.источником энергии Солнца и звёзд, а также механизмом дозвёзд-ных и звёздных процессов синтезаатомных ядер хим. элементов; 2) одной из физ. основ ядерного взрыва и (тер-мо)ядерного оружия; 3)основой управляемого термоядерного синтеза (УТС) экономически и экологически перспективногонаправления энергетики будущего.

Скорости T. р. Для ряда экзоэнергетич. ядерных реакций, представляющих интерес в проблеме УТС, втабл. приведены значения энерговыделения и макс. эфф. сечения s макс. На рис. 2 приведены зависимости sот энергии налетающей частицы (в ф-лах реакций - первая слева).



Табл. Экзоэнергетические реакции между лёгкими ядрами

p-протон, d-дейтрон (ядро дейтерия 2H), t -тритрон(ядро трития H), n - нейтрон, е + -позитрон, v -нейтрино, g-фотон. Распределение энерговыделения между продуктами реакции обычно обратнопропорционально их массам.

При интерпретации этих данных, и в частности большого разброса значений s макс, следует иметь в виду, чтосечение любой из реакций есть, грубо говоря, произведение сечения прохождения сквозь кулоновск. Барьеры вероятности последующего, собственно ядерного превращения.



Рис. 2 Сечения реакций ядерного синтеза в зависимости от энергии налетающей частицы (в табл. -слева). Кривая 1- реакция 7; 2 - реакция 10; 3 - реакция 4 и 5; 4 - реакция d + 6Li7 Ве + n + 3,4 МэВ; 5-реакция 15; 6- реакция 16; 7- реакция 9

Первый, "кулоновский", сомножитель по своей физ. природе универсален для всех T. р. Поскольку высотабарьера (Z1e, Z2e - заряды ядер, R -сумма их "радиусов") даже для комбинации ядер снаименьшими Z1 = Z2 = 1, напр. d + d, составляет ~200 кэВ [тогда как для плазмы звёздных недр или совр.направлений УТС наиб. типичны темп-ры ~(107-108) К, т. е. ср. энергии частиц ~(1 -10) кэВ], преодолениебарьера носит, как правило, характер туннельного, притом глубоко под-барьерного прохождения (см.Туннельный эффект). Вероятность туннельного прохождения может быть описана предельной (для , где -относит. энергия сталкивающихся ядер) формой известной гамовской экспоненты, аименно: , где -относит. скорость ядер, m = т1 т2/( т1+т2)- их приведённая масса (Эта простая зависимость становится неадекватной в тех, ныне нередких для УТСслучаях, когда T. р. происходят не только "тепловым", подбарьерным образом, но и в результатестолкновений ядер плазмы как мишеней с ядрами инжектируемого пучка, энергия к-рых .)

Второй, "ядерный", сомножитель, определяющий осн. масштаб сечения T. р., напротив, специфичен длякаждой конкретной T. р. В частности, для реакций с образованием наиб. сильно связанного ядра 4He онвелик и обычно резонансно зависит от энергии (это относится, напр., к важнейшим для УТС реакциям 7 и 10и к одной из гипотетически перспективных "чистых", т. е. безнейтронных, реакций - реакции 20). Для реакций,обусловленных слабым взаимодействием, он чрезвычайно мал; так, фундаментальная дляэнерговыделения Солнца реакция 1 непосредственно (в лаборатории) вообще не наблюдалась.

Зависимость интенсивности T. р. от плотности плазмы определяется тем, что они происходят в результатепарных столкновений между ядрами. Число реакций в единице объёма в единицу времени равноn1n2<us(u)>, где n1, n2 - концентрации ядер сортов 1 и 2 (если ядра одного сорта, то произведение п1 п2следует заменить на (1/2)n2); угл. скобками обозначено усреднение по распределению относит. скоростей u,в дальнейшем принимаемому макс-велловским (см. Максвелла распределение).

Зависимость интенсивности T. р. от темп-ры определяется "скоростным" множителем <us(u)>. В области "неочень высоких" темп-р T<=(107-108) К и в отсутствие резонанса в сечении реакции имеем и тогда <us(u)>. может быть приближённо выражено в форме,универсальной для всех нерезонансных T. р. Для этого достаточно использовать относительную узостьмаксимума при u =u макс, образуемого в <us(u)> произведением двух экспонент - гамовской имаксвелловской, ехр( - mu2/2kT). В результате имеем

где const - постоянная, характерная для данной T. р. Эта ф-ла справедлива лишь при больших (>>1)значениях показателя экспоненты.

Полученная температурная зависимость скорости T. р., <us(u)>ехр(-const/T1/3), сама по себе достаточносильная, всё же не столь резка, как, напр., типичная температурная зависимость exp( -const/ T )скорости хим.реакций, благодаря чему, собственно, только и могут T. р. эффективно протекать уже при темп-pax kT, вдесятки раз ниже высоты кулоновского барьера . Причина такого рода "облегчённой" (в относит. масштабе/kT )проницаемости кулоновского барьера по сравнению с "химическим" барьером активации состоит втом, что первый имеет сильно скошенную (рис. 1), а второй - почти вертикальную форму.

Существование неширокой области относит. энергий ядер ок. =(1/2) mu2 макс, вносящей осн. вклад вполную скорость <us> T. р., имеет простой физ. смысл: для более частых столкновений ядер с энергией слишком мала проницаемость барьера, и, наоборот, наиб. эффективные по проницаемостистолкновения ядер с слишком редки. "Оптимальная" энергия приходится на "хвостовую"область максвелловского распределения; напр., для T. р. 4 и 5 (табл.) /kT=6,25T-1/3 кэВ>>1.

Расчёт скорости T. р. для немаксвелловского распределения ядер (конкретно, усечённого со стороныбольших ) показывает, что, начиная со ср. энергий порядка неск. кэВ, когда оптим. "номер хвоста" /kT"эквивалентного" (в смысле одинаковости ср. энергий) максвелловского распределения уже перестаёт бытьбольшим, наличие или отсутствие полного максвелловского распределения ядер практически некритичнодля значения <us>.

Скорости <us> нек-рых важнейших для УТС T. р., рассчитанные численно (с учётом также и резонансов) длямаксвелловского распределения, приведены на рис. 3; скорость реакции 5 составляет (51-55)% от скоростиDD полн.

Рис. 3 Скорости некоторых важнейших для УТС термоядерных реакций



3. Формирование и развитие биосферы Земли. Три этапа её развития (восстановительный, слабоокислительный и окислительный). Характеристики этапов

3.1 Формирование и развитие биосферы земли

Жизнь на Земле первоначально появилась в форме примитивной биосферы. Соответственно, присутствие жизни на планете стало коренным образом преображать окружающую среду. Ведь два важнейших компонента биосферы - живое вещество и среда их обитания - непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном, органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Развитие биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трех этапов: восстановительного, слабоокислительного и окислительного.

3.2 Восстановительный этап развития биосферы

Как считают многие ученые, этот этап начался еще в космических условиях и завершился появлением на Земле гетеротрофной биосферы. В данный период появились малые сферические анаэробы и прокариоты. Физиологические процессы этих организмов основывались не на кислородном окислении, а на дрожжевом брожении. Изначально в атмосфере Земли присутствовали лишь следы свободного кислорода. Производство свободного кислорода было начато первыми организмами. Но произведенный кислород пока приводил лишь к окислительным процессам на земной поверхности и в океане. Поскольку первые организмы были гетеротрофами, они нуждались в питании. Пищей для них стали ранее накопленные органические соединения, растворенные в одах первичного океана. Но жизнь нуждалась в дополнительных источниках энергии. Поэтому на ранних стадиях эволюции жизни она активно использовала различного рода радиацию. Длительность существования восстановительной биосферы в геологических масштабах была невелика. Причина этого заключалась в том, что первичные гетеротрофные организмы быстро размножались и довольно быстро исчерпали свою питательную базу.

3.3 Слабоокислительный этап

Второй этап в развитии биосферы нашей планеты связан с появлением фотосинтеза. Новый способ питания был основан на том, что некоторые простые соединения обладают способностью поглощать свет, если в их составе есть атом магния. Уловленная таким способом световая энергия может быть использована для усиления реакций обмена, для образования органических соединений, которые при необходимости могут расщепляться с высвобождением энергии. Данный способ питания способствовал быстрому расселению организмов нового типа у поверхности водоемов. Они оттеснили первичные гетеротрофные организмы, оказавшись более приспособленными к борьбе за существование. Первыми автотрофными организмами были зеленые водоросли. Хотя свободный кислород и был ядом для первичных аэробов, не все они погибли. Некоторые остались жить в болотах, где не было свободного кислорода. Некоторые же первичные организмы смогли приспособиться к кислородной атмосфере. Параллельно с этим шел процесс формирования эукариотов. Прокариоты, простые, выносливые и практически бессмертные организмы уступали место смертным эукариотам, так как нужна была не генетическая гибкость, а генетическая стабильность. Эти процессы составили содержание второго этапа в истории биосферы Земли, занявшего почти половину всей геологической истории планеты. Дело в том, что, хотя свободный кислород и появлялся в значительных количествах, но он шел не в атмосферу, а на окисление железа, сернистых соединений и других металлов.

Только после освобождения океана от железа и других металлов, концентрация кислорода в атмосфере стала резко возрастать.

3.4 Окислительный этап

Начиная с этого времени, развивается фотоавтотрофная биосфера Земли и количество кислорода в атмосфере резко повышается. После выхода жизни из океана на сушу произошло резкое увеличение массы живого вещества. Одновременно жизнь проникала все глубже в океан, осваивая все большие глубины. Наземные растения положили начало образованию угля, нефти, газа, горючих сланцев. Стал меняться биогеохимических круговорот элементов. При этом снижалась роль основных пород, и в земной коре вместо магния, кальция, железа стали большую роль играть кремний, натрий, алюминий, калий. Также благодаря деятельности живых организмов резко возрос круговорот кислорода и углекислого газа. Эти процессы, а также постепенное снижение уровня радиации стимулировали и ускоряли усложнение живого вещества, вели к появлению новых, более высокоорганизованных видов.



Список используемой литературы

1.Концепции современного естествознания. Учебное пособие / А.А. Горелов. - М.: Издательство Юрайт, 2012. - 208 с.

2.Гусейханов М.К. Концепции современного естествознания: учебник и практикум. - 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2015. - 598 с.

3.Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учебное пособие. Бакалавриат. - М.: Academia, 2013. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru