Закон тяготения Ньютона в Солнечной системе. Теория Эйнштейна. Строение атома

Термоядерная реакция используется в термоядерном оружии и находится на стадии исследований для возможного применения в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.

Фотоядерная реакция. При поглощении гамма- кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям и, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях - ядерным фотоэффектом.

Деление тяжелых ядер с образованием более легких происходит в литосфере планеты Земля, так же фотоядерные реакции происходят в верхних слоях атмосферы нашей планеты. Термоядерные реакции и реакции нуклеосинтеза происходят в ядрах звезд под действием огромных температур и давлении.

Несмотря на распространённый оптимизм (с начала первых исследований 1950-х годов), существенные препятствия между сегодняшним пониманием процессов ядерного синтеза, технологическими возможностями и практическим использованием ядерного синтеза до сих пор не преодолены. Неясным является даже насколько может быть экономически выгодно производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза. Хотя прогресс в исследованиях является постоянным, исследователи то и дело сталкиваются с новыми проблемами. Например, проблемой является разработка материала, способного выдержать нейтронную бомбардировку, которая, как оценивается, должна быть в 100 раз интенсивнее чем в традиционных ядерных реакторах. Тяжесть проблемы усугубляется тем что сечение взаимодействия нейтронов с ядрами, с ростом энергии перестаёт зависит от числа протонов и нейтронов и стремится к сечению атомного ядра - и для нейтронов энергии 14 МэВ просто не существует изотопа с достаточно малым сечением взаимодействия. Это обуславливает необходимость очень частой замены конструкций D-T и D-D реактора и ухудшает его рентабельность настолько, что стоимость конструкций реакторов из современных материалов для этих двух типов будет больше стоимости произведённой на них энергии. Решения возможны трёх типов[источник не указан 42 дня]:

Отказ от чистого ядерного синтеза и употребление его в качестве источника нейтронов для деления урана или тория.

Отказ от D-T и D-D синтеза в пользу других реакций синтеза (например D-He).

Резкое удешевление конструкционных материалов или разработка процессов их восстановления после облучения. Требует гигантских вложений в материаловедение, перспективы неопределённые.

Побочные реакции D-D (3 %) при синтезе D-He осложняют изготовление рентабельных конструкций для реактора, но не запрещают на современном технологическом уровне.

Задача

Светимость солнца равна 3,8*1026 Вт, из уравнения Энштейна E=mc2

выразим массу: m=E/ c2

где С-скорость света в вакууме, Е- энергия.

Подставив соответствующее значения получим:

m=3.9*1026/300*106 =4,33*109 кг/с

такова потеря массы в секунду. Есть мнение, что Солнце проживет 9 млрд лет, что значит

9*109*365*24*3600=2,81*1017 сек., отсюда потери массы за всю жизнь Солнца будет равен

2,81*1017*4,33*109=1,22*1027 кг, что соответствует 1,22*1027/1,9891*1030=6,1*10-4

Ответ: потеря составит 6,1*10-4 от доли Солнца

Задание 10. Охарактеризуйте биотический круговорот и оцените биосферную роль хозяйственной деятельности человека. Чистая первичная продуктивность тропических лесов составляет 2016 г сухой массы на 1 м2. На сколько тонн в год уменьшается фотосинтетическая фиксация углерода и выделение кислорода в литрах, если их площадь уменьшается на 100 тысяч км2 в год?

термодинамика атом равновесие

Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. По определению Н.П. Ремезова, Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич, биотический (биологический) круговорот - это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.

Первичный биотический круговорот по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994) состоял из примитивных одноклеточных продуцентов и редуцентов- деструкторов. Микроорганизмы способны быстро размножаться и приспосабливаться к разным условиям, например, использовать в своем питании всевозможные субстраты - источники углерода. Высшие организмы такими способностями не обладают. В целостных экосистемах они могут существовать в виде надстройки на фундаменте микроорганизмов.

Вначале развиваются многоклеточные растения - высшие продуценты. Вместе с одноклеточными они создают в процессе фотосинтеза органическое вещество, используя энергию солнечного излучения. В дальнейшем подключаются первичные консументы - растительноядные животные, а затем и плотоядные консументы. Нами был рассмотрен биотический круговорот суши. Это в полной мере относится и к биотическому круговороту водных экосистем, например океана.

Все организмы занимают определенное место в биотическом круговороте и выполняют свои функции по трансформации достающихся им ветвей потока энергии и по передаче биомассы. Всех объединяет, обезличивает их вещества и замыкает общий круг система одноклеточных редуцентов (деструкторов). В абиотическую среду биосферы они возвращают все элементы, необходимые для новых и новых оборотов.

Следует подчеркнуть наиболее важные особенности биотического круговорота.

Фотосинтез относится к мощному естественному процессу, вовлекающему ежегодно в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющему ее высокий кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере и фактором, определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, которая протекает, как известно, за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений:

nCO2 + nH2О + энергия > СnH2nOn + nO2

За счет углекислоты и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза являются различные органические соединения, а в целом процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер.

Глюкоза является простейшим продуктом фотосинтеза, образование которой совершается следующим путем:

6СО2 + 6Н2O > С6Н12O6 + 6O2.

Помимо фотосинтеза с участием кислорода (так называемый кислородный фотосинтез) следует остановиться и на бескислородном фотосинтезе, или хемосинтезе.

К хемосинтезирующим организмам относятся нитрификато-ры, карбоксидобактерии, серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления, которыми могут быть NH3, NO2, CO, H2S, S, Fe2+, H2. Некоторые виды - облигатные хемолитоавтотрофы, другие - факультативные. К последним относятся карбоксидобактерии и водородные бактерии. Хемосинтез характерен для глубоководных гидротермальных источников. Фотосинтез происходит за немногим исключением на всей поверхности Земли, создает огромный геохимический эффект и может быть выражен как количество всей массы углерода, вовлекаемой ежегодно в построение органического - живого вещества всей биосферы. В общий круговорот материи, связанной с построением путем фотосинтеза органического вещества, вовлекаются и такие химические элементы, как N, P, S, а также металлы - К, Са, Mg, Na, Al.

При гибели организма происходит обратный процесс - разложение органического вещества путем окисления, гниения и т.д. с образованием конечных продуктов разложения. Следовательно, общую реакцию фотосинтеза можно выразить в глобальном масштабе следующим образом:

mCO2 + nH2O <=> CmНn(H2O) + mO2

В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Биомасса экосферы (2*1012 т) на семь порядков меньше массы земной коры (2*1019 т). Растения Земли ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 1,6*1011 т, или 8% биомассы экосферы. Деструкторы, составляющие менее 1% суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную биомассу. В среднем период обновления биомассы равен 12,5 годам. Допустим, что масса живого вещества и продуктивность биосферы были такими же от кембрия до современности (530 млн лет), то суммарное количество органического вещества, которое прошло через глобальный биотический круговорот и было использовано жизнью на планете, составит 2*1012-5,3*108/12,5 =8,5*1019 т, что в 4 раза больше массы земной коры. По поводу данных расчетов Н.С. Печуркин (1988) писал: «Мы можем утверждать, что атомы, составляющие наши тела, побывали в древних бактериях, и в динозаврах, и в мамонтах».

Закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского гласит: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».

В.И. Вернадский в 1928-1930 гг. в своих глубоких обобщениях относительно процессов в биосфере дал представление о пяти основных биогеохимических функциях живого вещества.

Первая функция - газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах. Наиболее распространенный - это болотный газ - метан (СН4).

Вторая функция - концентрационная. Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. Среди них на первом месте стоит углерод. Содержание углерода в углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть - концентратор углерода и водорода, так как имеет биогенное происхождение. Среди металлов по концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода - водоросли ламинарии, железа и марганца - особые бактерии. Позвоночными животными накапливается фосфор, сосредотачиваясь в их костях.

Третья функция - окислительно-восстановительная. В истории многих химических элементов с переменной валентностью она играет важную роль. Организмы, обитающие в разных водоемах, в процессе своей жизнедеятельности и после гибели регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения или же осаждения ряда металлов с переменной валентностью (V, Mn, Fe).

Четвертая функция - биохимическая. Она связана с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию» живого вещества в разные географические области.

Пятая функция - это биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории земного шара и заслуживает внимательного отношения и изучения. Таким образом, все живое население нашей планеты - живое вещество - находится в постоянном круговороте биофильных химических элементов. Биологический круговорот веществ в биосфере связан с большим геологическим круговоротом. Поскольку речь идет о колоссальном числе индивидуальных участников этих процессов, которые не сопряжены жесткими функциональными связями, то пригнанность компонентов биотического круговорота - явление совершенно исключительное. Круговорот полностью замкнут (Т.А. Акимова, В.В. Хаскин, 1994), когда существует точное равенство сумм прямых и обратных расходов:

Несомненно, высокий уровень системной организации и регуляции мог быть выработан и отшлифован миллиардолетней эволюцией.

Биологический круговорот различается в разных природных зонах и классифицируется по комплексу показателей: биомассе растени, опаду, подстилке, количеству закрепленных в биомаcсе элементов и т. д.

Общая биомасса наиболее высока в лесной зоне, а доля подземных органов в лесах наименьшая. Это подтверждает индекс интенсивности биологического круговорота - величина отношения массы подстилки к той части опада, которая ее формирует.

Задача

Для решения задачи составляем пропорцию.

Потеря сухой массы составит 2,016·1014 г/год.

Из уравнения фотосинтеза: 6СО2 + 6Н2О > С6Н12О6 + 6O2 получаем, что кислорода выделяется в шесть раз больше, чем глюкозы (она является сухой массой).

Молярная масса глюкозы - 180 г/моль.

Молярная масса кислорода - 32 г/моль.

Молярная масса углерода - 12 г/моль.

Из пропорции получаем, что фотосинтетическая фиксация углерода уменьшается на 1,34·1014 г/год = 1,34·107 т/год.

Ответ: фотосинтетическая фиксация углерода уменьшается на 1,34·107 т/год.

Тест

Вариант 6

1. Выберите положение, отвечающее гуманитарному знанию:

А. предмет изучения должен быть всегда субъективен

Б. в основе методологии - экспериментальные методы исследования типичных ситуаций

В. научное знание должно стремиться к объективности

Г. для научного знания важно суметь объяснить причины изучения данных явлений

2. Согласно принципу соответствия с появлением релятивистской механики классическая механика не утратила своего значения и достоверно описывает движение …

А. элементарных частиц

Б. тел с любыми скоростями

В. космических объектов

Г. тел с малыми скоростями (v << c)

3. Развитием континуальной исследовательской программы античности является…

А. опубликование Коперником своей космологической модели;

Б. формулировка принципа близкодействия;

В. учение Ньютона о световых корпускулах и Эйнштейна - о фотонах;

Г. формулировка принципа дальнодействия;

4. Эмпирическими подтверждениями общей теории относительности явились ….

А. обнаружение красного смещения в спектрах далеких галактик

Б. отклонение кометы Галлея от расчетной траектории

В. отклонение траектории луча света от звезды вблизи от поверхности Солнца

Г. открытие микроволнового реликтового излучения

5. Вторая космическая скорость - это скорость искусственного спутника планеты

А. для выхода на круговую орбиту вокруг центрального тела

Б. преодоления притяжения центрального тела

В. при становлении его в качестве стационарного (висящего над одной точкой планеты)

Г. для преодоления притяжения Солнца

6. Инвариантность свойств объекта по отношению к каким-либо преобразованиям над ним - это …

А. симметрия

Б. эквивалентность

В. нейтрализм

Г. асимметрия

7. Непрерывность и дискретность являются свойствами 3-х элементов природы:

А. вещества, физического вакуума, пространства

Б. физического вакуума, времени, пространства

В. физического поля, времени, пространства

Г. вещества, физического поля, физического вакуума

8. Ядерные реакции идут с выделением энергии, если

А.сумма масс ядер и частиц до реакции меньше суммы их масс после реакции

Б. сумма масс ядер и частиц до реакции больше суммы их масс после реакции

В.при бомбардировке альфа-частицами

Г. сумма масс ядер и частиц до реакции меньше суммы их масс после реакции и производится

бомбардировка альфа-частицами

9. В науке под хаотическим поведением системы понимают непредсказуемое поведение ввиду:

А. постоянного и сильного воздействия неконтролируемых факторов

Б. слишком высокой чувствительности к начальным условиям

В. недостаточной мощности современных компьютеров

Г. ограниченной области применимости классической механики

10. В последние годы XX века и начале XXI века в космологии обнаружено, что:

А. Вселенная расширяется с замедлением

Б. обычное вещество составляет большую долю всей материи Вселенной

В. Вселенная расширяется с ускорением

Г. существуют другие Вселенные с принципиально иными свойствами.

Литература

1. Бабушкин А.Н. Концепции современного естествознания. - СПБ., 2002.

2. Воронцов-Вельяминов Б.А. Астрономия. - М., 2006.

3. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М., 2007.

4. Кабардин О. Физика. - М., 2006.

5. Мотылева А.С. и др. Концепции современного естествознания. - СПБ., 2007.

6. Общая биология (ред. А. Рувинского). - М., 2006.

7. Стрельник О.Н. Концепции современного естествознания. - М., 2003.

8. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учебное пособие для студ. вузов / Дубнищева Т.Я. - 10-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 608 с.

9. Белкин П.Н. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов. - М.: Высш. Шк., 2004. - 335 с.

10. В.П. Титаренко АСТРОНОМИЯ Учебное пособие Томск 2006.

Размещено на Allbest.ru