Контрольная работа по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Кроме гравитационного влияния, Луна оказывает на Землю и электромагнитное воздействие, которое количественно уступает солнечному, но, действуя ночью, также оказывает определенное влияние на фоне суточного ритма живого. Это влияние пока наукой изучено меньше, однако накоплено много эмпирических данных о зависимости биологических процессов от фаз Луны.

Галактический год.

Известно, что наша Галактика «Млечный путь», содержащая примерно 100 млрд. звезд, не стоит на месте во Вселенной, а движется относительно других галактик и вращается вокруг собственной оси. Линейная скорость движения Солнечной системы, размещающейся на периферии Галактики, составляет около 250 км/с. Таким образом можно говорить о «галактическом годе», в пересчеты на года это составляет около 200 млн. лет (по разным оценкам от 176 до 230 млн. лет). Этот ритм четко прослеживается в геологических отложениях земной коры: усиление-ослабление горообразований, разливы-отливы воды. С периодом обращения Солнца вокруг центра Галактики определенно связаны кратные периоды в 180, 240, 190 и 65 млн. лет, когда существенно меняются климатические условия на Земле. Период обращения Галактики вокруг центра Вселенной неизвестен, так как подсчитано, что для его оценки необходимо вести научные наблюдения не менее 100 млн. лет[7].

Распространение химических элементов во Вселенной

Распространённость химических элементов

        (a. abundance of chemical elements; н. Verbreitung der Elemente; ф. abondance naturelle des elements; и. abundancia de elementos quimicos) - среднее содержание элементов в природных объектах, термин используется при описании химического состава вещества Bселенной, галактик, других космических объектов (звёзд, Cолнца, газопылевых облаков, космических лучей, метеоритов, планет), оболочек (земная кора, мантия) и ядер планет, крупных зон и регионов земной коры.[8].

Главные особенности распространения химических элементов в космосе определяется ядерными свойствами их атомов, из которых ведущее значение имеют заряд ядра, число нейтронов, связанная с ними четность и наличие заполненных ядер оболочек. Расширение Вселенной проявляется на уровне галактик. Центра, от которого галактики "разбегаются", не существует.

При спектроскопическом исследовании астрономических объектов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же химические элементы. Однако относительная распространенность элементов, присущих Земле, не характерна для других частей Вселенной: так, около 80% всех атомов во Вселенной — атомы водорода; остальные — главным образом атомы гелия. Более тяжелые атомы, которые обычны для нашей планеты (железо, магний, кремний, кислород и др.), составляют во Вселенной лишь ничтожно малую часть. Земля сформировалась в особенных условиях, не характерных для среднестатистического распространения элементов во Вселенной. Вначале во Вселенной не было сложных атомов, но впоследствии образовался какой-то способ синтеза сложных элементов из легких и простых. Когда и как образовалась такая «фабрика» химических элементов, как она связана с возникновением Солнечной системы — одна из центральных проблем современного естествознания, лежащая на стыке астрономии, химии и физики.

Идею Большого Взрыва выдвинул ученик Фридмана Гамов. Он рассматривал распространение химических элементов во Вселенной и предположил, что элементы тяжелее гелия родились не в звездах, а в момент возникновения Вселенной. По законам термодинамики при высоких плотностях и температурах разогретое вещество и излучение находятся в равновесии. Излучение продолжает движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной и сохраняется до нашего времени. При этом его температура понизилась[9].

По современным представлениям, первым химическим элементом, образовавшийся после Большого Взрыва был водород. Это произошло тогда, когда первичная плазма остыла настолько, что протоны стали присоединять к себе электроны, формируя нейтральные атомы. Тяжелые химические элементы образовались в недрах звезд, где большая плотность и высокая температура привели к протеканию термоядерных реакций. При взрывах сверхновые тяжелые химические элементы выбрасывались в межзвездное пространство. Именно эти тяжелые элементы стали строительным материалом при сотворении планет, в частности Земли. 
Водород – основной элемент в межзвездном пространстве и в недрах звезд, в которых он превращается в гелий и в другие химические элементы в результате реакций ядерного синтеза. Распространенность тяжелых химических элементов быстро уменьшается с ростом их атомного номера. 

Большую роль в динамике звездных процессов играет межзвездная среда, тесно связанная со звездами: в межзвездной среде они рождаются, а «умирая», отдают ей свое вещество. Таким образом, между звездами и межзвездной средой происходит кругооборот вещества: межзвездная среда —> звезды —> межзвездная среда. В ходе такого кругооборота межзвездная среда обогащается, создаваемыми в недрах звезд, химическими элементами. Около 85% всех химических элементов, тяжелее гелия, возникли на заре нашей Галактики, примерно 15 млрд. лет назад. В то время происходил интенсивный процесс звездообразования, а время жизни, эволюции массивных звезд было относительно коротким. Лишь 10—13% химических элементов (тяжелого гелия) имеют возраст менее 5 млрд. лет. Основная составляющая межзвездной среды — межзвездный газ, который, как и вещество звезд, состоит главным образом из атомов водорода (около 90% всех атомов) и гелия (около 8%); 2% представлены остальными химическими элементами (преимущественно кислород, углерод, азот, сера, железо). Общая масса молекулярного газа в нашей Галактике равна примерно 4 млрд. масс Солнца, что составляет примерно 2% всей массы вещества Галактики. Из этого вещества ежегодно образуется примерно 10 новых звезд!

Межзвездный газ существует как в атомарном, так и в молекулярном состоянии (наиболее плотные и холодные части молекулярного газа). При этом он обычно перемешан с межзвездной пылью (которая представляет собой твердые мельчайшие тугоплавкие частицы, содержащие водород, кислород, азот, силикаты, железо), образуя газопылевые образования, облака. Революционное значение для космохимии имело открытие в газопылевых облаках различных органических соединений — углеводородов, спиртов, эфиров, даже аминокислот и других соединений, в которых молекулы содержат до 18 атомов углерода. К настоящему времени в межзвездном газе открыто свыше 40 органических молекул. Чаще всего они встречаются в местах наибольшей концентрации газопылевого вещества. Естественно возникает предположение, что органические молекулы из межзвездных газопылевых облаков могли способствовать возникновению простейших форм жизни на Земле.

Типы радиоактивного распада. Человек и радиоактивность.

Радиоактивный анализ открыл в конце XIX столетия (в 1895 г.) немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген невидимые лучи способные беспрепятственно проходить через твёрдые тела и вызывать почернение фотоплёнки. Рентген назвал их X-лучами (теперь они называются рентгеновскими). Самопроизвольное испускание атомами излучения получило название радиоактивности. Его открыл французский физик Антуан Анри Беккерель. Новым явлением заинтересовались работавшие во Франции Пьер Кюри (1859-1906) и его супруга Мария Склодовская-Кюри (1867-1934), которая и ввела термин  “радиоактивность”. Исследователи установили, что сильной радиоактивностью обладают присутствующие в урановой руде в очень малых концентрациях два новых химических элемента – полоний Ро (он открыт ими в июле 1898г.) и радий Ra (открыт в декабре того же года).

Радиоактивный анализ – это физический метод анализа, который возник и развился после открытия атомной энергии и создания атомных реакторов. Он основан на измерении радиоактивного излучения элементов. Анализ по радиоактивности был известен и ранее. Так, измеряя естественную радиоактивность урановых руд, определяли содержание в них урана.
Радиоактивное излучение возникает при самопроизвольном распаде атомного ядра. Известно несколько типов радиоактивного распада и радиоактивного излучения.

1) α-Распад. Распад ядра с выделением α -частиц, которые являются ядрами He2+ (например,  226 88Ra → 222 86Rn + 4 2He). В соответствии с законом радиоактивного смещения, при α -распаде получается атом, порядковый номер которого на две единицы, а атомная масса на четыре единицы меньше, чем у исходного атома.

2) β-Распад. Различают несколько видов β - распада:

Электронном β - распаде(например, 90 88 Sn → 90 89Y + β). Нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной β - частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется. При позитронном β -распаде из атомного ядра выделяется позитрон (β-частица), а потом внутри ядра превращается в нейтрон (например: 22 11Na → 22 10Ne + β). Продолжительность жизни позитрона невелика, так как при столкновении его с электроном происходит аннигиляция, сопровождающаяся испусканием γ - квантов.

3) При К-захвате ядро атома захватывает электрон из близлежащей электронной оболочки (из К-оболочки) и один из протонов ядра превращается в нейтрон (например, 64 31Cu→64 30Ni+n). На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жёсткого рентгеновского излучения. Оно характерно для элементов периодической системы Д. И. Менделеева с Z>90. При спонтанном делении тяжёлые атомы делятся на осколки, которыми обычно являются элементы таблицы Менделеева[10]. Спонтанное деление и α - распад ограничивают получение новых трансурановых элементов.     

Поток α и β -частиц называют соответственно α и β-излучением. Кроме того, известно γ - излучение. Это электромагнитные колебания с очень  короткой длиной волны. В принципе, γ -излучение близко к жёсткому рентгеновскому и отличается от него своим внутриядерным происхождением. Рентгеновское излучение при переходах в электронной оболочке атома, а γ -излучение испускает возбуждённые атомы, получившиеся в результате радиоактивного распада (α и β). 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 β -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 не изменным, 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.

Когда мы слышим слово «радиация», то сразу представляем себе атомные электростанции, оружие массового поражение или радиоактивные отходы. Однако, это однобокое видение. Радиация, как правило, незаметна, и встречается она везде. Вопрос, только в каких количествах? В целом, все источники радиации на планете можно разделить на естественные (космическое излучение, газы, радиоизотопы) и искусственные (причиной появления которых стал человек).[11]

Естественная радиоактивность

Естественная радиация была всегда: до появления человека, и даже нашей планеты. Радиоактивно всё, что нас окружает: почва, вода, растения и животные. В зависимости от региона планеты уровень естественной радиоактивности может колебаться от 5 до 20 микрорентген в час. По сложившемуся мнению, такой уровень радиации не опасен для человека и животных, хотя эта точка зрения неоднозначна, так как многие ученые утверждают, что радиация даже в малых дозах приводит к раку и мутациям. Правда, в связи с тем, что повлиять на естественный уровень радиации мы практически не можем, нужно стараться максимально оградить себя от факторов, приводящих к значительному превышению допустимых значений.

Существует три основных источника естественной радиоактивности:

1. Космическое излучение и солнечная радиация — это источники колоссальной мощности, которые в мгновение ока могут уничтожить и Землю, и всё живое на ней. От этого вида радиации у нас есть надёжный защитник — атмосфера, но интенсивная человеческая деятельность приводит к появлению озоновых дыр и истончению естественной оболочки, поэтому в любом случае следует избегать воздействия прямых солнечных лучей. Интенсивность влияния космического излучения зависит от высоты над уровнем моря и широты. Чем выше Вы над Землей, тем интенсивнее космическое излучение, а на экваторе уровень излучения гораздо сильнее, чем на полюсах.

2. Излучение земной коры. Помимо космического излучения радиоактивна и сама наша планета. В её поверхности содержится много минералов, хранящих следы радиоактивного прошлого Земли: гранит, глинозём и т.п. Сами по себе они представляют опасность лишь вблизи месторождений, однако человеческая деятельность ведёт к тому, что радиоактивные частицы попадают в наши дома в виде стройматериалов, в атмосферу после сжигания угля, на участок в виде фосфорных удобрений, а затем и к нам на стол в виде продуктов питания. Известно, что в кирпичном или панельном доме уровень радиации может быть в несколько раз выше, чем естественный фон данной местности.

3. Радон — это радиоактивный инертный газ без цвета, вкуса и запаха. Он в 7,5 раз тяжелее воздуха, и, как правило, именно он становится причиной радиоактивности строительных материалов. Радон имеет свойство скапливаться под землей в больших количествах, на поверхность же он выходит при добыче полезных ископаемых или через трещины в земной коре. Радон активно поступает в наши дома с бытовым газом, водопроводной водой (особенно, если её добывают из очень глубоких скважин), или же просто просачивается через микротрещины почвы, накапливаясь в подвалах и на нижних этажах. Снизить содержание радона, в отличие от других источников радиации, очень просто: достаточно регулярно проветривать помещение и концентрация опасного газа уменьшится в несколько раз.

Искусственная радиоактивность

В отличие от естественных источников радиации, искусственная радиоактивность возникла и распространяется исключительно силами людей. К основным техногенным радиоактивным источникам относят ядерное оружие, промышленные отходы, АЭС, медицинское оборудование, предметы старины, вывезенные из «запретных» зон после аварии Чернобыльской АЭС, некоторые драгоценные камни.

Радиация может попадать в наш организм как угодно, часто виной этому становятся предметы, не вызывающие у нас никаких подозрений. Единственный способ обезопасить себя — купить дозиметр радиации[12].