В 300 г. до н. э. географ Эратосфен достаточно точно определил размеры земного шара. Он заметил, что в день летнего солнцестояния в городе Сиене Солнце находится в зените и освещает дно самого глубокого колодца. Затем он измерил угол падения солнечных лучей в тот же день в Александрии. Зная расстояние между городами, Эратосфен вычислил длину окружности земного шара.

Тем не менее, представления о шарообразности Земли во многом вытекали из чисто умозрительных рассуждений об идеальных телах. В античности такими телами считались шар, сфера, круг. Поэтому утвердилось убеждение, что в гармоничном, соразмерном Космосе Земля должна иметь форму самой совершенной фигуры - шара. Ничем другим она просто не могла быть.

Лишь с началом эпохи Великих географических открытий шарообразность Земли была подтверждена. В 1522 г. португальский мореплаватель Фернан Магеллан завершил первое кругосветное путешествие, в ходе которого он обогнул всю Землю и доказал наличие единого Мирового океана.

К концу XVII в. сложились две точки зрения по этому вопросу. С одной стороны, И. Ньютон считал, что Земля имеет форму сфероида, несколько сплющенного у полюсов вследствие ее вращения и действия сил притяжения составляющих ее масс (напоминает тыкву). С другой стороны, Р. Декарт, основываясь на теории вихрей, утверждал, что Земля сплющена у экватора и удлинена по направлению к полюсам (похожа на дыню).

Чтобы решить этот вопрос, надо было измерить кусочки дуг меридиана на разных широтах и посмотреть, как соотносятся расстояния, приходящиеся на один градус. В 1735 г. Парижская академия наук отправила с этой целью две экспедиции - одну в Перу, на экватор, другую - в Лапландию, к полюсу. Восемь лет потребовалось ученым, чтобы измерить с помощью сосновых жердей с выверенной длиной в десять метров дугу длиной в три градуса восемь минут. Выяснилось, что чем ближе к полюсу, тем длиннее становился градус.

С тех пор форма Земли уточнялась еще несколько раз. С большой точностью ее удалось определить лишь в XX в. с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли. Сегодня точно известно, что Земля - не вполне правильный шар. Она немного сжата у полюсов и несколько вытянута к Северному полюсу. Такая фигура называется геоид. Термин для обозначения фигуры Земли был введен в 1873 г. немецким физиком И. Листингом. Сжатие у полюсов объясняется вращением Земли вокруг своей оси. Вытянутость Земли к Северному полюсу до сих пор окончательного объяснения не получила.

Окружность Земли по экватору равна 40 075,7 км, окружность по меридиану - 40 008,5 км.

Масса Земли была вычислена на основе закона всемирного тяготения в опытах Г. Кавендиша с крутильными весами, на которых он измерял, с какой силой большой свинцовый шар притягивает к себе маленькие свинцовые шарики, а затем сравнивал эту силу с силой притяжения маленьких шариков Землей, т.е. с их весом. Этот опыт был проведен в 1798 г. Масса Земли оказалась равной 5976 * 10²¹ кг.

Из приблизительно 510 млн. км² поверхности Земли на долю суши приходится 149 млн. км², или около 29 %, так что правильнее было бы назвать нашу планету не Землей, а Океаном.

Образование и возраст Земли

Замечательный русский ученый К.Э. Циолковский назвал Землю колыбелью человечества. Наша планета - это наш родной дом, в котором мы живем, и еще долго будем жить. Поэтому планета Земля вызывает особое отношение у человека. В определенном смысле она выделена самой природой. Из всех планет Солнечной системы только на Земле существуют развитые формы жизни, приведшие к появлению разума. Поэтому нам важно понять, чем Земля отличается от других планет Солнечной системы, каково ее происхождение и строение.

Образование Земли. Согласно современным космологическим представлениям Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества, содержащего все известные в природе элементы.

Возраст Земли. Лишь в XX в. удалось установить точный возраст нашей планеты. В этом помогли новые методы, связанные с изучением радиоактивных веществ и их распада. В настоящее время имеется достоверная информация о горных породах с возрастом до 3,5 млрд. лет. Однако известные наиболее древние отложения в Австралии соответствуют возрасту 4,2-4,3 млрд. лет.

Тем не менее, древнейшие породы по составу и структуре не отличаются от аналогичных пород более молодых геологических эпох. Поэтому у нас нет доказательств того, что обнаруженные древнейшие породы возникли одновременно с образованием Земли как планеты. Первичная земная кора, которая в известной степени соответствовала бы дате завершения образования Земли, уничтожена под действием внешних (ветра, воды, живых организмов) и внутренних (магматической деятельности, переплавления, метаморфизма) геологических агентов. Следовательно, на основании данных о возрасте древнейших минералов и горных пород можно сделать вывод, что возраст Земли превышает 4 млрд. лет, и до этой даты наша планета прошла определенный, хотя и неизвестный путь развития.

На возраст Земли также указывают данные исследования метеоритов - твердых тел Солнечной системы. Они относятся к наиболее изученным космическим объектам и несут ценную информацию. Исследования показывают, что возраст как железных, так и каменных метеоритов совпадает и составляет примерно 4,5-4,6 млрд. лет.

Схожие данные получены и при исследовании лунных пород. Образцы этих пород были доставлены на Землю, как с помощью космических станций «Луна», так и экипажами американских космических кораблей «Аполлон». Оказалось, что возраст самых древних лунных образцов совпадает с возрастом самой Луны и составляет 4-4,5 млрд. лет. Значит, первичная лунная кора возникла вскоре после образования Луны, и отдельные участки этой коры сохранились до сегодняшнего дня.

Такое совпадение данных для разных тел Солнечной системы не может считаться случайным, поэтому делается вывод о возрасте нашей планеты, равном примерно 4,5 млрд. лет. К этому времени завершилось формирование нашей планеты.

Сегодня считается, что геологическая история нашей планеты составляет около 4 млрд. лет, а 0,6 млрд. лет - это ранняя история Земли.

Ранняя история Земли, как и других планет, включает ранние фазы эволюции - фазу аккреции (рождения), фазу расплавления внешней сферы земного шара и фазу первичной коры (лунную фазу).

Фаза аккреции представляла собой непрерывное выпадение на растущую Землю все большего количества тел, укрупняющихся в своем полете при соударениях между собой, а также в результате притяжения к ним более удаленных мелких частиц. При этом на Землю падали и самые крупные объекты, достигавшие в поперечнике многих километров. В фазу аккреции, которая длилась около 17 млн. лет (правда, некоторые исследователи увеличивают этот срок до 400 млн. лет), Земля приобрела примерно 95 % современной массы.

Однако Земля оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества поверхности планеты.

Фаза расплавления внешней сферы Земли наступила в промежутке 4-4,6 млрд. лет назад. В это время произошла общепланетарная химическая дифференциация вещества Земли, которая привела к формированию центрального ядра и обволакивающей его мантии. Позже образовалась и земная кора.

В фазе расплавления внешней сферы поверхность Земли представляла собой океан тяжелого расплава с вырывающимися из него газами. В него продолжали стремительно падать мелкие и крупные космические тела, вызывая всплески тяжелой жидкости. Над раскаленным океаном нависало сплошь затянутое густыми тучами небо, с которого не могло упасть ни капли воды.

Лунная фаза - это время остывания расплавленного вещества поверхности Земли из-за излучения тепла в космос и ослабления метеоритной бомбардировки. Так образовалась первичная кора базальтового состава. Одновременно шло образование гранитного слоя материковой коры. Правда, механизм этого процесса до сих пор не ясен.

В течение лунной фазы поверхность Земли постепенно остывала (от температуры плавления базальтов, составляющей 800 - 1000°, до 100° С). Когда температура опустилась ниже 100°С, из атмосферы выпала вся вода, покрывшая Землю: сформировались поверхностные и грунтовые стоки, появились водоемы, в том числе и океан.

Геосферы Земли

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества. Результатом этой дифференциации явилось разделение Земли на геосферы - концентрически расположенные слои, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее легких компонентов вещества, выделившихся из мантии, возникла расположенная над мантией земная кора - так называемая «твердая» Земля, заключающая в себе почти всю массу планеты. Далее возникли водная и воздушная оболочки нашей планеты. Кроме того, Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическими полями.

Таким образом, можно выделить ряд геосфер, из которых состоит Земля:

* ядро;

* мантия;

* литосфера;

* гидросфера;

* атмосфера;

* магнитосфера.

Геосферы различаются главным образом плотностью составляющих их веществ. Самые плотные вещества сосредоточены в центральных частях планеты. Ядро составляет 1/3 массы Земли, кора и мантия - 2/3.

Названные нами земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в друга. Гидросфера всегда присутствует в литосфере и атмосфере, атмосфера - в литосфере и гидросфере и т.д. С атмосферой, гидросферой и литосферой взаимодействуют внутренние оболочки Земли. Кроме того, во всех оболочках, кроме мантии и ядра, присутствует биосфера.

Ядро Земли. Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км и состоит из двух частей - большого внешнего и малого внутреннего ядер. Температура ядра может достигать 4000°С.

Природа внутреннего ядра Земли с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км. Возможно, он состоит из никелистого железа без примесей серы и находится в твердом состоянии из-за огромного давления.

Судя по геофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость, состоящую из расплавленного железа с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слое меньше. Внешнее ядро представляет собой шаровой слой толщиной 2200 км. Жидкое ядро позволяет объяснить наличие магнитного поля Земли и его вариаций, когда в геологическом прошлом нашей планеты неоднократно происходила инверсия магнитных полюсов. Предполагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамомашины. Роль подвижного элемента динамо играет жидкое ядро, перемещающееся при вращении Земли вокруг своей оси.

Мантия. Мантия - наиболее мощная оболочка Земли, занимающая 2/3 ее массы и большую часть объема. Она также существует в виде двух шаровых слоев - нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии - 2000 км, верхней - 900 км. Все слои мантии расположены между радиусами 3450 и 6350 км.

Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. Материал верхней мантии собран со дна разных участков океана. Предполагают, что мантия Земли в основном сложена из силикатов и железа, прежде всего из минерала оливина.

Благодаря высокому давлению вещество мантии, скорее всего, находится в кристаллическом состоянии. Температура мантии составляет около 2500° С. Именно высокие давления обусловили такое агрегатное состояние вещества, в ином случае указанные температуры привели бы к его расплавлению.

В расплавленном состоянии находится астеносфера - нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем. В целом же верхняя мантия обладает интересной особенностью - по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам - как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера. В целом литосфера, астеносфера и остальные мантии могут рассматриваться в качестве трехслойной системы, каждая из частей которой подвижна относительно других компонентов.

Литосфера. Литосфера - это земная кора с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. Земная кора обладает высокой степенью жесткости, но и большой хрупкостью. В верхней части она слагается гранитами, в нижней - базальтами.

Резкая асимметрия строения поверхности нашей планеты была замечена давно. Поэтому планетарный рельеф делится на две основные области - океаническую и континентальную. Дно океанов и континенты отличаются друг от друга строением земной коры, химическим и петрографическим составом, а также историей геологического развития. Кора имеет повышенную мощность в области континентов и пониженную в областях океанического дна.

Средняя мощность континентальной коры - 35 км. Ее верхний слой богат гранитными породами, нижний - базальтовыми магмами. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора состоит только из базальтового слоя. Ее мощность - 5-10 км. Кроме того, континентальная кора содержит больше радиоактивных элементов, генерирующих тепло, чем тонкая океаническая кора.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом в виде оксидов металлов.

Основоположник почвоведения русский ученый В.В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки. Таким образом, почва - это сложнейшая система, стремящаяся к равновесному взаимодействию с окружающей средой.

Гидросфера. Гидросфера (от греч. Hydor - вода + Sphaira) - шаровидная оболочка Земли, включающая все воды, находящиеся в жидком, твердом и газообразном состояниях. Гидросфера включает воды океанов, морей, подземные воды и поверхностные воды суши. Некоторое количество воды содержится в атмосфере и в живых организмах.

Атмосфера. Атмосфера - это воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. Она состоит из воздуха - смеси газов, состоящей из 78 % азота, 21 % кислорода, а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около 1 % объема. Кроме того, воздух содержит большое количество пыли и различных примесей, порождаемых геохимическими и биологическими процессами на поверхности Земли.

Тропосфера - это нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина - 10-18 км. С высотой падает давление и температура, опускаясь до -55°С. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака и формируются все виды осадков.

Ионосфера - эта часть атмосферы начинается с высоты 50 км и состоит из ионов - электрически заряженных частиц воздуха. Ионизация воздуха происходит под действием Солнца. Ионосфера обладает повышенной электропроводностью и в силу этого отражает короткие радиоволны, позволяя осуществлять дальнюю связь.

Климат - это состояние погоды какого-то региона за длительный промежуток времени.

Он формируется в зависимости от географической широты, высоты над уровнем моря, воздушных потоков. Меньше влияют рельеф и тип почвы. Выделяют ряд климатических зон мира, обладающих комплексом сходных характеристик, относящихся к сезонным температурам, количеству осадков и силе ветра.

Магнитосфера. Магнитосфера - самая внешняя и протяженная оболочка Земли. Она представляет собой область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. С дневной стороны она простирается на 8-24 земных радиусов, с ночной - доходит до нескольких сотен радиусов и образует магнитный хвост Земли. В магнитосфере находятся радиационные пояса.

Все геосферы Земли тесно взаимодействуют друг с другом путем непрерывного обмена веществом и энергией и в совокупности представляют географическую оболочку планеты. Ее целостность обеспечивается за счет лучистой энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

Помимо вертикального строения географический оболочки Земли, рассмотренного выше, выделяют ее горизонтальную структуру - физико-географические (природные) пояса планеты. Они отличаются друг от друга режимом тепла и влаги, особенностями циркуляции воздушных масс и морских течений, а также составом флоры и фауны.

Химическая эволюция Земли

В процессе эволюции Земли складывались определенные пропорции различных элементов. В веществе планет, комет, метеоритов, Солнца присутствуют все элементы периодической системы, что доказывает общность их происхождения, однако количественные соотношения различны. Количество атомов какого-либо химического элемента в различных природных системах принято выражать по отношению к кремнию, поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим соединениям.

Земля прошла сложнейший путь химической эволюции. Были усвоены и сложные органические соединения, обнаруженные также и в метеоритном веществе. Эти вещества образовались еще на последних стадиях остывания протопланетного облака. Впоследствии на Земле они привели к возникновению жизни.

Геохронология. Русский геохимик А.Е. Ферсман (1883-1945) разделил время существования атомов Земли на три эпохи:

- эпоху звездных условий существования;

- эпоху начала формирования планет;

- эпоху геологического развития.

Для обозначения времен и последовательности образования горных пород Земли в эпоху ее геологического развития принят термин геохронология.

Геохронология - (от греч. Geо - земля + Chronos - время + Logos - слово, учение) геологическое летоисчисление, построенное на учении о временной последовательности формирования горных пород, слагающих земную кору. Различают относительную и изотопную геохронологии. Геохронология базируется на абсолютном летоисчислении в тысячах и миллионах лет, опирающемся на знание скорости распада радиоактивных элементов.

Природные ресурсы и их использование

Жизнь человека на Земле обеспечивается пищевыми, минеральными и энергетическими ресурсами планеты. Природные ресурсы делятся на две группы: исчерпаемые и неисчерпаемые ресурсы.

Неисчерпаемые природные ресурсы. Неисчерпаемых природных ресурсов не так уж много. К ним относятся энергия солнечной радиации, морских волн, ветра. Условно неисчерпаемыми считаются воздух и вода.

Исчерпаемые природные ресурсы делятся в свою очередь на возобновляемые и невозобновляемые, к возобновляемым ресурсам относятся растительный и животный мир, плодородие почв, к невозобновляемым ресурсам - полезные ископаемые.

Основы физики микромира

Новая физика началась с изучения строения атома. Атомизм, забытый в Средние века, был возрожден Р. Декартом и сохранился практически в первоначальном виде до конца XVIII в. Но реальность существования атомов, атомное строение вещества было установлено лишь в XIX в.

Строение атома

Отказ от классического представления об атомах как неделимых частицах произошел в 1897 г., когда Дж. Томсоном был открыт электрон - отрицательно заряженная частица, входящая в состав всех атомов. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом электронейтрален, было сделано предположение, что в нем помимо электрона должна быть положительно заряженная частица. Опыты Э. Резерфорда, в которых он бомбардировал альфа-частицами листки металлической фольги, показали, что альфа-частицы отклоняются при ударе на самые разные углы, в том числе и на 180°. Это означало, что частицы встречают на своем пути массивную, положительно заряженную преграду очень малых размеров.

Так было открыто атомное ядро - положительно заряженная микрочастица, которая намного меньше атома, но в ней почти полностью сосредоточена его масса.

Еще один шаг к углублению знаний о строении материи был сделан при открытии радиоактивности А. Беккерелем в 1896 г., когда он случайно обнаружил, что соли урана засвечивают лежащую в столе фотопластинку. В ходе дальнейших исследований было установлено, что некоторые элементы в естественных условиях могут испускать радиоактивные лучи и в результате превращаться в другие химические элементы. Эти открытия опровергали представления об атомах как о твердых и неделимых структурных элементах вещества.

в 1905 г. А. Эйнштейн ввел понятие кванта света и использовал его для объяснения фотоэффекта. При этом было доказано, что свет обладает одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами. Так появилось понятие о корпускулярно-волновом дуализме, позже распространенном на весь микромир. Это был революционный шаг - признать, что свет распространяется как волна, но излучается и поглощается как частица. После этого стало понятно, как возникает фотоэффект - выбивание электрона из вещества под действием света: фотон выбивал электрон, если он имел достаточную энергию (а значит, достаточно большую частоту), способную преодолеть силы связи электрона с веществом.

В 1913 г. Н. Бор применил идею кванта для решения вопроса о строении атома, уточнив планетарную модель атома Резерфорда. Бор показал, что система атома существует на основе электромагнитных сил, а не гравитационных, как считал Резерфорд.

Мир элементарных частиц

Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атома к уровню элементарных частиц. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных частиц, которые можно было бы назвать элементарными. В строгом смысле слова такие частицы не должны содержать в себе каких-либо других элементов.

Однако в обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.

Открытие элементарных частиц началось с конца XIX в. До 20-х годов XX в. были известны всего две частицы - электрон и фотон. Протон был открыт Резерфордом в 1919 г. при, бомбардировке атома альфа-частицами. Открытие большинства известных сегодня элементарных частиц происходило в два этапа.

Первый этап приходится на 30-50-е годы XX в. В 1932 г. был открыт лишенный электрического заряда нейтрон, а в 1936 г. - позитрон, первая античастица, во всем подобная электрону, но обладающая положительным электрическим зарядом. В 1935 г. X. Юкавой было предсказано существование мезонов, которые позже были обнаружены в космических лучах. Далее были обнаружены нейтрино. Таким образом, к концу 50-х годов были известны 32 элементарные частицы, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Второй этап в открытии элементарных частиц приходится на 60-е годы, когда общее число известных частиц превысило 200. В это время основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их помощью удалось открыть такие античастицы, как антипротон и антинейтрон. В 70-80-е годы поток открытых частиц увеличился, среди них появились странные, красивые, очарованные частицы, а также резонансы. Сегодня известно около 350 элементарных частиц.

Свойства элементарных частиц

Несмотря на то, что количество открытых частиц продолжает расти, у всех у них можно отметить несколько общих свойств, одно из которых - корпускулярно-волновой дуализм.

Второе свойство элементарных частиц было выделено, когда после открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. Это пока лишь гипотеза, но наличие почти у всех частиц соответствующих им античастиц на сегодня является установленным фактом. Античастицы отсутствуют лишь у фотона и двух мезонов.

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. При этом мы сталкиваемся с принципиально новым свойством вещества на микроуровне. Одним из основных методов познания мира сегодня является системный подход, рассматривающий весь мир как совокупность иерархически организованных систем. Это означает, что в любой системе мы можем выделить подсистемы и элементы системы, каждый из которых, в свою очередь, обладает своей внутренней структурой. Для элементарных частиц это утверждение неверно. Продукты превращения и распада элементарных частиц не более просты, чем исходные объекты. Это другие элементарные частицы. Почти каждая элементарная частица может быть составной частью другой элементарной частицы. Понятия «простое» и «сложное», «часть» и «целое» имеют на уровне микромира совсем другое, непривычное для нас значение. При этом скорее всего элементарные частицы все же обладают внутренней структурой, но нам она пока недоступна.

Характеристики элементарных частиц и их классификация

Элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик.

На основании некоторых из них можно дать классификацию элементарных частиц.

Так, одной из важных характеристик частиц является их масса.

В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить на:

– частицы, не имеющие массы покоя. Это фотоны, движущиеся со скоростью света;

– лептоны - легкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино;

– мезоны - средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

– барионы - тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны.

Другой важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1). Заряд может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Должны существовать также частицы с дробным электрическим зарядом - кварки.

Время жизни - еще одна характеристика частиц. При этом различают стабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относятся фотон, электрон, протон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома. Свободный нейтрон распадается в среднем за 15 минут. Все остальные частицы - нестабильные, они существуют 10^-10 - 10^-24 с. Самые короткоживущие частицы называются резонансами. Эти частицы распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Их время жизни - 10^-25 - 10^-26 с. Существование этих частиц вычислено теоретически, в реальных экспериментах они не фиксируются. Разумеется, наиболее важная роль в мире принадлежит стабильным частицам, из которых и состоят все макротела.

Основы кварковой теории

Кварковая теория - это теория строения адронов, представляющая собой еще один шаг вглубь материи. Она сформулирована в 1963 г. после того, как было высказано предположение, что все адроны построены из более мелких частиц.

Фундаментальные константы нашего мира

В рамках современной физики впервые были выявлены так называемые фундаментальные константы нашего мира, или мировые универсальные константы - постоянные, которые не сводимы друг к другу и имеют значение для всей наблюдаемой части Вселенной. Над перечнем этих констант работали многие крупнейшие физики, поэтому количество констант варьируется. По мнению М. Планка, существует четыре фундаментальных константы:

Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества

В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.

В начале ХХ в. на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

Итак, корпускулярно-волновой дуализм - представление о сущности микрочастиц, заключающееся в том, что в их поведении проявляются корпускулярные и волновые свойства.

Поле и вещество

В литературе часто основные формы материи подразделяют на поле и вещество. Такое деление имеет некоторый смысл, но оно ограниченно. Под веществом подразумевают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств.

В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в пространстве. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно - в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества также нельзя представлять в виде каких-то микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей, и не существует абсолютно четкой границы, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. В пограничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц.

Радиоактивность и радиация

Радиоактивность - неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения или радиацией. Радиация, или ионизирующее излучение - это частицы и гамма-кванты, энергия которых достаточно велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы разных знаков. Радиацию нельзя вызвать с помощью химических реакций.

Виды радиоактивного распада

Различают несколько видов радиации. Альфа-частицы: относительно тяжелые, положительно заряженные частицы, представляющие собой ядра гелия. Бета-частицы - это просто электроны. Гамма-излучение имеет ту же электромагнитную природу, что и видимый свет, однако обладает гораздо большей проникающей способностью. Нейтроны - электрически нейтральные частицы, возникают главным образом непосредственно вблизи работающего атомного реактора, куда доступ, естественно, регламентирован. Рентгеновское излучение подобно гамма-излучению, но имеет меньшую энергию. Кстати, наше Солнце - один из естественных источников рентгеновского излучения, но земная атмосфера обеспечивает от него надежную защиту. Ультрафиолетовое излучение и излучение лазеров в нашем рассмотрении не являются радиацией. Заряженные частицы очень сильно взаимодействуют с веществом, поэтому, с одной стороны, даже одна альфа-частица при попадании в живой организм может уничтожить или повредить очень много клеток, но, с другой стороны, по той же причине, достаточной защитой от альфа- и бета-излучения является любой, даже очень тонкий слой твердого или жидкого вещества - например, обычная одежда (если, конечно, источник излучения находится снаружи). Следует различать радиоактивность и радиацию. Источники радиации - радиоактивные вещества или ядерно-технические установки (реакторы, ускорители, рентгеновское оборудование и т.п.) - могут существовать значительное время, а радиация существует лишь до момента своего поглощения в каком-либо веществе.

Термоядерные реакции - реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах. Эти реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся в результате слияния более тяжёлом ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют в среднем большую энергию связи, чем в исходных сливающихся ядрах. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции.

Химия как наука. Основные понятия химии

Химия - наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. В широком понимании, вещество - это любой вид материи, обладающий собственной массой, например элементарные частицы. В химии понятие вещества более узкое, а именно: вещество - это любая совокупность атомов и молекул.

Химия как метод изучения химических свойств и строения веществ является чрезвычайно многогранной и плодотворной наукой. На сегодняшний день известно около 15 млн. органических и около полумиллиона неорганических веществ, причем каждое из этих веществ может вступать в десятки реакций и каждое из них имеет внутреннее строение. Внутреннее строение определяет химические свойства; в свою очередь, по химическим свойствам мы часто можем судить о строении вещества.

Основу химии составляют атомно-молекулярная теория, теория строения атомов и молекул, закон сохранения массы и энергии и периодический закон.

Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый М.В. Ломоносов. Основные положения этого учения изложены в работе "Элементы математической химии" (1741) и ряде других. Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям.

1. Все вещества состоят из "корпускул" (так Ломоносов называл молекулы).

2. Молекулы состоят из "элементов" (так Ломоносов называл атомы).

3. Частицы - молекулы и атомы - находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ - из различных атомов.

Через 67 лет после Ломоносова атомистическое учение в химии применил английский ученый Джон Дальтон. Он изложил основные положения атомистики в книге "Новая система химической философии" (1808). В своей основе учение Дальтона повторяет учение Ломоносова. Однако Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ, что по сравнению с учением Ломоносова является шагом назад. По Дальтону, простые вещества состоят только из атомов, и лишь сложные вещества - из "сложных атомов" (в современном понимании - молекул). Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX в. На международном съезде химиков г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.

Молекула - это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Атом - наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям.

Атом - это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру. Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и др.). Не имеют молекулярной структуры соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы.

Атомно-молекулярное учение позволило объяснить основные понятия и законы химии. С точки зрения атомно-молекулярного учения, химическим элементом называется каждый отдельный вид атомов. Важнейшей характеристикой атома является положительный заряд его ядра, численно равный порядковому номеру элемента. Значение заряда ядра служит отличительным признаком для различных видов атомов, что позволяет дать более полное определение понятия элемента.

Химический элемент - это определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Известно 107 элементов. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более высокими порядковыми номерами.

Все элементы обычно делят на металлы и неметаллы. Однако это деление условно. Важной характеристикой элементов является их распространенность в земной коре, т.е. в верхней твердой оболочке Земли, толщина которой принята условно равной 16 км. Распределение элементов в земной коре изучает геохимия - наука о химии Земли. Геохимик А.П. Виноградов составил таблицу среднего химического состава земной коры. Согласно этим данным самым распространенным элементом является кислород - 47,2 % массы земной коры, затем следует кремний - 27,6, алюминий - 8,80, железо -5,10, кальций - 3,6, натрий - 2,64, калий - 2,6, магний - 2,10, водород - 0,15 %.

Изотопы - разновидности одного химического элемента, отличающихся атомными массами. Их открытие показало, что не атомная масса, как считал Менделеев, а заряд ядра определяет место элемента в периодической системе.

Всякое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.

Атомно-молекулярное учение позволяет объяснить закон постоянства состава. Поскольку атомы имеют постоянную массу, то и массовый состав вещества в целом постоянен.

Закон постоянства состава впервые сформулировал французский ученый-химик Ж. Пруст в 1808 г. Он писал: "От одного полюса Земли до другого соединения имеют одинаковый состав и одинаковые свойства. Никакой разницы нет между оксидом железа из Южного полушария и Северного. Малахит из Сибири имеет тот же состав, как и малахит из Испании. Во всем мире есть лишь одна киноварь".

В этой формулировке закона, как и в приведенной выше, подчеркивается постоянство состава соединения независимо от способа получения и места нахождения.

Новые материалы

Вещества, из которых изготавливается различная продукция, называются материалами. Для каждого вида продукции нужны свои материалы, обладающие определенными характеристиками. Наряду с давно известными, апробированными материалами технический прогресс производства требует создания новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Кроме того, в связи с истощением природных ресурсов возникает необходимость в замене старых, традиционных материалов новыми и более доступными.

В XX в. наряду с традиционными материалами появились новые - полимерные и синтетические. Они находят все большее применение, потеснив традиционные материалы.

На основе природных или синтетических полимеров получают пластмассы - материалы, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Полимеры - это искусственные органические соединения, построенные из макромолекул, которые состоят из множества малых основных молекул - мономеров.

Процесс их образования зависит от множества факторов. Вариации и комбинации этих факторов позволяют получить множество разновидностей полимерной продукции с различными свойствами.

Сегодня созданы пластмассы, способные заменить металлы, термостойкие пластмассы для авиационной и ракетной техники. Все больше пластмасс используется в строительстве - пластмассовые рамы, облицовочные материалы, кровля и т.д. Существуют проекты создания полностью пластмассовых автомобилей, хотя и сейчас доля пластмасс в автомобилестроении по сравнению с металлами становится все большей.

К полимерным материалам относится и каучук, из которого изготавливается всем известная резина. Натуральный каучук до сих пор добывают из каучукового дерева в Бразилии и Индокитае. Но он имеет сравнительно невысокую термостойкость и подвержен старению. Кроме того, количество натурального каучука недостаточно для современной промышленности. Поэтому химики разработали способы получения синтетического каучука с заданными свойствами. Таким образом, восполняется нехватка природного сырья и производится продукция с высокими показателями износостойкости, химической стойкости. Эти материалы применяются в обувной промышленности, в машиностроении и для производства шин.

Методы управления химическим процессом

Сопровождение каждой химической реакции механическим перемещением масс молекул реагентов, выделение или поглощение тепла за счет разрыва или образования связей в новых молекулах также убедительно свидетельствует о тесной связи химических и физических явлений. Так, энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики. Химические реакции, протекающие с выделением энергии (обычно в виде тепла и света), называются экзотермическими реакциями. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. Все сказанное не противоречит законам термодинамики: в случае горения энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. В эндо-термических реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы. Он измеряется в килоджоулях на моль (кДж/моль). Частным случаем первого начала термодинамики является закон Гесса. Он гласит, что тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния вещества и не зависит от промежуточных стадий процесса. Закон Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакции в тех случаях, когда его непосредственное измерение почему-либо неосуществимо.

Со скоростью химических реакций связаны представления о превращении веществ. Учение о скоростях и механизмах химических реакций называется химической кинетикой. Под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени при неизменном объеме системы.

В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические. Термодинамические методы влияют на смещение химического равновесия реакции. Кинетические методы влияют на скорость протекания химической реакции.

Выделение химической термодинамики в самостоятельное направление обычно связывают с появлением в 1884 г. книги голландского химика Я. Вант-Гоффа «Очерки по химической динамике». В ней обоснованы законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. Тогда же французский химик А. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитый принцип подвижного равновесия, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов.

Принцип Ле Шателье - если на систему оказано воздействие, то она будет действовать таким образом, чтобы уменьшить влияние этого воздействия.

Поскольку основными рычагами управления реакцией выступают температура, давление (если реакция происходит в газовой фазе) и концентрация реагирующих веществ (если реакция идет в жидкой фазе), эти методы управления и получили название термодинамических методов.

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий протекания процесса. Есть много реакций, равновесие в которых смещено в сторону конечных продуктов: к ним относятся уже упоминавшаяся реакция нейтрализации, реакции с удалением готовых продуктов в виде газов или осадков. Но существует немало реакций, равновесие в которых смещено влево, к исходным веществам. Для их осуществления требуются особые термодинамические рычаги - изменение температуры, давления и концентрации реагирующих веществ.

Но термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость. Управлением скоростью химических процессов занимается химическая кинетика, которой изучается зависимость протекания химических процессов от различных структурно-кинетических факторов - строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т.п.

Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь при ее решении необходимо выяснить механизм взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и «третьих тел», которых может быть несколько. В этом случае наиболее целесообразно поэтапное решение, при котором вначале выделяется наиболее сильное действие какого-либо одного из «третьих тел», чаще всего катализатора.

Кроме того, следует понять, что практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, которые могут как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

Также на интенсивность химических процессов оказывают влияние случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в других - как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибирующее действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносятся те или иные добавки.

Таким образом, влияние «третьих тел» на ход химических реакций может быть сведено к катализу, то есть положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.

Катализ и его роль в химии

Явление катализа было открыто еще в 1812 г. русским химиком К.С. Кирхгофом. Но механизм катализа долгое время оставался загадкой природы, вызывая к жизни самые разнообразные теории, как чисто химические, так и физические. Эти теории, будучи ошибочными, оказывались полезными хотя бы потому, что наталкивали ученых на новые эксперименты. Ведь дело было в том, что для большинства промышленно важных химических процессов катализаторы подбирались путем бесчисленных проб и ошибок.

Катализ - ускорение химической реакции в присутствии особых веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов.

Применение катализаторов послужило основанием коренной ломки всей химической промышленности. Благодаря им оказалось возможным использование в качестве сырья для органического синтеза парафинов и циклопарафинов, до сих пор считавшихся «химическими мертвецами». Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (производства неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжелого» органического синтеза, включая получение горюче-смазочных материалов, базируется на катализе. Последнее время тонкий органический синтез становится все более каталитическим, т.к. 60-80 % всей химии основано на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.

На современном этапе своего развития химия открыла множество эффективных катализаторов. Каталитическими свойствами обладают многие химические элементы периодической системы, но важнейшую роль играют металлы платиновой группы и редкоземельные металлы.

С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд. раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).

Одно из перспективных направлений повышения эффективности катализа заключается в разработке молекулярных сит - природных или синтетических материалов, содержащих алюминий, кремний и кислород и обладающих структурой мельчайших пустот и каналов. Такие сита выполняют функцию катализатора: попавшие внутрь пустот или каналов молекулы вступают в реакцию, которая при обычных условиях возможна только при высокой температуре. Молекулярные сита применяются для производства высокооктанового бензина и превращения полученного из древесины метанола в бензин.

Как было понято учеными еще в XIX в., основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. Они стремятся к новым принципам управления химическими процессами, в которых будет применяться синтез себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности до сих пор.