Колектив авторів

Концепції сучасного природознавства: Шпаргалка

Шпаргалки від ріорі -

«Концепції сучасного природознавства: Шпаргалка. »: РІОР; Москва; 2011

Анотація

У шпаргалці в короткій і зручній формі наведено відповіді на всі основні питання, передбачені державним освітнім стандартом і навчальною програмою з дисципліни «Концепції сучасного природознавства».

Книга дозволить швидко одержати основні знання з предмета, повторити пройдений матеріал, а також якісно підготуватися і успішно здати залік та іспит.

Рекомендується всім вивчають і здають дисципліну «Концепції сучасного природознавства»

ЗМІСТ

1. ПОНЯТТЯ природознавства

2. Атомістична концепція ДО 20 в

3. Атомістична концепція 20 ст.: Е. Резерфорд і Н. Бор

4. ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ВЗАЄМОДІЇ У ПРИРОДІ: СИЛЬНА, ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ І СЛАБКІ

5. Гравітаційні взаємодії

6. ЗАКОНИ Ньютона

7. Принцип відносності Галілея

8. Перетворення Лоренца

9. СПЕЦІАЛЬНА ТЕОРІЯ відносності

10. Загальна теорія відносності Ейнштейна

11. ВИКРИВЛЕННЯ світлового променя в поле тяжіння Сонця

12. Гравітаційний червоний зсув

13. Кінетична енергія

14. Потенційна енергія

15. Повна механічна енергія

16. РІВНЯННЯ СТАНУ. НУЛЬОВІ ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ

17. ПЕРШЕ ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ

18. ДРУГИЙ ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ

19. ТРЕТЄ ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ

20. ВЗАЄМОДІЯ ЗАРЯДІВ. Закон Кулона

21. ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ

22. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

23. ЗАКОН ОМА

24. МАГНІТНО сила Лоренца

25. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ

26. ХВИЛЬОВА ОПТИКА

27. Інтерференція світла

28. Дифракції світла

29. Корпускулярно-ХВИЛЬОВИЙ Дуалізм СВІТЛА

30. ПРИНЦИП додатковості Бора

31. РІВНЯННЯ Е. Шредінгер

32. Релятивістської квантової ФІЗИКА. ФІЗИЧНИЙ ВАКУУМ

33. АТОМ З ТОЧКИ ЗОРУ КВАНТОВОЇ ТЕОРІЇ

34. МОЛЕКУЛИ З ТОЧКИ ЗОРУ КВАНТОВОЇ ТЕОРІЇ

35. ОСНОВНІ ТИПИ ХІМІЧНИХ і міжмолекулярних зв'язків. Іонний зв'язок

36. Ковалентний зв'язок

37. МЕТАЛЕВА ЗВ'ЯЗОК. ЗВ'ЯЗОК ВАН ДЕР Ваальса

38. Водневий зв'язок

39. МОДЕЛЬ Роздувати ВСЕСВІТУ ГУТА

40. Галактик і скупчень галактик

41. СОНЯЧНА СИСТЕМА

42. ВНУТРІШНЯ СТРУКТУРА ЗЕМЛІ: Земна кора, мантія

43. ВНУТРІШНЯ СТРУКТУРА ЗЕМЛІ: ЯДРО. ГІДРОСФЕРА І АТМОСФЕРА ЗЕМЛІ

44. ГІПОТЕЗИ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ: Креаціонізм

45. ГІПОТЕЗИ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ: ПАНСПЕРМІЗМ І Віталізм

46. ГІПОТЕЗИ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ: Еволюціонізм

47. ЕВОЛЮЦІЯ ЛЮДИНИ: Людина уміла

48. ЕВОЛЮЦІЯ ЛЮДИНИ: ЛЮДИНА прямоходяча І ЛЮДИНА РОЗУМНА

49. ЕВОЛЮЦІЯ ЛЮДИНИ: СУЧАСНИЙ ЛЮДИНА

50. БУДОВА КЛІТИНИ: ЯДРО І ЦИТОПЛАЗМА

51. Клітинний цикл

52. ЖИТТЄВИЙ ЦИКЛ КЛІТИНИ: Мітоз

53. ХРОМОСОМИ: ПОНЯТТЯ, ТИПИ

54. ДНК

55. РНК

56. ВИДИ ЖИВИХ СИСТЕМ

57. СУЧАСНІ УЯВЛЕННЯ ПРО БИОСФЕРЕ ЗЕМЛІ

58. Вчення Вернадського про ноосферу

59. КОСМІЧНІ ЦИКЛИ

60. БІОЛОГІЧНІ РИТМИ

1. ПОНЯТТЯ природознавства

Природознавство - це сукупність наук про явища і закони природи. Саме слово «природознавство» утворене з двох слів: «єство» (природа) і «знання», що означає буквально знання природи. В даний час в області природознавства накопичений величезний науковий матеріал, викласти який в одній навчальній дисципліні не представляється можливим. У зв'язку з цим обмежимося лише розглядом концепцій сучасного природознавства. Концепція (від лат. Conceptio - розуміння, система) - це певний спосіб розуміння, трактування яких-небудь явищ, основна точка зору, керівна ідея для їх освітлення. Концептуальний підхід дозволяє з єдиних позицій інтегрувати розрізнені знання про неживу і живу природу і людському суспільстві в цілісну природничо картину світу. Він корисний не тільки для розуміння історії розвитку природознавства, суті досліджуваних ним явищ і законів природи, а й для ознайомлення з найважливішими досягненнями природознавства.

У процесі отримання нового знання дослідник завжди користується певною методологією. Слово «методологія» походить від грецьких слів «методос» (шлях пізнання) - метод і «логос» - вчення і означає вчення про методи. У сучасному розумінні методологія - Вчення про структуру, логічну організацію, методи та засоби діяльності. Метод - Це спосіб досягнення якоїсь мети, що включає сукупність прийомів практичної або теоретичної діяльності. Метод озброює людини найбільш раціональними способами проведення досліджень і тим самим оптимізує його діяльність. Один з основоположників наукової методології англійський філософ Ф. Бекон (1561-1626) вважав, що науковий метод подібний ліхтаря, що висвітлює дорогу бреде в темряві подорожньому.

2. Атомістична концепція ДО 20 в

В основі уявлень про мікросвіт лежить атомістична концепція про будову матерії, яка вперше була висунута давньогрецьким філософом Левкиппом (бл. 500-440 до н. Е..). Він ввів такі поняття, як «атом» і «порожнеча». Атомістичні уявлення Левкіппа були конкретизовані, доповнені і розвинені іншим великим давньогрецьким філософом - Демокрітом (бл. 460-370 до н. Е..). Згідно гіпотезі Демокрита, в абсолютній порожнечі навколишнього простору існує нескінченне число дрібних неподільних частинок - атомів, які мають різноманітну форму і рухаються в порожнечі безладно, іноді вони стикаються і відскакують один від одного, але іноді зчіплюються в різних положеннях і поєднаннях, що означає утворення речей з різною якістю. Епікур (341-270 до н. е..) наділив атоми ще властивістю тяжкості. Атоми вічні, а речі, утворені з них, гинуть (роз'єднуються), але самі атоми залишаються, вони далі можуть зчіплюватися в нових поєднаннях з утворенням нових речей і т. д. Так виникають з атомів не тільки звичайні речі, а й Земля, зірки , космічні світи в нескінченному просторі.

Концепція атомізму отримала подальший розвиток у XVIII столітті в роботах Дж. Дальтона (17661844), який прийняв атомний вагу водню за одиницю і зіставив з ​​ним атомні ваги інших газів. Завдяки цьому стали вивчатися фізико-хімічні властивості атомів. У XIX столітті Д.І. Менделєєв (1834-1907) побудував систему хімічних елементів, засновану на їхній атомній вазі.

Систематичні дослідження будови атомів почалися в 1897 році завдяки відкриттю Дж. Томсоном (1856-1940) електрона - Негативно зарядженої частки, яка входить до складу всіх атомів. У 1903 році Дж. Томсон, розвиваючи ідеї У. Томсона (лорда Кельвіна) (1824-1907) про будову атома (У. Томсон в 1902 році запропонував першу модель атома, згідно якої позитивний заряд в атомі розподілений в досить великій області, а електрони вкраплені в нього, як «родзинки в пудинг»), удосконалив модель атома. Атом, за Дж. Томсону, представляв собою позитивно заряджений куля з вкрапленими в нього електронами, сумарний негативний заряд яких за модулем дорівнює позитивному заряду кулі (модель атома Томсона). Оскільки маса електрона приблизно в 2000 разів менше маси атома водню, то передбачалося, що майже вся маса атома визначається масою позитивного заряду.

3. Атомістична концепція 20 ст.: Е. Резерфорд і Н. Бор

У 1908 році Х. Гейгер і Е. Марсден, співробітники лабораторії Е. Резерфорда (1871-1937), провели досліди по проходженню альфа-часток через тонкі фольги із золота та інших металів і виявили, що майже всі вони проходять через фольгу, ніби немає перешкоди, і тільки 1 / 10000 з них відчуває сильне відхилення. За допомогою моделі Дж. Томсона це пояснити не вдалося, але Резерфорд знайшов вихід. Він звернув увагу на те, що більша частина часток відхиляється на малий кут, а мала - до 150 °. Резерфорд прийшов до висновку, що вони взаємодіють з якимось масивним об'єктом малого розміру, цей об'єкт є ядро ​​атома - позитивно заряджену мікрочастинки, розмір якої (10-12 см) дуже малий у порівнянні з розмірами атома (10-8 см), але в ньому майже повністю зосереджена маса атома.

У 1911 році Резерфорд запропонував модель атома, яка нагадувала Сонячну систему: в центрі знаходиться атомне ядро, а навколо нього по своїх орбітах рухаються електрони. Однак ця модель містила нерозв'язне протиріччя, яке полягало в тому, що електрони по кругових орбітах рухаються з прискоренням, а отже, згідно із законами електродинаміки вони зобов'язані випромінювати електромагнітну енергію. У цьому випадку електрони дуже швидко втратили б свою енергію і впали б на ядро, але досвід показує, що цього не відбувається.

У 1913 році датський фізик Н. Бору (1885-1962) вдалося вдосконалити планетарну модель атома Резерфорда і тим самим вирішити наявні в ній протиріччя. Для цього Бору треба було ввести два постулати, абсолютно несумісні з класичною фізикою:

1) з незліченної безлічі електронних орбіт, можливих з точки зору класичної механіки, здійснюються в дійсності тільки деякі дискретні кругові орбіти, що задовольняють певним квантовим умовам. Електрон, що знаходиться на одній з цих орбіт, незважаючи на те, що він рухається з прискоренням, обумовленим зміною напрямку вектора швидкості, не випромінює електромагнітних хвиль (світла);

2) випромінювання випускається або поглинається атомом у вигляді порції (кванта) енергії при переході електрона з одного стаціонарного (сталого) стану в інший, тобто при переході з одного стаціонарної орбіти на іншу.

4. ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ВЗАЄМОДІЇ У ПРИРОДІ: СИЛЬНА, ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ І СЛАБКІ

В даний час відомі чотири види фундаментальних взаємодій у природі: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне. Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі і визначає ядерні сили. Передбачається, що ядерні сили виникають при обміні між нуклонами кварками. Кварк, що належить одному нуклони, переходить в інший нуклон, кварк якого в свою чергу переходить в перший нуклон. Цей обмін еквівалентний обміну між нуклонами віртуальної парою «кварк - антікварк», яку іноді називають півонією, і кажуть, що сильна взаємодія між нуклонами в ядрі здійснюється за рахунок обміну між ними віртуальними півоніями. Віртуальними частинками називають такі частинки, експериментально виявити які в ході обмінного процесу неможливо. Сильна взаємодія між нуклонами діє на відстані ~ 10-13 см, тобто практично в межах ядра. Енергія зв'язку між нуклонами є надзвичайно великий, наприклад, для ядра гелію вона дорівнює 7,1 МеВ / нуклон, а для ядра цинку - 8,7 МеВ / нуклон. Це є причиною високої стійкості ядер.

Електромагнітна взаємодія пов'язано з електричними і магнітними полями. Носіями електромагнітного взаємодії є віртуальні фотони - кванти електромагнітного поля, якими обмінюються заряди. Електричне поле виникає при наявності електричних зарядів, а магнітне поле - при їх русі. Електромагнітна взаємодія описується фундаментальними законами електростатики і електродинаміки: законом Кулона, законом Ампера, законом Фарадея - Максвелла та ін Його більш загальний опис дає електромагнітна теорія Дж. Максвелла (1831-1879), заснована на фундаментальних рівняннях, що зв'язують електричне і магнітне поля. У процесі електромагнітного взаємодії електрони й атомні ядра з'єднуються в атоми, атоми - в молекули. Різні агрегатні стани речовини (тверде, рідке, газоподібне, полум'яне), явище тертя, пружні та інші властивості речовини визначаються переважно силами міжмолекулярної взаємодії, яке за своєю природою є електромагнітним.

Слабка взаємодія несе відповідальність за деякі види ядерних процесів. Слабка взаємодія між частинками здійснюється за допомогою обміну так званими проміжними бозонами. Воно простягається на відстань ~ 10-22-10-16 см і пов'язане головним чином з розпадом частинок, наприклад, з відбуваються в атомному ядрі перетвореннями нейтрона в протон, електрон і антинейтрино. Відповідно до сучасним рівнем знань більшість частинок нестабільні саме завдяки слабкому взаємодії.

5. Гравітаційні взаємодії

Гравітаційна взаємодія характерно для всіх матеріальних об'єктів незалежно від їх природи. Воно полягає у взаємному тяжінні тіл і визначається фундаментальним законом всесвітнього тяжіння: між двома точковими тілами діє сила тяжіння, прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Гравітаційною взаємодією визначається падіння тіл у полі сил тяжіння Землі. Законом всесвітнього тяжіння описується, наприклад, рух планет Сонячної системи, а також інших макрооб'єктів. Передбачається, що гравітаційна взаємодія обумовлено якимись елементарними частинками - гравітонами, існування яких до теперішнього часу експериментально не підтверджено.

Гравітаційна взаємодія - найслабша, не враховується в теорії елементарних частинок, оскільки на характерних для них відстанях ~ 10-13 см воно дає надзвичайно малі ефекти. Однак на ультрамалих відстанях (~ 10-33 см) і при ультрабольшой енергіях гравітація набуває важливе значення. Тут починають проявлятися незвичайні властивості фізичного вакууму. Надважкі віртуальні частинки створюють навколо себе помітне гравітаційне поле, яке починає спотворювати геометрію простору. У космічних масштабах гравітаційна взаємодія має вирішальне значення. Радіус його дії не обмежений.

Від сили взаємодії залежить час, протягом якого відбувається перетворення елементарних частинок. Ядерні реакції, пов'язані з сильними взаємодіями, відбуваються протягом 10-24-10-23 с. Приблизно це той найкоротший інтервал часу, за який частка, прискорена до високих енергій, коли її швидкість близька до швидкості світла, пролітає відстань ~ 10-13 см. Зміни, зумовлені електромагнітними взаємодіями, здійснюються протягом 10-21-10-19 с, а слабкими (наприклад, розпад елементарних частинок) - в основному протягом 10-10 с. За часом різних перетворень можна судити про силу пов'язаних з ним взаємодій.

6. ЗАКОНИ Ньютона

В якості першого закону Ньютон (1643-1727) прийняв закон інерції, відкритий ще Г. Галілеєм

(1564-1642): тіло (матеріальна точка), не підвладне зовнішнім впливам, або перебуває в спокої, або рухається прямолінійно і рівномірно. Таке тіло називається вільним, а його рух - вільним рухом або за інерцією. Перший закон Ньютона - Галілея фактично постулює, що існує система відліку, в якій всі вільні тіла рухаються прямолінійно і рівномірно. Така система називається інерціальній системою відліку. Під системою відліку розуміється сукупність тіла відліку, системи координат і годин.

Другий закон Ньютона: прискорення рухомого тіла прямо пропорційно діючої на нього силі, обернено пропорційно масі тіла і направлено по прямій, по якій ця сила діє, тобто

де a - прискорення тіла; F - сила; m - маса тіла.

Сила є дія, вироблене над тілом, щоб змінити його стан спокою або рівномірного і прямолінійного руху. Маса тіла виступає як коефіцієнт пропорційності між силою, що діє на тіло, і прискоренням (F = ma) і характеризує інертність тіла, тобто ступінь непіддатливість зміни стану руху.

Третій закон Ньютона: сили взаємодії двох матеріальних точок рівні за величиною, протилежно спрямовані і діють вздовж прямої, що з'єднує ці матеріальні точки, тобто

де F12 - сила, діюча на перше тіло з боку другого; F21 - сила, діюча на друге тіло з боку першого.

Визначною заслугою Ньютона було відкриття закону всесвітнього тяжіння: два точкових тіла притягають одне одного з силою, прямо пропорційною добутку їх мас, обернено пропорційною квадрату відстані між ними і спрямована вздовж з'єднує їх прямий, т. е.

де γ = 6,7 10-11 м3 / (кг • с2) - гравітаційна стала; m1 і m2 - маси тіл; r - відстань між тілами.

7. Принцип відносності Галілея

У всіх інерціальних системах відліку закони класичної механіки (закони Ньютона) мають однакову форму; в цьому сутність механічного принципу відносності - принципу відносності Галілея. Він означає, що рівняння динаміки при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої не змінюються, тобто інваріантні по відношенню до перетворень координат.

x '= x - vt, y' = y, z '= z, t' = t,

де x, y, z і t; x ', y', z 'і t' - координати тіла і час в нерухомої і рухомої системах відліку відповідно; v - швидкість рухомої системи відліку.

Ці формули називаються перетвореннями Галілея.

Легко показати, що закони динаміки Ньютона інваріантні відносно перетворень Галілея. Це пояснюється тим, що сили і маси тіл однакові у всіх інерціальних системах відліку і прискорення тіл, які визначаються подвійним диференціюванням координат за часом, також однакові

(A = d 2 x / dt 2 = d2x '/ dt2 = a').

Інваріантами, тобто величинами, чисельне значення яких не змінюється при перетворенні координат по Галілею, є довжини та інтервали часу. Покажемо це.

Нехай в рухомій системі координат знаходиться нерухомий стержень, координати кінців якого (x '1, y 1', z '1) і (x' 2, y '2, z' 2). Це означає, що довжина стрижня в рухомій системі

Тоді відносно нерухомої системи відліку стрижень рухається поступально і всі його точки мають швидкість v. Довжиною рухомого стрижня, за визначенням, називається відстань між координатами його кінців в деякий момент часу. Таким чином, для вимірювання довжини рухомого стрижня необхідно одночасно, тобто при однакових свідченнях годин нерухомої системи відліку, розташованих у відповідних точках, відзначити положення кінців стрижня. Нехай засічки положення кінців рухомого стрижня зроблені в нерухомій системі координат в момент часу t і характеризуються координатами (х1, у1, z1) і (х2, у2, z2). Тоді для довжини стержня в нерухомій системі відліку будемо мати

тобто довжина стрижня в обох системах координат однакова. Це дозволяє стверджувати, що довжина є інваріантом перетворень Галілея.

8. Перетворення Лоренца

У 1904 році Лоренц запропонував формули для перетворення координат, які забезпечують інваріантність рівнянь Максвелла при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої:

де с - швидкість світла у вакуумі.

Формули були названі Пуанкаре перетвореннями Лоренца.

Інваріантним відносно перетворень Лоренца є так званий просторово-часовий інтервал, або просто інтервал. Нехай події відбулися в точці х1, у1, z1 в момент часу t1 і в точці х2, у2, z2 в момент часу t2. Інтервалом між подіями, або, як кажуть, інтервалом між точками х1, у1, z1, t1 і х2, у2, z2, t2, називається величина s, квадрат якої визначається формулою

S2 = С2 (t2 - t1) 2 - (Х2 - Х1) 2 - (У2 - У1) 2 - (Z2 - Z1) 2. (1)

У рухомій системі відліку квадрат інтервалу S записується у вигляді

Підставляючи формулу (1) в (2), переконаємося, що s2 = s'2 = inv. Вперше поняття інтервалу ввів Пуанкаре, і він же показав, що інтервал є інваріантом при перетвореннях Лоренца.

З перетворень Лоренца випливає скорочення довжини рухомого стрижня, а саме

де l = x 2 - x1 і l '= x'2 - x1, і уповільнення ходу рухомих годин, а саме

, де Δ t = t2-t1 і    Δ t '= = t'2-t' 1.

9. СПЕЦІАЛЬНА ТЕОРІЯ відносності

В основі спеціальної теорії відносності, створеної Лоренцем, Пуанкаре і Ейнштейном і представляє собою фактично фізичну теорію простору і часу, лежать два постулати: принцип відносності; принцип сталості швидкості світла.

Принцип відносності стверджує, що всі тотожні фізичні явища в будь-яких інерціальних системах відліку при однакових початкових і граничних умовах протікають однаково. Іншими словами, всі закони природи інваріантні по відношенню до переходу від однієї інерціальної системи відліку до іншої, тобто рівняння, що виражають закони природи, мають однаковий вигляд у всіх інерціальних системах відліку. Незважаючи на те що наведена формулювання принципу відносності відрізняється від тієї, що дав Пуанкаре, у фізичному сенсі обидві формулювання тотожні. Цей постулат поширює принцип відносності Галілея на всі фізичні явища природи. Це означає, що всі інерціальні системи відліку рівноправні і ніякі досліди (механічні, електромагнітні і т. п.), проведені в даній інерційній системі відліку, не дають можливості виявити, спочиває чи ця система рухається рівномірно і прямолінійно.

Принцип постійності швидкості світла свідчить, що швидкість світла у вакуумі однакова в усіх інерціальних системах відліку і не залежить від руху джерел і приймачів світла. Спеціальна теорія відносності об'єднала простір і час в єдиний континуум «простір-час», (див. перетворення Лоренца) причому вона, як і класична ньютонівська механіка, припускає, що час однорідне, а простір однорідний і изотропно.

10. Загальна теорія відносності Ейнштейна

Подальший розвиток уявлень про простір і час було зроблено Ейнштейном в 1915 році в загальній теорії відносності, званої іноді теорією тяжіння. У ній Ейнштейн розширив принцип відносності, поширивши його на неінерціальні системи відліку, і використовував принцип еквівалентності інертної і гравітаційної мас (відношення інертної маси до гравітаційної однаково для всіх тіл), який безпосередньо випливає з встановленого ще Галілеєм факту однаковості прискорення різних тіл при їх вільному падінні .

Використовуючи закони класичної механіки, покажемо, що ставлення інертною m ін та гравітаційної m гр мас однаково для всіх тіл. Припустимо, що вниз одночасно починають падати два різних тіла. На кожне з тіл діє сила тяжіння. На перше тіло діє сила тяжіння, рівна F 1 = m гр1 g, а на друге - F 2 = m гр2 g, де g - прискорення вільного падіння. Згідно з другим законом Ньютона, під дією цих сил тіла будуть рухатися з прискореннями відповідно a 1 і a 2, причому як коефіцієнт пропорційності між силами і прискореннями будуть виступати їх інертні маси m ін1 і m ін2: F 1 = m ін1 a 1 і F 2 = m ін2 a 2. З цих міркувань безпосередньо випливає, що m гр1 g = m ін1 a 1 і m гр2 g = m ін2 a 2. Галілей експериментально показав, що всі тіла при відсутності опору падають з однаковим прискоренням, тобто ставлення прискорень дорівнює одиниці, або a 1 / a 2 = (m гр1 / m ін1) (m ін2 / m гр2) = 1.

Це можливо тільки при пропорційності інертної і гравітаційної мас. Останні експерименти підтверджують рівність mін = mгр з високою точністю (відносна помилка вимірів не перевищує 10-11).

Загальна теорія відносності пояснила сутність тяжіння, що складається в зміні геометричних властивостей, викривленні чотиривимірного простору-часу навколо тіл, які утворюють поле тяжіння. В рамках загальної теорії відносності Ейнштейна вдалося отримати рівняння, що описує поле тяжіння.

Для перевірки своєї теорії Ейнштейн запропонував три ефекти:

• викривлення світлового променя в поле тяжіння Сонця;

• зсув перигелію Меркурія;

• гравітаційне червоне зміщення.

Ці ефекти, як показали наступні експерименти, дійсно існують і кількісно правильно передбачалися ОТО (з прийнятною на той історичний момент часу похибкою).

11. ВИКРИВЛЕННЯ світлового променя в поле тяжіння Сонця

Припустимо, що світло від зірки S проходить безпосередньо поблизу поверхні Сонця. Тоді сонячне тяжіння найбільш сильно викривляє його траєкторію (рис. 1). Земному спостерігачеві буде здаватися, що зірка знаходиться в напрямку S '. Відповідно до ОТО кут, на який відхиляється промінь світла, можна розрахувати за формулою

де φ - кут відхилення променя світла; MC - маса Сонця; Rc - радіус Сонця.

Рис. 1. Відхилення променя світла гравітаційним полем Сонця

Кут відхилення променя світла полем тяжіння Сонця, розрахований за формулою (1), дорівнює 1,75 ». Значення кута j експериментально визначають, порівнюючи положення зірок, близьких до Сонця, під час повного сонячного затемнення і в час, коли Сонце знаходиться далеко від даної ділянки зоряного неба. Багаторазово проведені вимірювання показали, що експериментальні значення кута відхилення променя світла полем тяжіння Сонця в межах 10% збігаються з його теоретичним значенням.

12. Гравітаційний червоний зсув

Припустимо, що фотон з енергією ε = hν (h - постійна Планка; ν - частота) залишає поверхню зірки. Залишаючи поверхню зірки, фотон буде здійснювати роботу, пов'язану з подоланням дії гравітаційного поля зірки. Ця робота буде здійснена за рахунок убутку енергії фотона.

Можна показати, що енергія фотона на досить великій відстані від зірки, коли гравітаційна взаємодія стає мізерно малим, виявляється рівною

де мЗв і Rзв - маса і радіус зірки відповідно; с - швидкість світла; γ - гравітаційна постійна.

Це означає, що фотон частоти v, який залишає зірку і йде у нескінченність, сприйматиметься в нескінченності з частотою

Зменшення частоти фотона означає, що якщо фотон належить до блакитної області спектра, то він відчуває зсув по частоті в сторону червоної межі видимого спектру, внаслідок чого цей ефект і відомий під назвою «гравітаційний червоний зсув». Його не слід змішувати з доплерівським червоним зміщенням далеких зірок, приписуваним їх удаваному радіальному руху в напрямку від Землі. Гравітаційний червоний зсув добре підтверджується експериментально. Так, для зірки Сіріус В обчислене відносне зміщення становить:

а зміряне одно -6,6 10-5. Розбіжність не виходить за межі можливої ​​помилки, пов'язаної з невизначеністю значень мЗв і Rзв.

13. Кінетична енергія

Величина

(1) називається кінетичної енергією матеріальної точки (M і v - маса і швидкість).

Змінити кінетичну енергію тіла може робота сили. Так, робота А 12 сили F при переміщенні тіла з точки 1 в точку 2 простору (рис. 1) призводить до збільшенню його кінетичної енергії на D K (ds - елементарне переміщення):

Рис. 1. Схематичне зображення вектора сили, що діє на тіло, і вектора переміщення на траєкторії руху 1-2

Отриманий результат можна узагальнити на випадок довільної системи матеріальних точок. Кінетичної енергії системи називається сума кінетичних енергій матеріальних точок, з яких ця система складається. Якщо написати співвідношення (2) для кожної матеріальної точки системи, а потім всі такі співвідношення скласти, то в результаті знову вийде формула (2), але вже не для однієї матеріальної точки, а для системи матеріальних точок. Під A 12 треба розуміти суму робіт всіх сил, як внутрішніх, так і зовнішніх, що діють на матеріальні точки системи. Таким чином, робота всіх сил, що діють на систему матеріальних точок, дорівнює приросту кінетичної енергії цієї системи.

14. Потенційна енергія

Всі сили, що зустрічаються в макроскопічної механіки, прийнято розділяти на консервативні і неконсерватівние.

Консервативними називають такі сили, робота яких на шляху між двома точками залежить не від форми шляху, а тільки від положення цих точок.

Якщо на систему частинок діють тільки консервативні сили, можна для неї ввести поняття потенційної енергії. Будь-яке довільне положення системи, що характеризується завданням координат її матеріальних точок, умовно приймемо за нульове. Робота, що здійснюється консервативними силами під час переходу системи з даного положення в нульове, дорівнює потенційної енергії системи в першому положенні. Робота консервативних сил не залежить від шляху переходу, а тому потенційна енергія системи при фіксованому нульовому положенні залежить тільки від координат матеріальних точок системи в розглянутому положенні. Іншими словами, потенційна енергія U системи є функцією тільки її координат.

Робота будь-яких консервативних сил Аконс завжди відбувається за рахунок убутку потенційної енергії,

т. е. Аконс = U1 - U2 = - Δ U.

Робота неконсервативних сил, на відміну від консервативних, залежить від форми шляху. Неконсерватівние сили можуть здійснювати як позитивну, так і негативну роботу. До неконсервативних силам, які здійснюють негативну роботу, відносяться, наприклад, сили тертя і опору при русі тіла в рідині або газі. Це обумовлено тим, що напрям дії цих сил і напрям переміщення тіла протилежні

(DAнеконс = FнеконсdS = Fнеконсdscos180 ° =-Fнеконсds)

15. Повна механічна енергія

Зміна кінетичної енергії частинки буде визначатися роботою консервативних і неконсервативних сил:

Aконс + Aнеконс = K2 - K1 = ΔK (1)

а зміна потенційної енергії буде обумовлено тільки роботою консервативних сил:

A конс = U 1 - U 2 =-Δ U. (2)

Тоді, підставляючи (2) в (1), отримаємо

Δ K + Δ U = Δ (K + U) = A неконс. (3)

З аналізу формули (3) випливає, що робота неконсервативних сил йде на прирощення суми кінетичної і потенційної енергій частки, яку називають повною механічною енергією і позначають буквою E, т. е.

E = K + U. (4)

Отже, з (3) і (4) випливає, що приріст повної механічної енергії частки на кінцевому переміщенні з точки 1 в точку 2 дорівнює роботі неконсервативних сил:

Δ E = E 2 - E 1 = A неконс, (5)

де E1 і E2 - повні механічні енергії частки в точках 1 і 2 відповідно.

Формула (5) виражає закон зміни повної механічної енергії частинки: приріст повної механічної енергії частки на деякому шляху одно алгебраїчній сумі робіт всіх неконсервативних сил, що діють на частку на тому ж шляху.

Якщо Анеконс> 0, то повна механічна енергія частинки збільшується, якщо ж Анеконс <0, то зменшується.

Із закону зміни повної механічної енергії частки слід закон збереження цієї величини: якщо на частку не діють неконсерватівние сили або робота неконсервативних сил на будь-якому переміщенні при переході частинки з точки 1 в точку 2 дорівнює нулю, то повна механічна енергія частинки зберігається

(E 1 = E 2 = E = const), т. Е.

E = K + U = const. (6)

Вираз (6), зокрема, означає, що якщо на частку діють тільки консервативні сили, то зберігається сума кінетичної і потенційної енергій, однак при цьому може відбуватися перетворення потенційної енергії в кінетичну і навпаки.

Закон збереження повної механічної енергії у формі (6) може бути записаний і для системи частинок, не взаємодіє із зовнішніми тілами, за умови, що в системі діють тільки консервативні сили. Закон збереження енергії залишається інваріантним (форма його записи залишається тією ж самою) при зміні початку відліку часу. Це є наслідком однорідності часу.

16. РІВНЯННЯ СТАНУ. НУЛЬОВІ ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ

Закони термодинаміки описують поведінку так званих макроскопічних систем, тобто тіл (твердих, рідких або газоподібних), що складаються з великого числа частинок. Рівноважний стан макроскопічної системи повністю характеризується невеликим числом фізичних параметрів. Стан однорідних тіл повністю фіксується завданням будь-яких двох з трьох величин: тиску p, об'єму V і температури T. Зв'язок між p, V і T характерна для кожного твердого тіла, рідини чи газу, вона називається рівнянням стану. Наприклад, для ідеального газу маси m рівнянням стану є рівняння Клапейрона - Менделєєва:

pV = vRT,

де v = m / μ - число молей газу масою m (μ - молярна маса); R = 8,31 Дж / ​​(К моль) - універсальна газова стала.

В основі термодинаміки лежать фундаментальні закони (початку), які є узагальненням численних спостережень і виконуються незалежно від конкретної природи утворюють систему тел. Тому закономірності у співвідношеннях між фізичними величинами, до яких призводить термодинаміка, носять універсальний характер. Обгрунтування законів термодинаміки, їх зв'язок із законами руху часток, з яких побудовані тіла, дається статистичною фізикою, завданням якої є вираження властивостей макроскопічних тіл, тобто систем, що складаються з великої кількості частинок (молекул, атомів, електронів і т. п. ), через властивості цих частинок і їх взаємодії.

Необхідною умовою термодинамічної рівноваги в системі є рівність значень температури для всіх частин системи. Існування температури - параметра, єдиного для всіх частин системи, що перебуває в термодинамічній рівновазі, іноді називають нульовим початком термодинаміки.

17. ПЕРШЕ ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ

Існують два принципово різних способу зміни внутрішньої енергії системи: перший пов'язаний з роботою системи по переміщенню навколишніх тіл (або роботою цих тіл над системою), другий - з повідомленням системи теплоти (або з відведенням її) при незмінному розташуванні навколишніх тіл (або з роботою на мікрорівні, що здійснюється молекулами одного тіла над молекулами іншого тіла при їх зіткненні).

Перший початок термодинаміки стверджує, що кількість теплоти (тепла) dQ, повідомлене системі, йде на збільшення її внутрішньої енергії dU і на здійснення системою роботи dA, т. е.

dQ = dU + dA.

Якщо система здійснює термодинамічний цикл, тобто в кінцевому рахунку повертається в початковий стан, то зміни внутрішньої енергії не відбудеться і повна кількість тепла, повідомлене системі протягом циклу, дорівнюватиме досконалої нею роботі.

Перший початок термодинаміки представляє собою по суті закон збереження енергії для систем, в яких істотну роль відіграють теплові процеси. Це твердження еквівалентно твердженням про неможливість створення вічного двигуна 1-го роду. Вічний двигун 1-го роду - Це така машина, яка, будучи якось запущена в хід, здатна працювати невизначено довго і робити корисну роботу, не споживаючи енергії ззовні. Оскільки ні при якому перетворенні енергії не можна збільшити її кількість, а корисна робота в цьому випадку

може відбуватися тільки витрачаючи внутрішню енергію системи, то звідси і випливає неможливість створення такого двигуна.

Перший початок термодинаміки дозволяє визначити енергетичний баланс будь-якого процесу, але не вказує на напрямок протікання цього процесу.

Численні досліди показують, що на відміну від механічного руху всі теплові процеси необоротні. Це означає, що якщо реалізується якийсь термодинамічний процес, то зворотний процес, при якому система проходить ті ж термодинамічні стану, але у зворотному порядку, практично неможливий. Однак якщо створити умови, при яких система буде переходити із стану 1 в стан 2 нескінченно повільно через послідовність квазіравновесних (майже рівноважних) станів, то такий квазістатичних процес можна вважати оборотним.

18. ДРУГИЙ ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ

Німецький фізик Р. Клаузиус (1822-1888) сформулював в 1850 році другий початок термодинаміки: неможливий процес, при якому теплота переходила б мимоволі від тіл холодніших до тіл більш нагрітих. Незалежно від Клаузиуса у дещо іншій формі цей принцип сформулював в 1851 році У. Томсон: неможливо побудувати періодично діючу машину, вся діяльність якої зводилася б до скоєння механічної роботи і відповідному охолодженню теплового резервуара. Обидві формулювання другого початку термодинаміки, будучи еквівалентними, підкреслюють істотну відмінність у можливостях реалізації енергії, отриманої за рахунок зовнішніх джерел, і енергії безладного (теплового) руху часток тіла.

У 1865 році Клаузіус для визначення міри незворотного розсіювання енергії ввів в термодинаміку поняття «ентропія» (Від грец. Entrope - поворот, перетворення). Згідно Клаузиусу, приріст ентропії dS при квазістатичного процесу (нескінченно повільному процесі, коли система переходить з одного стану в інший послідовно через ланцюжок квазіравновесних станів) визначається так званої наведеної теплотою dQ / T (dQ - мала кількість теплоти, отримане системою; T - абсолютна температура ):

dS = dQ / T. (1)

Важливість поняття ентропії для аналізу необоротних (нерівноважних) процесів також була показана

вперше Клаузіусом. Для необоротних процесів приріст ентропії більше наведеної теплоти:

dS> dQ / 7. (2)

З виразів (1) і (2) безпосередньо випливає закон зростання ентропії, що визначає напрямок теплових процесів: для всіх відбуваються в замкнутій системі теплових процесів ентропія системи зростає, досягаючи максимально можливого значення в тепловій рівновазі:

Δ S ≥ 0,

де Δ S = S2 - S1 - приріст ентропії при переході системи із стану 1 в стан 2; S1 і S2 - значення ентропії в станах 1 і 2 відповідно. Дане твердження прийнято вважати кількісної формулюванням другого початку термодинаміки.

19. ТРЕТЄ ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ

У 1906 році термодинаміка збагатилася новим фундаментальним законом, відкритим німецьким фізиком В. Нернстом (1864-1941) емпіричним шляхом. Цей закон отримав назву теплової теореми Нернста, яка не може бути логічно виведена з інших почав термодинаміки, а тому її часто називають третім початком термодинаміки. Теоремі Нернста можна дати наступне формулювання: при наближенні до абсолютного нуля приріст ентропії Δ S прагне до цілком певного кінцевого межі , який не залежить від значень, які приймають всі параметри, що характеризують стан системи (наприклад, від об'єму, тиску, агрегатного стану та ін.) Теорема Нернста відноситься тільки до термодинамічно рівноважним станам систем.

Якщо умовитися ентропію всякої рівноважної системи при абсолютному нулі температури вважати рівною нулю, то всяка неоднозначність у визначенні ентропії зникне. Ентропія, визначена таким чином, називається абсолютною ентропією. Теорема Нернста може бути, отже, сформульована таким чином: при наближенні до абсолютного нуля абсолютна ентропія системи також прагне до нуля незалежно від того, які значення приймають при цьому всі параметри, що характеризують стан системи.

Зрозуміти суть теореми Нернста можна на наступному прикладі. При зменшенні температури газу буде відбуватися його конденсація і ентропія системи буде зменшуватися, так як молекули розміщуються більш впорядковано. При подальшому зменшенні температури буде відбуватися кристалізація рідини, що супроводжується ще більшою впорядкованістю розташування молекул і, отже, ще більшим убуванням ентропії. При абсолютному нулі температури всяке тепловий рух припиняється, невпорядкованість зникає, число можливих микростанів зменшується до одного і ентропія наближається до нуля.

20. ВЗАЄМОДІЯ ЗАРЯДІВ. Закон Кулона

У VII столітті до н. е.. давньогрецький філософ Фалес Мілетський описав помічену ткалями здатність бурштину, потертого про вовняну матерію, притягувати до себе деякі легкі предмети. Це відкриття було розширено лише дві з гаком тисячі років тому, у 1600 році, англійським лікарем В. Гільбертом (1540-1603), який знайшов, що аналогічне властивість набувають скло і ряд інших речовин, якщо їх потерти об шовк. Тіла, наведені в такий стан, були названі наелектризованими або дослівно «наянтареннимі», так як по-грецьки «електрон» означає бурштин.

У процесі електризації відбувається перерозподіл електричних зарядів, яким притаманні наступні фундаментальні характеристики:

1) існує два види електричних зарядів: позитивний і негативний;

2) електричний заряд квантована. Мінімальна порція заряду дорівнює заряду електрона по абсолютній величині. Отже, довільний заряд q визначається як q = ± Ne, де N - ціле число; e = 1,6 10-19 Кл - заряд електрона;

3) електричний заряд є релятивістськи інваріантним: його величина однакова в усіх інерціальних системах відліку;

4) у будь електрично ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів не змінюється. Це твердження виражає закон збереження електричного заряду.

Закон, якому підпорядковується сила взаємодії точкових зарядів, був встановлений експериментально в 1785 році французьким ученим Ш. Кулоном (17361806). Точковим зарядом називається заряджене тіло, розмірами якого можна знехтувати в порівнянні з відстанями від цього тіла до інших тіл, що несуть електричний заряд.

Відповідно до закону Кулона, сила взаємодії між двома точковими зарядами прямо пропорційна добутку величин зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними:

де F21 - сила, діюча на заряд q 2 з боку заряду г21 - відстань між зарядами;

- Одиничний вектор

; Е0 = 8,85 10-12 Ф / м - електрична постійна.

21. ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ

Взаємодія між зарядами почилих здійснюється через електричне поле. Всякий заряд змінює властивості навколишнього його простору - створює в ньому електричне поле. Це поле проявляє себе в тому, що поміщений у будь-яку його точку електричний заряд виявляється під дією сили. За величиною сили, що діє на даний заряд, можна судити про «інтенсивності» поля.

Для дослідження електричного поля заряду q скористаємося пробним зарядом q ^. Тоді сила, що діє на заряд, може бути записана у вигляді

де г0 - одиничний вектор, спрямований від заряду q до заряду q пр; r - відстань між зарядами.

З формули (1) випливає, що відношення сили F до величини пробного заряду не залежить від пробного заряду й характеризується цілком зарядом q:

Цю векторну величину E називають напруженістю електричного поля точкового заряду. Напруженість - силова характеристика електричного поля. Вона чисельно дорівнює силі, що діє на одиничний позитивний заряд, що знаходиться в даній точці. Напрямок вектора E збігається з напрямком сили, що діє на позитивний заряд. В системі СІ напруженість електричного поля має розмірність ньютон на кулон (Н / Кл) або вольт на метр (В / м). Очевидно, що про всяк точковий заряд q в точці поля з напруженістю E діятиме сила F = qE.

Напруженість поля системи зарядів дорівнює векторній сумі напруженостей полів, які створював би кожен із зарядів системи окремо. Це твердження носить назву принципу суперпозиції (накладення) електричних полів.

22. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

Проходження носіїв заряду через будь-яку уявну поверхню називають електричним струмом. Він може текти в твердих тілах (металах, напівпровідниках), рідинах (електролітах) і газах. Електричний струм обумовлений впорядкованим рухом заряджених частинок. За напрямок струму умовно приймають напрямок руху позитивних зарядів. Електричний струм характеризується силою струму. Сила струму є скалярна величина, чисельно рівна кількості електрики, переносимого через поперечний переріз провідника за одиницю часу:

де I - сила струму; dq - нескінченно малий заряд, що пройшов через поперечний переріз провідника за нескінченно малий проміжок часу dt.

Якщо за будь-які рівні проміжки часу через будь-який перетин провідника проходить однакову кількість електрики і напрямок руху зарядів не змінюється, то такий струм називається постійним і тоді

де т - проміжок часу, за який через поперечний переріз провідника пройшов заряд q.

В системі СІ одиниця сили струму є основною. Вона носить назву ампера (А) і визначається з взаємодії двох струмів. З рівності (2) випливає визначення кулона - одиниці заряду: [q] = [I] [τ] = А • с = Кл.

23. ЗАКОН ОМА

У металах електричний струм визначається рухом електронів, обумовленим дією на них сил з боку електричного поля. У 1826 році Г. Ом (1787-1854) експериментально встановив закон, що зв'язує між собою силу струму, напругу та опір ділянки кола. Відповідно до закону Ома, сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі U і обернено пропорційна опору R провідника:

Для однорідного провідника (в якому на заряди діють тільки електростатичні сили) напруга дорівнює різниці потенціалів на кінцях провідника:

U = φ1 - φ2.

Напруга в даному випадку чисельно дорівнює роботі з переміщення одиничного позитивного заряду силами електростатичного походження від точки з потенціалом q 1 до точці з потенціалом q 2.

У разі неоднорідного провідника (коли на електричні заряди крім електростатичних сил діють сторонні (не електростатичного походження) сили) напруга на провіднику крім різниці потенціалів включає ще й електрорушійну силу (ЕРС):

U = φ1 - φ2 + Ε12,

де Ε12 - ЕРС, яка діє в провіднику між точками 1 і 2. Електрорушійна сила чисельно дорівнює роботі сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду з даного провідника. Сторонні сили можуть мати різне походження: в генераторах напруги - це сили з боку вихрового електричного (але не електростатичного) поля, що виникає при зміні магнітного поля з часом, або це сила Лоренца, що діє з боку магнітного поля на електрони в рухомому металевому провіднику; в гальванічних елементах і акумуляторах - це звані умовно «хімічні» сили і т. д.

Електричний опір R є по суті коефіцієнтом пропорційності між напругою на провіднику і струмом, що протікає через нього. В системі СІ воно вимірюється в Омаха (Ом). З рівняння (1) випливає, що розмірність ома буде

24. МАГНІТНО сила Лоренца

Експериментальні дослідження поведінки електричного заряду в магнітному полі показали, що на заряд, що рухається в магнітному полі, діє сила, яку назвали магнітною силою або силою Лоренца РЛ. Вона визначається зарядом q, його швидкістю руху v і силовий характеристикою магнітного поля, званої магнітною індукцією B, в точці, де знаходиться заряд в даний момент часу. Виявляється, що

FЛ = qvB sin α, (1)

де a - кут між векторами v і B. Формула (1) може бути використана для визначення модуля і розмірності індукції магнітного поля, а саме:

B = F Л (qv sin α). (2)

З формули (2) безпосередньо випливає, що величина B вимірюється в Н / (А м). Цією одиниці присвоєно найменування «тесла», яка в системі СІ позначається літерою Т.

З урахуванням векторного характеру величин, що входять у формулу (1), матимемо

FЛ = q [vB].

Сила спрямована перпендикулярно площині, в якій лежать вектори v і B.

Якщо є одночасно електричне і магнітне поля, то сила, що діє на рухому заряджену частинку, дорівнює сумі сили Кулона РКул і сили Лоренца РЛ:

F = FКул + FЛ = qΕ + q [VB].

Це вираз було отримано з досвіду Лоренцем, і величина F носить назву узагальненої сили Лоренца.

Між електрикою і магнетизмом є глибокий зв'язок, суть якої розкриває теорія відносності. Поділ на електричне і магнітне поля носить лише відносний характер. Проілюструємо це таким прикладом. Нехай в деякій інерціальній системі відліку К заряд q нерухомий. Тоді він створює електричне поле, а магнітне поле відсутнє. В іншій інерціальній системі відліку K ', що рухається щодо К-системи зі швидкістю v, заряд q рухається зі швидкістю V = - v і, отже, створює не тільки електричне поле, а й магнітне поле індукції B.

25. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ

У разі коли? (Напруженість електричного поля) і B (індукція магнітного поля) залежать тільки від часу і координати x, вони мають вигляд

Ε = Εm cos (ωt - kx),

B = B m cos (ωt - kx),

де Εm і B m - амплітуди напруженості електричного і індукції магнітного полів відповідно; ω = 2π / T - частота коливань (T - період коливань); k = 2π / λ - хвильове число (λ - довжина хвилі).

З (1) безпосередньо випливає, що має місце поширення електромагнітної хвилі, так як зміни векторів Ε і B відбуваються за законом косинуса, аргумент якого залежить лінійно від часу і координати. Якщо зафіксувати координату і подивитися, як змінюється Ε з часом, то можна переконатися, що ці зміни відбуваються за законом косинуса з періодом T (рис. 1, а). А якщо миттєво сфотографувати в момент часу t розподіл векторів Ε і B вздовж координати x , то можна переконатися, що ці вектори змінюються по координаті також за законом косинуса з періодом, рівним довжині хвилі λ (рис. 1, б).

Електромагнітна хвиля є поперечною, оскільки коливання векторів Ε і B відбуваються у напрямках, перпендикулярних до напрямку поширення, причому ці вектори перпендикулярні один одному і утворюють з вектором швидкості v поширення хвилі праву гвинтову трійку.

Рис. 1. Тимчасова залежність напруженості електричного поля (а) і координатна залежність векторів напруженостей електричного і магнітного полів (б)

26. ХВИЛЬОВА ОПТИКА

Хвильова оптика - Це розділ фізики, що вивчає сукупність явищ, в яких проявляється хвильова природа світла, тобто світло розглядається як електромагнітна хвиля. Питання про те, що таке світло, цікавив людини здавна, і в міру накопичення експериментальних даних про його властивості змінювалися і уявлення про нього. Розглянемо еволюцію поглядів на природу світла.

1. Піфагор (VI століття до н. Е..) Вважав, що предмети стають видимими завдяки найдрібніших частинок, що випускаються ними і потрапляє в око спостерігача.

2. Декарт (XVII століття) думав, що світло - це стиснення, що розповсюджується в ідеальній пружною середовищі (ефірі), що заповнює світовий простір і проміжки між частинками тел.

3. Ньютон (бл. 1670 р.) висловив припущення про те, що світло має корпускулярну природу.

4. Гюйгенс (бл. 1678) зробив спробу пояснити поширення, відображення і заломлення світла з точки зору хвильової теорії.

5. Завдяки роботам Юнга, Френеля та інших вчених з інтерференції і дифракції світла (1802-1850 рр.). Чаша терезів схилилася на користь хвильової природи світла.

6. Максвелл (60-ті роки XIX століття) прийшов до висновку, що світло - це електромагнітні хвилі.

7. Планк (1900 р.), вивчаючи спектральну щільність випромінювання абсолютно чорного тіла, висунув гіпотезу про те, що світло випромінюється порціями - квантами; пояснення фотоефекту, зроблене Ейнштейном (1905 р.), було засновано на тому, що світло не тільки

випромінюється, але й поширюється і поглинається також квантами. Частинки світла, енергія яких квантована, пізніше були названі фотонами.

Отже, світло, з одного боку, виявляє хвильові властивості (інтерференція і дифракція), а з іншого - корпускулярні (випромінювання, фотоефект тощо), тобто існує корпускулярно-хвильовий дуалізм природи світла.

27. Інтерференція світла

Явище накладання хвиль з утворенням стійкої картини максимумів і мінімумів називається інтерференцією світла.

Перший демонстраційний експеримент зі спостереження інтерференції світла був поставлений в 1802 році англійським фізиком Т. Юнгом (1773-1829). Досвід Юнга виконується таким чином. Спочатку світло направляється на непрозору перешкоду П1 з вузькою щілиною (рис. 1), потім світло, що пройшло через цю щілину, падає на другу непрозору перешкоду П2 вже з двома вузькими, близько розташованими щілинами, які фактично є джерелами світла з високим ступенем когерентності. Світло від цих двох щілин потрапляє на екран Е, на якому і спостерігається інтерференційна картина, що складається з чергуються смуг різної інтенсивності.

Максимуми інтенсивності знаходяться в тих областях екрану, для яких оптична різниця ходу кратна цілому числу довжин хвиль, а саме Δ = S2 - S1 = ± mλ, де S1 і S2 - оптичний шлях першої та другої хвилі відповідно, λ - довжина хвилі світла, m = 0, 1, 2, 3, ... Це означає, що коливання векторів напруженості електричного поля в даній області екрана синфазних і, отже, інтенсивність світла буде мати максимальне значення.

Мінімуми інтенсивності є там, де оптична різниця ходу кратна напівцілим числу довжин хвиль, тобто Δ = ± (m + 1 / 2) λ. У цьому випадку коливання векторів напруженості електричного поля відбуваються в протифазі і хвилі гасять один одного.

Рис. 1. Схематичне зображення установки для проведення досліду Юнга з інтерференції світла і розподіл інтенсивності світла I на екрані

28. Дифракції світла

Дифракцією називається сукупність явищ, які спостерігаються в середовищі з різкими неоднорідностями (межі непрозорих або прозорих тіл) і пов'язаних з відхиленнями від законів геометричної оптики. Дифракція, зокрема, призводить до огибания світловими хвилями перешкод і проникненню світла в область геометричної тіні.

Спостереження дифракції здійснюється звичайно за такою схемою. На шляху світлової хвилі, що поширюється від деякого джерела, міститься непрозора перепона, що закриває частину хвильової поверхні світлової хвилі. За перепоною розташовується екран, на якому за певних умов виникає дифракційна картина. Розглянемо як приклад дифракцію від щілини, коли хвильова поверхня обмежена двома півплощини, розташованими на відстані b один від одного.

Якщо екран розташовується близько від щілини, то, як показує досвід і теоретичні розрахунки, при виконанні умови b2 / (/ λ)>> 1 (/ - відстань від щілини до екрана; λ - довжина хвилі світла) на екрані буде спостерігатися чітке зображення щілини, тобто в цьому випадку буде виконуватися закон прямолінійного поширення світла. При збільшенні відстані від щілини до екрана, коли починає виконуватися умова b2 / (/ λ) ~ 1, кордон світла й тіні на зображенні щілини стає розмитою, а розподіл інтенсивності світла в центральній частині зображення щілини стає неоднорідним - з'являються мінімуми і максимуми інтенсивності. Це означає, що дифракція світла починає грати істотну роль

і закони геометричної оптики перестають працювати. Дифракція світла, що має місце при виконанні зазначеної умови, носить назву дифракції Френеля.

При подальшому збільшенні /, коли починає виконуватися умова b2 / (/ λ) <<1, в кожну точку на екрані приходять майже паралельні промені від хвильової поверхні в області щілини і дифракційна картина набуває інший вигляд: вона має чітко виражену систему максимумів і мінімумів, глибоко заходять в область геометричної тіні. Дифракцію, що виникає при цьому умови, називають дифракцією Фраунгофера.

29. Корпускулярно-ХВИЛЬОВИЙ Дуалізм СВІТЛА

Вивчення явищ інтерференції, дифракції, поляризації електромагнітних хвиль (упорядкування коливань векторів напруженостей електричного і магнітного полів) і дисперсії світла (кола явищ, в яких важливу роль відіграє залежність показника заломлення середовища від довжини хвилі) призвело, як це могло здатися, до остаточного затвердження хвильової теорії світла. Однак при дослідженні теплового випромінювання енергії нагрітими тілами, фотоелектричного ефекту (випускання електронів речовиною під дією електромагнітного випромінювання), розсіяння рентгенівського випромінювання речовиною було встановлено, що пояснити ці явища в рамках електромагнітної теорії Максвелла не вдається.

Дозволити ці суперечності вдалося завдяки сміливою гіпотези, висловленої в 1900 році німецьким фізиком М. Планком, згідно з якою випромінювання світла відбувається не безперервно, а дискретно, тобто певними порціями (квантами), енергія яких визначається частотою v:

ε = hν, (1)

де е - енергія кванта; h = 6,63 10-34 Дж • с - постійна Планка (квант дії), що є однією з універсальних постійних у фізиці.

Розвиваючи ідею Планка, Ейнштейн у 1905 році висунув гіпотезу про те, що світло не тільки випромінюється квантами, але поширюється і поглинається квантами, і на її основі пояснив фотоефект. З квантами світла стали асоціювати реальні елементарні частинки, які були названі в 1929 році американським фізико-хіміком Г. Льюїсом (1875-1946) фотонами. Фотон є особливою часткою, так як на відміну від інших часток (електронів, протонів і т. п.) він існує тільки в русі, причому швидкість його руху дорівнює швидкості світла. Маса фотона дорівнює нулю. Енергія фотонів визначається формулою Планка (1), а імпульс

p = h / λ, (2)

де p - імпульс фотона; λ - довжина хвилі.

Досліджуючи процеси випромінювання, Ейнштейн у 1909 році встановив, що світло одночасно має і корпускулярними, і хвильовими властивостями, тобто світла фактично притаманний корпускулярно-хвильовий дуалізм (двоїстість), який не можна пояснити з позицій класичної фізики. Таким чином, можна сказати, що світло являє собою єдність протилежних властивостей - корпускулярного (квантового) і хвильового (електромагнітного), дискретного і безперервного. До корпускулярним параметрами, які характеризують світло, належать енергія і імпульс, а до хвильовим - частота і довжина хвилі. Корпускулярні і хвильові параметри пов'язані між собою через співвідношення (1) і (2).

30. ПРИНЦИП додатковості Бора

У 1927 році Бор сформулював принципове положення квантової механіки - принцип додатковості, згідно якої одержання експериментальної інформації про одні фізичних величинах, що описують мікрооб'єкт (елементарну частинку, атом, молекулу), неминуче пов'язане із втратою інформації про деякі інші величинах, додаткових до перших. Такими взаємно додатковими величинами є, наприклад, координата частинки і її імпульс (або швидкість), потенційна і кінетична енергії та ін

Розглянемо простий приклад, який добре ілюструє принцип додатковості. Бор звернув увагу на дуже простий і зрозумілий факт: координату і імпульс мікрочастинки не можна виміряти не тільки одночасно, але і за допомогою одного і того ж приладу. Справді, щоб виміряти імпульс мікрочастинки і при цьому не дуже сильно його змінити, необхідний дуже легкий рухливий прилад. Але саме ця рухливість призводить до того, що при попаданні в такий прилад мікрочастинки його положення буде досить невизначено. Для вимірювання координати ми повинні взяти інший, дуже масивний прилад, який не зрушить з місця при попаданні в нього мікрочастинки. Але в цьому випадку відбудеться зміна імпульсу мікрочастинки, яке прилад навіть не помітить. Це найпростіша експериментальна ілюстрація до співвідношення невизначеностей Гейзенберга: не можна в одному і тому ж досвіді визначити обидві характеристики мікрооб'єкта - координату і імпульс. Для цього необхідні два виміри і два принципово різних приладу, властивості яких доповнюють один одного.

Відповідно до принципу додатковості хвильовий і корпускулярне опису мікропроцеси не виключають і не замінюють, а доповнюють один одного. Для формування уявлення про мікрооб'єкті необхідний синтез цих двох описів.

Квантовий об'єкт - це не частка і не хвиля, і навіть не те й інше одночасно. Квантовий об'єкт - це щось третє, нерівний простої суми властивостей хвилі і частинки (точно так само, як мелодія - більше, ніж сума складових її звуків). Це квантове «щось» не дано нам у відчуття, проте воно, безумовно, реально. У нас немає органів почуттів, щоб цілком уявити собі властивості цієї реальності. Однак сила нашого інтелекту, спираючись на досвід, дозволяє все-таки її пізнати.

31. РІВНЯННЯ Е. Шредінгер

Розвиваючи ідеї про хвильових властивості матерії, австрійський фізик-теоретик Е. Шредінгер (18871961) в 1926 році відкрив основне рівняння квантової механіки, що описує поведінку мікрочастинок. Воно має вигляд

де т - маса частинки;

оператор Лапласа, дія якого зводиться до отримання другого приватних похідних функції по координатах; Ψ = Ψ (х, у, z; t) - хвильова функція, що є рішенням рівняння Шредінгера, яку іноді називають «пси» - функцією; U = U (x , у, z) - потенційна енергія;

- Уявна одиниця.

Рівняння Шредінгера не може бути виведено з інших співвідношень, воно постулюється. Його справедливість підтверджується тим, що випливають з нього слідства узгоджуються з експериментальними фактами, що надає йому сенс закону природи.

В даний час розроблений математичний апарат, що дозволяє розв'язувати рівняння Шредінгера для різних мікрочастинок, наприклад для електронів в атомах, молекулах і в різних речовинах. Вирішити рівняння Шредінгера - означає знайти хвильові функції електронів і їх енергетичний спектр (дозволені значення енергії). Знаючи хвильові функції, можна розрахувати ймовірність знаходження електрона в області, що цікавить простору з урахуванням того, що квадрат модуля хвильової функції є ймовірність знаходження електрона в одиничному об'ємі простору.

Як приклад розглянемо поведінку електрона в найпростішому атомі - атомі водню. На рис. 1 зображено розподіл радіальної щільності ймовірності основного стану електрона (ймовірність знайти електрон в кульовому шарі одиничної товщини), отримане з рішення рівняння Шредінгера.

Рис. 1. Розподіл радіальної щільності ймовірності електрона в основному стані в атомі водню - радіус борівської орбіти)

32. Релятивістської квантової ФІЗИКА. ФІЗИЧНИЙ ВАКУУМ

Англійський фізик П. Дірак (1902-1984) в 1928 році отримав формулу для енергії електрона, якої задовольняли два рішення: одне рішення давало відомий електрон з позитивною енергією, інше - невідомий електрон-двійник, але з негативною енергією. Енергія вільної частинки має вигляд

де E, m і p - енергія, маса та імпульс частинки відповідно; c - швидкість світла у вакуумі.

Для покоїться частки її енергія, звана енергією спокою, дорівнює E = ± mc2. Інтервал енергій - mc2 <E <mc2 є «забороненим». У квантовій теорії поля стан частинки з негативною енергією інтерпретується як стан античастинки, що володіє позитивною енергією, але протилежним електричним зарядом.

Дірак запропонував модель «електронно-позитронного вакууму», згідно якої в кожній точці простору існують в «віртуальному» («не спостерігаються») стані електрони і позитрони, які можуть з'являтися і зникати лише парами. Народження пари може відбуватися як під дією енергії фотона, так і віртуально, коли пара, проіснувавши недовго, знищується - анігілює. А сам вакуум визначений як фізичний, в даному випадку фотонний, вакуум - нижчу енергетичне стан квантованного електромагнітного поля, що характеризується відсутністю будь-яких реальних часток. Енергія фізичного вакууму в середньому дорівнює нулю, але в ньому постійно відбуваються флуктуації, що приводять до народження віртуальних електронно-позитронного пар. Існування фізичного вакууму, в якому постійно народжується і зникає величезна кількість віртуальних частинок і античастинок, вважається експериментально доведеним.

З сучасної точки зору фізичний вакуум являє собою сукупність квантових полів, що характеризують всі види фундаментальних взаємодій і знаходяться в нижчих енергетичних станах. Фізичний вакуум не є порожнім: у ньому постійно народжуються і тут же гинуть різні віртуальні пари, кожна з яких складається з елементарної частинки і відповідної їй античастинки. Всі матеріальні об'єкти в тій чи іншій мірі взаємодіють з фізичним вакуумом.

33. АТОМ З ТОЧКИ ЗОРУ КВАНТОВОЇ ТЕОРІЇ

Атоми, як відомо, складаються з важкого позитивно зарядженого ядра і легких негативно заряджених електронів і фактично являють собою квантову систему. У зв'язку з цим для опису будови електронних оболонок атома та їх поведінки в зовнішніх електричних і магнітних полях, при поглинанні і випромінюванні електромагнітної енергії, при взаємодії з іншими матеріальними об'єктами використовуються закони квантової механіки. Знайти можливі значення енергії електронів і їх просторовий розподіл в атомі вдається за допомогою рівняння Шредінгера.

Найпростішим атомом для вирішення квантово-механічної задачі є атом водню, так як він містить всього один електрон. Рішення рівняння Шредінгера (хвильові функції) для атома водню не вдається виразити через елементарні математичні функції, тому ці рішення будемо характеризувати якісно. Вираз для можливих значень енергії електрона в атомі водню має простий і наочний вид

де E n - енергія електрона на n-му рівні; e - заряд електрона по модулю; m - маса електрона; п = 1, 2, 3, 4, ... - головне квантове число.

З аналізу виразу для енергії електрона випливає, що енергія квантована, вона може приймати лише цілком певні дискретні значення, відповідні квантовому числу п. Енергія електрона в атомі має від'ємне значення, так як електрон знаходиться у зв'язаному стані, через взаємодію з ядром він не може покинути атом. Основному станом атома водню відповідає п = 1. Якщо атом поглинає фотон, то енергія електрона збільшується (зменшується за модулем), він переходить в стан з великим значенням квантового числа n. При випромінюванні фотона атомом, що знаходяться у збудженому стані, енергія електрона зменшується і він переходить в стан з меншим значенням п.

Рішення рівняння Шредінгера для багатоелектронних атомів показують, що ніяких принципових відмінностей в хвильових функціях електронів, а отже, і в просторовому розподілі щільності ймовірності в таких атомах і в атомі водню немає. Енергія електронів також має дискретні значення. Деякі відмінності, наявні в хвильових функціях і енергіях електронів, обумовлені електрон-електронними взаємодіями.

34. МОЛЕКУЛИ З ТОЧКИ ЗОРУ КВАНТОВОЇ ТЕОРІЇ

При зближенні атоми, починаючи з деяких відстаней, будуть взаємодіяти між собою. Хвильові функції найбільш віддалених від ядра електронів починають перекриватися, що призводить до появи сил тяжіння або відштовхування. Під дією сил тяжіння атоми будуть об'єднуватися в молекули. Молекула - Найменша частка речовини, що володіє його основними хімічними властивостями і складається з атомів, з'єднаних між собою хімічними зв'язками.

У найзагальнішому вигляді причина виникнення хімічного зв'язку полягає в зниженні електронної енергії утворюється молекули порівняно із сумою електронних енергій вихідних атомів. Електронна енергія молекули визначається взаємодією кожного електрона з кожним електроном, кожного ядра з кожним ядром і кожного електрона з кожним ядром. Хоча всі електронні взаємодії в молекулах носять звичайний електростатичний характер, тобто за своєю природою є кулоновскими, але внаслідок хвильових властивостей електронів представляють собою взаємодії не точкових зарядів, а електронних хмар. Ця обставина автоматично враховується при вирішенні рівняння Шредінгера. Електронна енергія молекули, так само як і електронна енергія атомів, має дискретні значення. Однак повна енергія молекули, на відміну від повної енергії атома, включає в себе не тільки електронну енергію, але й енергії коливального руху ядер та обертального руху молекули щодо її центру мас, які також є квантованими. Це необхідно враховувати при аналізі молекулярних спектрів випромінювання і поглинання.

35. ОСНОВНІ ТИПИ ХІМІЧНИХ і міжмолекулярних зв'язків. Іонний зв'язок

Атоми в молекулах і кристалах утримуються майже повністю силами електростатичного притягання між негативно зарядженими електронами і позитивно зарядженими ядрами. Роль сил магнітного походження дуже незначна, а гравітаційними силами взагалі можна знехтувати. Взаємодія атомів, що виникає в результаті часткового або повного усуспільнення електронів і супроводжується зменшенням повної енергії молекул і кристалів в порівнянні з повною енергією їх атомів у вільному стані, коли атоми віддалені один від одного на нескінченні відстані, називається хімічним зв'язком, а різниця цих двох енергій - енергією хімічного зв'язку.

Розрізняють такі основні типи хімічних зв'язків:

1) іонна, або гетерополярность;

2) ковалентний, або гомеополярная;

3) металева.

До основних типів міжмолекулярних зв'язків відносять зв'язок Ван дер Ваальса і водневий зв'язок. Коротко розглянемо кожен з названих типів зв'язків.

Іонна зв'язок обумовлена ​​електростатичним взаємодією протилежно заряджених іонів. До числа молекул з іонним зв'язком можна віднести хлориди калію, натрію, оксид магнію та інше, а також кристали з аналогічним хімічним складом. За рахунок електростатичного притягання іони зближуються, їх зовнішні електронні оболонки починають перекриватися (рис. 1), що призводить до виникнення сил відштовхування.

Рис. 1. Область перекриття іонів K + і Cl-, апроксимовані сферами різко обмежених радіусів в молекулі KCl

Відштовхування пояснюється взаємодією електронних оболонок іонів з урахуванням принципу Паулі. Цей тип відштовхування є основним у всіх молекулах, крім найлегших (наприклад, H2). Відштовхування пов'язано також з електростатичною взаємодією ядер, але для всіх молекул, за винятком найлегших, воно не є основним. На деякій відстані між ядрами сили тяжіння врівноважуються силами відштовхування, при цьому енергія молекули приймає мінімальне значення, що відповідає стійкому стану молекули.

36. Ковалентний зв'язок

Ковалентний зв'язок здійснюється за допомогою усуспільнення двох валентних електронів (по одному від кожного з двох сусідніх атомів в молекулі). Пара усуспільнених електронів належить одночасно двом атомам молекули. Електрони, що утворюють зв'язок, прагнуть до часткової локалізації в просторі між двома атомами, з'єднаними цим зв'язком. У цьому сенсі ковалентний зв'язок характеризується явно вираженим властивістю спрямованості. Це добре видно на прикладі молекули метану CH4 (рис. 1). У атома вуглецю чотири валентних (зовнішніх) електрона, а кожен з атомів водню має один електрон. Ці вісім електронів зосереджені головним чином уздовж прямих, що з'єднують протони (ядра атома водню) з ядром атома вуглецю.

До утворення ковалентних зв'язків мають тенденцію атоми III, IV та V груп періодичної системи елементів. Так, вуглецю, кремнію та германію не вистачає чотирьох електронів до заповнення їх електронних оболонок, і тому атоми цих елементів можуть притягатися в основному за рахунок перекриття оболонок. До речовин з яскраво вираженою ковалентним зв'язком відносяться кристали алмазу, кремнію, карбіду кремнію, арсеніду галію та ін

Якщо кристали з ковалентним і іонним типами зв'язку розглядати як граничні випадки, то між ними є ряд кристалів, що володіють проміжними типами зв'язку.

Рис. 1. Геометрія молекули метану. Ядра водню розташовані в вершинах правильного тетраедра, або у чотирьох з восьми вершин куба. Електрони сконцентровані вздовж прямих «вуглець - водень»

37. МЕТАЛЕВА ЗВ'ЯЗОК. ЗВ'ЯЗОК ВАН ДЕР Ваальса

Металева зв'язок реалізується в кристалах різних металів і не має аналога в двоатомних молекулах. У металевих кристалах атоми розташовані настільки близько, що хвильові функції зовнішніх електронів суттєво перекриваються. Внаслідок цього валентні електрони отримують можливість переходити від одного атома до іншого і можуть досить вільно переміщатися по всьому об'єму кристала. Таким чином, валентні електрони в металі не можна вважати пов'язаними з одним або кількома іонами металу, вони є загальними для всього об'єму металу. Тому валентні електрони в металах прийнято називати «усуспільненими» або «колективізованою».

Вільно переміщаються електрони в металі багато в чому нагадують молекули газу, що знаходиться в посудині. Тому для позначення сукупності вільних валентних електронів усередині металевого кристала використовується термін «електронний газ». Електронний газ, що несе негативний заряд, пов'язує в міцну систему позитивно заряджені іони металу. Без «цементуючого» дії електронного газу однойменно заряджені іони металу повинні були б віддалятися один від одного під дією кулонівських сил відштовхування, що призвело б до руйнування кристала. Таким чином, під впливом двох протилежних сил - «стягуючого» дії колективізованих електронів і сил відштовхування між іонами - останні розташовуються на певній відстані один від одного, відповідному мінімуму енергії системи.

Зв'язок Ван дер Ваальса - Це зв'язок між атомами або молекулами, обумовлена ​​взаємодією їх електричних дипольних моментів. Вандерваальсови сили взаємодії виникають між полярними молекулами, що володіють постійними дипольними моментами (такими як H2O, HCl і т. д.), за рахунок поляризації неполярних молекул полярними, а також за рахунок створення миттєвих дипольних моментів. Миттєві дипольні моменти створюються завдяки тому, що електрони і ядра в атомах і неполярних молекулах знаходяться в постійному русі. Внаслідок цього центри негативних і позитивних зарядів, взагалі кажучи, не збігаються. В результаті створюється миттєвий дипольний момент в атомі або молекулі, який своїм електричним полем поляризує сусідній атом або молекулу, а це означає появу другого диполя. Взаємодія диполів приводить до зближення атомів або молекул, у результаті електронні оболонки починають перекриватися і взаємодіяти, що призводить до появи сил відштовхування, що компенсують сили тяжіння. Це створює умови утворення кристалів з нейтральних атомів (наприклад, з інертних газів) або неполярних молекул.

38. Водневий зв'язок

Атом водню має лише один електрон, отже, він повинен володіти однією зв'язком, що дозволяє йому вступати в з'єднання лише з яким-небудь одним атомом іншого сорту. Однак при деяких умовах атом водню може бути пов'язаний значними силами тяжіння одночасно з двома атомами, утворюючи тим самим так звану водневу зв'язок між ними. Прийнято вважати, що воднева зв'язок має в основному іонний характер, оскільки вона виникає лише між найбільш електронегативними атомами, зокрема між атомами фтору, кисню та азоту. У граничному випадку, коли воднева зв'язок носить чисто іонний характер, атом водню втрачає свій єдиний електрон і, віддаючи його одному з двох атомів молекули, перетворюється в протон, який і здійснює зв'язок між атомами. Малі розміри протона не дозволяють йому мати найближчими сусідами більш ніж два атома; атоми настільки сильно зближені, що на такій малій ділянці не можуть поміститися більше двох атомів. Таким чином, воднева зв'язок здійснюється тільки між двома атомами (рис. 1).

Водневий зв'язок є найважливішою формою взаємодії між молекулами Н2О і обумовлює разом з електростатичним притяганням електричних дипольних моментів дивовижні фізичні властивості води і льоду. Водневий зв'язок відіграє важливу роль у хімічних і біологічних процесах: забезпечує полімеризацію фтористоводнева сполук, визначає розміри і геометричну структуру білкових молекул, обумовлює почасти можливість спарювання двох спіралей молекули ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти).

Рис. 1. Приклад водневого зв'язку між іонами фтору в HF2-Показаний граничний випадок, коли зв'язок здійснюється за допомогою протона

39. МОДЕЛЬ Роздувати ВСЕСВІТУ ГУТА

У 1980 році американський вчений А. Гут (нар. 1947) висловив припущення про те, що рання Всесвіт пережила період дуже швидкого розширення. Це розширення називають роздуванням або інфляцією (від лат. Inflatio - здуття), маючи на увазі, що якийсь час розширення Всесвіту відбувалося з усе зростаючою швидкістю.

Гут припускав, що Всесвіт виник в результаті Великого вибуху в дуже гарячому, але досить хаотичному стані. Високі температури означають, що частинки у Всесвіті повинні були дуже швидко рухатися і мати великі енергії. При таких високих температурах сильне, слабке і електромагнітне взаємодії повинні були всі об'єднатися в одне. У міру розширення Всесвіту вона охолоджувалася і енергії частинок зменшувалися. Це призвело до своєрідного фазового переходу і симетрія сил була порушена: сильна взаємодія початок відрізнятися від електрослабкої (слабке і електромагнітне представляли собою ще єдине взаємодія).

Такий перехід аналогічний фазового переходу при замерзанні води. Рідке стан води симетрично, тобто вода однакова в усіх точках і у всіх напрямках. При утворенні кристалів льоду з'являються виділені напрями і симетрія води порушується. Якщо охолоджувати воду дуже обережно, то її можна «переохолодити», тобто охолодити нижче точки замерзання (0 С) без утворення льоду.

Гут припустив, що Всесвіт міг поводитися схожим чином: її температура могла впасти нижче критичного значення без порушення симетрії сил. При цьому Всесвіт виявляється в нестабільному стані з енергією, що перевищує ту, яку вона мала б при порушенні симетрії. Ця особлива додаткова енергія призводить до антигравітаційного дії аналогічно дії космологічної постійної, яку Ейнштейн ввів у загальну теорію відносності, намагаючись побудувати статичну модель Всесвіту. Оскільки відштовхування в цей час перевищує гравітаційне тяжіння, Всесвіт повинен розширюватися (роздуватися) з усе зростаючою швидкістю.

Можна очікувати, що при роздуванні зрештою порушується симетрія сил, так само як холодна вода в кінці кінців замерзає. Тоді зайва енергія стану з непорушеною симетрією повинна виділитися, і за рахунок цього Всесвіт розігріється до температури ~ 1029 К. У результаті такого фазового переходу припиняють діяти сили відштовхування, а Всесвіт хоча і продовжує розширюватися, але розширюється вже з уповільненням швидкості. З цього моменту Всесвіт починає еволюціонувати так, як це передбачає модель «гарячого Всесвіту» Гамова.

40. Галактик і скупчень галактик

Галактики являють собою стаціонарні гравітаційно-зв'язані зоряні системи. Зоряна система, в яку входить наше Сонце, - Галактика, або Чумацький Шлях (від грец. Galaktikos - молочний, молочний), - містить приблизно лютого 1011 зірок, серед яких 7-20 млрд білих карликів, близько 1 млрд нейтронних зірок, близько 30 млрд червоних карликів, а її маса дорівнює 2,5 • 1011 мас Сонця, діаметр - близько 105 світлових років, приблизний вік - 13 млрд років.

В центрі нашої Галактики, як показали недавно проведені дослідження американських астрономів за допомогою космічного телескопа ім. Хаббла, знаходиться надмасивна чорна діра. Надмасивні чорні діри виявлені і в центрах багатьох інших галактик. Ці факти дозволяють уточнити модель освіти галактик. Спочатку при гравітаційному стисненні газової хмари, що складається в основному з водню і гелію, могла утворитися чорна діра, яка, продовжуючи стягувати на себе сусідні області газової хмари, перетворилася в надмасивну чорну діру. З віддаленої від чорної діри частини газової хмари внаслідок гравітаційного стиснення його окремих областей утворилися зірки.

Надмасивні чорні діри в деяких галактиках, таких як Чумацький Шлях або Туманність Андромеди, перебувають у спокійному, «неактивному» стані. Такі чорні діри стягнули на себе всі або майже все доступне їм космічне речовина. Найближчі до них зірки рухаються по стаціонарних орбітах з великою швидкістю, завдяки чому сила

гравітаційного тяжіння з боку надмасивної чорної діри врівноважується відцентровою силою інерції. В галактиках, в яких надмасивні чорні діри знаходяться в активному стані, поглинаючи оточує їх космічне речовина, спостерігається потужне електромагнітне випромінювання, що виходить з центральних областей таких галактик.

Наша Галактика входить в так звану Місцеву Групу галактик, що знаходиться на периферії ще більшого галактичного освіти - Сверхскопления галактик, утвореного приблизно з 10 тис. галактичних об'єктів, що має діаметр близько 40 Мпк і повільно обертається навколо потужного центрального згущення галактик в сузір'ї Діви. Найближчі до нашого Сверхскопления сусідні сверхскопления галактик розташовуються в сузір'ях Лева і Геркулеса на відстанях відповідно 87 і 100 Мпк. Всього у Всесвіті виявлено близько 50 таких галактичних сверхскоплений, що утворюють ще один ієрархічний рівень її структури, по всій видимості, далеко не самий верхній.

Галактики вельми різноманітні. Половина з них має спіральну структуру, майже чверть - еліптичну, решта - це неправильні, у тому числі взаємодіючі галактики, зазвичай подвійні, між якими спостерігаються мости і перемички світлою або темної матерії.

41. СОНЯЧНА СИСТЕМА

Сонце є рядовий жовтої зіркою, вік якої близько 5 млрд років. Воно прожило вже приблизно половину відпущеного йому терміну активного існування. Сонце розташоване в периферійній частині нашої Галактики, на відстані приблизно 25 тис. світлових років від галактичного центру. Радіус Сонця дорівнює 696 тис. км, його маса дорівнює 1,99 1030 кг. Середня щільність речовини Сонця складає 1,41 г/см3, а щільність в центрі Сонця - близько 100 г/см3. Хімічний склад Сонця по масі: приблизно 70% водню, 27% гелію і 3% інших елементів. Дозвездного речовина, з якої формувалася Галактика, складалося з 75% водню і 25% гелію. Зараз у міжзоряному газі за масою водень має 70%, гелій - 28%, інші елементи - 2%. Температура на поверхні Сонця близько 6 тис. градусів, в його центральній частині - приблизно 16 млн градусів.

Сонце є космічним тілом, об'єднуючим велика кількість різних космічних об'єктів в так звану Сонячну систему, в яку входять 8 планет зі своїми супутниками, близько 40 тис. астероїдів, комети, метеорити, космічні пил і газ. Радіус Сонячної системи дорівнює 4,5 млрд км, він збігається з середнім відстанню від Сонця до найдальшої планети - Нептуна.

Орбіти планет Сонячної системи, що обертаються навколо Сонця, лежать приблизно в одній площині. Виходячи з фізичних характеристик, планети Сонячної системи прийнято ділити на дві групи:

1) планети земного типу - Меркурій, Венера, Земля і Марс; мають порівняно невеликі розміри

і відносно високу середню щільність утворить їх речовини (близько 5 г/см3);

2) планети-гіганти - Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун; мають великі маси і низьку середню щільність речовини (приблизно 1,4 г/см3). Ці планети складаються в основному з водню і гелію.

У космічному просторі, що розділяє розглядаються дві групи планет, а саме між орбітами Марса і Юпітера, знаходиться так званий пояс, або кільце, астероїдів - малих планет з діаметром від 1 до 1000 км. Загальна маса астероїдів становить близько 10-3 маси Землі.

Центр маси Сонячної системи практично збігається з центром маси Сонця, тому що маса Сонця складає 99,87% від маси всієї Сонячної системи. Сонце в порівнянні з Землею має в 333 тис. разів більшу масу і в 109 разів більший діаметр. Середня відстань Землі від центра Сонця дорівнює приблизно 149 600 000 км. Це відстань прийнято називати астрономічної одиницею довжини (а.е.д.).

42. ВНУТРІШНЯ СТРУКТУРА ЗЕМЛІ: Земна кора, мантія

Внутрішня структура Землі неоднорідна. У ній виділяють наступні концентричні зони:

1) земна кора середньої товщини близько 50 км;

2) мантія, що тягнеться до глибини приблизно 2900 км;

3) ядро ​​радіусом близько 3500 км.

Земну кору покривають гідросфера - рідка оболонка, яка не є суцільною, і атмосфера - газова оболонка планети. Земна кора, маса якої становить близько 1% від маси Землі, підрозділяється на материкову (товщина 35-45 км на рівнинній частині планети і 70-80 км в області гір) і океанічну (товщина 8-10 км). Щільність земної кори збільшується з глибиною в середньому від 2,7 до 3,0 г/см3, збільшується і температура приблизно по 3 градуси на кожні 100 м. Більш складною вважається материкова кора, яка складається з трьох шарів: верхнього - осадового, середнього - гранітного і нижнього - базальтового. Осадовий шар, який містить основні запаси вугілля, нафти і газу, по товщині неоднаковий в різних районах суші. Гранітний шар, товщина якого становить приблизно 15-20 км, містить велику частину рудних запасів земної кори. Нарешті, базальтовий шар, в якому знаходяться основні запаси важких металів, має товщину близько 20 км.

Океанічна кора має товщину 8-10 км і складається з пухкого осадового шару, що лежить на тонкому базальтовому підставі. Перехід від материкової кори до океанічної відбувається поступово зі збільшенням глибини океанічного дна. На глибині океану понад 3,5 км земна кора вже має океанічний тип.

Нижче базальтового шару починається мантія Землі, складається з верхньої мантії завтовшки 800850 км і нижній мантії, товщина якої близько 2000 км. Щільність речовини до кордону мантії з ядром досягає значення 5,5 г/см3, тиск - 1,3 млн атмосфер, температура 2000-250 ° C. Мантія складається переважно з важких мінералів, багатих кремнієм і залізом. Під дією високого тиску мантія Землі, незважаючи на високу температуру, знаходиться, ймовірно, в кристалічному стані, за винятком нижньої частини верхньої мантії, де вплив температури позначається сильніше, ніж дія тиску. Цю область, що знаходиться або в розплавленому, або в аморфному стані, називають астеносферою. Зовнішній шар твердої Землі, що включає земну кору й частину верхньої мантії, називається літосфери. Літосфера лежить на астеносфері і розколота приблизно на 10 великих плит, по межах яких розташована переважна кількість осередків землетрусів. При появі тріщин в літосфері магма астеносфери виливається під дією високого тиску на поверхню Землі, супроводжуючи потужні виверження вулканів.

43. ВНУТРІШНЯ СТРУКТУРА ЗЕМЛІ: ЯДРО. ГІДРОСФЕРА І АТМОСФЕРА ЗЕМЛІ

Нижні шари мантії межують з ядром Землі, яке складається з двох умовно виділених частин: зовнішнє ядро ​​(розташоване в шарі на глибині від 2900 до 5100 км) і внутрішнє ядро, або так зване суб'ядро (знаходиться нижче 5100 км). Ядро по масі становить 34% від маси Землі. Зовнішнє ядро ​​складається із з'єднання заліза з сіркою (48%) і окису заліза (52%) і знаходиться в рідкому стані з щільністю, що змінюється з глибиною від 9,5 до 12,3 г/см3. Суб'ядро складається з залізо-нікелевого сплаву і знаходиться в твердому стані з щільністю 13-14 г/см3 і температурою близько 5000 ° C в його центрі. Незважаючи на постійний відвід тепла до зовнішніх шарів Землі, температура ядра залишається високою. Це обумовлено дією величезних гравітаційних сил, що призводять до поступового стиску речовини і, як наслідок, постійному виділенню енергії (приблизно в квітні 1020 Ккал / год). Завдяки великому тиску і високій температурі всередині ядра Землі багато електронів атомів і молекул стають вільними і, утворюючи гігантські вихори, формують магнітне поле планети.

На ранніх етапах еволюції Землі гідросфера на її поверхні була відсутня. Вода виділилася з надр Землі в результаті її тектонічної активності. Виділення води і формування гідросфери продовжується і в даний час. Об'єм води на Землі 4 млрд років тому складав близько 20 млн км3. Зараз загальний обсяг вод гідросфери становить 1,4 млрд км3, об'єм води в земній корі - близько 1,3 млрд км3 і об'єм води в мантії - близько 20 млрд км3. Водні ресурси в гідросфері розподіляються наступним чином: близько 94% - океани і моря; близько 4% - підземні води; близько 2% - льодовики і постійні снігу; близько 0,4% - поверхневі води (ріки, озера та ін.)

Атмосфера в процесі еволюції Землі зазнала суттєвих змін. Наприклад, близько 3,8 млрд років тому атмосфера Землі, як припускають учені, складалася головним чином з вуглекислого газу, азоту і водню. Кисень почав з'являтися в атмосфері близько 2,5-2,0 млрд років тому. Його зміст тоді не перевищувало десятих часток відсотка. Зараз атмосфера Землі складається з азоту (78%), кисню (21%), аргону (0,9%), вуглекислого газу (0,03%) і з інших газів в дуже малих частках відсотка. Її маса становить 5,15 1018 кг. Хімічний склад і маса атмосфери в даний час багато в чому визначаються життєдіяльністю рослин, тварин і людини.

44. ГІПОТЕЗИ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ: Креаціонізм

В даний час існує декілька концепцій виникнення життя на Землі, серед яких найбільший інтерес представляють креаціонізм, панспермізм, віталізм і еволюціонізм. Розглянемо коротко кожну з цих концепцій.

Креаціонізм (Від лат. Creatio - створення) - біологічна концепція, що трактує різноманіття форм органічного світу як акт божественного творіння.

Концепції креаціонізму дотримувалися і дотримуються зараз багато видатні вчені, серед яких шведський природодослідник, творець систематики рослинного і тваринного світу К. Лінней (1707-1778) і французький анатом, зоолог і палеонтолог Ж. Кюв'є (1769-1832). Вони вважали, що тільки з позицій креаціонізму можна пояснити незмінний видовий склад біологічних систем і відсутність перехідних форм живих організмів від одного виду до іншого. Видимий експериментально мінливість властивостей біологічних систем під дією зовнішніх і внутрішніх факторів відбувається тільки в межах кожного конкретного виду.

Дані палеонтології (науки про вимерлих рослинах і тваринах, що збереглися у вигляді залишків, відбитків і слідів їх життєдіяльності, про зміну їх у часі і просторі), засновником якої вважається Кюв'є, свідчать про те, що на Землі час від часу відбувалася зміна видів. Для пояснення цього факту Кюв'є в 1812 році була розроблена теорія катастроф, відповідно до якої стихійні лиха, що відбувалися на Землі, приводили до знищення життя на великих територіях. Після цього Творцем життя створювалася заново, але вже в зміненому вигляді.

Відзначимо, що в рамках концепції креаціонізму проблема виникнення життя на Землі вирішується не в сфері науки, а в сфері віри.

45. ГІПОТЕЗИ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ: ПАНСПЕРМІЗМ І Віталізм

Панспермізм передбачає занесення життя на поверхню Землі з Космосу або у вигляді спор мікроорганізмів, або шляхом навмисного заселення планети розумними прибульцями з інших світів. Теоретичні основи цієї концепції були розроблені німецьким біологом Г. Ріхтером (1818-1876) і шведським вченим С. Арреніус (1859-1927). Відповідно до цієї теорії в космічному просторі існують так звані «суперечки життя», які, потрапляючи в сприятливі умови на поверхні Землі, можуть стати зародками численних біологічних структур.

Прямих свідчень на користь космічного походження життя в даний час не існує. Однак Космос може бути постачальником низькомолекулярних органічних сполук, які можуть перебувати у складі випадають на Землю метеоритів, частинок близько пролітають комет і космічного пилу. У деяких із свіжовипадшої на Землю метеоритах виявлено ряд амінокислот, які можуть служити будівельним матеріалом для білкових молекул. Підраховано, що Земля, проходячи через пилові хмари протягом 1 млрд років, могла отримати з космічним пилом 1013 кг органічного матеріалу.

Віталізм (Від лат. Vitalis - життєвий) передбачає обумовленість життєвих явищ в біологічних системах присутністю в них особливої ​​нематеріальної, непізнаванне надприродної сили. У трактуванні сутності живого віталізм виходить з уявлень про абсолютність відмінності явищ органічної та неорганічної природи. Зародження віталізму відбувалося за часів античності. Так, давньогрецький філософ Платон говорив про безсмертну душу - «Психеї», оживляючої рослинний і тваринний світ, а його учень філософ і вчений Аристотель висунув ідею про існування особливої ​​нематеріальної сили «ентелехії», що управляє явищами живої природи. Найбільш яскраво віталізм проявився у поглядах грецького філософа Плотина (204-270), який стверджував наявність в живій природі особливого «животворящого духу». Є припущення, що їм вперше було висунуто поняття «життєвої сили», яке було використано в наступних віталістичних теоріях.

Значний внесок у розвиток концепції віталізму внесли німецький лікар і хімік Г. Шталь (1660-1734), німецький біолог X. Дріш (1867-1941), американський ботанік Е. Сіннотт та ін віталісти намагаються довести нематеріальний характер життя і неможливість зрозуміти її сутність. Так, Сіннотт в роботі «Матерія, дух і людина» пише про те, що жива природа, на відміну від неживої, організується і управляється особливим творчим началом, яке є одним з атрибутів Бога. Принципово іншої точки зору дотримуються прихильники еволюційної теорії.

46. ГІПОТЕЗИ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ: Еволюціонізм

Еволюціонізм стверджує, що розриву між живою і неживою природою не існує і що життя виникло на Землі, коли склалася сприятлива сукупність фізичних і хімічних умов, які зробили можливим утворення органічних речовин з неорганічних. Ідеї ​​еволюціонізму вперше були сформульовані французьким біологом Ж. - Б. Ламарком (1744-1829). У роботі «Філософія зоології», опублікованій в 1809 році, він розробив основи природної класифікації тварин і обгрунтував ідею поступового розвитку в часі живої природи під впливом природних причин. Розвиток організмів обумовлене внутрішньо притаманним їм прагненням до досконалості і вимушеною необхідністю пристосовуватися до мінливих умов зовнішнього середовища. Ламарк дотримувався думки, що мінливість нічим не обмежена, вона постійно і безперервно розмиває міжвидові кордону, приводячи до можливості переходу одного виду в інший.

Суть еволюційного вчення Ламарка відображають два закони, сформульовані ним. Перший закон стверджує, що постійне вживання органу веде до його посилення, а невживання - до ослаблення і зникнення. Другий закон говорить, що під дією постійних вправ або неупражнение органи змінюються і виниклі зміни успадковуються. Положення про еволюцію органічного світу Ламарк поширив і на пояснення походження людини від вищих «четвероруких мавп».

Подальший розвиток концепція еволюціонізму отримала в роботах англійського біолога Ч. Дарвіна (1809-1882), серед яких особливе місце займає фундаментальна праця «Походження видів шляхом природного відбору, або збереження обраних порід в боротьбі за життя», опублікований в 1859 році.

47. ЕВОЛЮЦІЯ ЛЮДИНИ: Людина уміла

Еволюція людини (антропогенез) включає в себе наступні найбільш важливі щаблі: австралопітек, пітекантроп, синантроп, неандерталець, кроманьонскій осіб.

Першою ланкою у довгому ланцюжку, яка привела до появи людини, був австралопітек (Буквально - південна мавпа). У 1924 році в печері Тонг в Південній Африці був знайдений череп дитини, який був ретельно досліджений лікарем-анатомом Р. Дартом, що оголосив на підставі цих досліджень про відкриття мавпи, що відноситься до проміжного виду приматів між сучасними людиноподібними мавпами і людиною. Особини цього виду приматів були названі їм австралопітеками.

Австралопітеки - маленькі двоногі істоти, ареал поширення яких захоплював Східну, Південну і Центральну Африку в період від 4 до 1 млн років тому. Вони мали зріст 100-150 см, середню масу близько 50 кг, обсяг черепної коробки 400-500 см3 і масивну витягнуту морду. Австралопітеки жили стадами, були здатні створювати знаряддя праці (грубо оббиті каміння), але не вміли користуватися вогнем.

На сучасному рівні пізнання найдавнішим представником роду Homo (людського) визнається Homo habilis - «людина уміла». Вперше останки людини вмілого виявила в ущелину Олдовай в Танзанії М. Лики. Людина уміла з'явився в Східній Африці приблизно 2,4 млн років тому. У порівнянні з австралопітеком він мав більший обсяг черепної коробки (650-800 см3), більш компактну морду і більш витончений зубної апарат. Людина уміла виготовляв і широко використовував у побуті різні знаряддя з каменю.

48. ЕВОЛЮЦІЯ ЛЮДИНИ: ЛЮДИНА прямоходяча І ЛЮДИНА РОЗУМНА

Від Homo habilis стався найдавніший Homo erectus - «людина прямоходяча». Homo erectus з'явилися близько 1,7 млн років тому в районі озера Туркана в Кенії і звідти поширилися в Північну Африку, Азію і Європу. Зріст людини прямоходячої досягав 170 см, об'єм черепної коробки становив від 750 до 1200 см3, він мав потужний, але типово людський зубної апарат. Будучи основними дійовими особами на сцені стародавнього світу протягом близько 1,5 млн років, Homo erectus вперше навчилися видобувати вогонь. Саме вони поступово стають майстерними мисливцями і облаштовують перші оселі. Винайшовши нову технологію різьблення по каменю, вони виготовляють ножі, рубила, скребки, свердла. Сьогодні багато вчених упевнені, що Homo erectus більш-менш успішно спілкувалися між собою за допомогою слів.

До увазі Homo erectus відносять пітекантропа (Буквально - «мавпо-людина»), останки якого були знайдені на острові Ява в 1891 році, жив там приблизно 500 тис. років тому, і синантропа («Китайський людина»), останки якого виявлені в 1927 році в Китаї близько Пекіна, їх вік приблизно 400 тис. років. Кілька поховань Homo erectus виявлено і в Європі, їх вік 400-1500 тис. років.

Протягом останніх 200 тис. років людство активно розвивалося. Одне за одним з'являлися технічні нововведення, у людини стали виникати духовні інтереси, з'явилися естетичні почуття. Деякі вчені вважають, що з цього моменту культурна еволюція починає переважати над еволюцією біологічної. У цей період в середовищі Homo erectus зародився новий вид людини Homo sapiens - «человекразумний». Homo sapiens мав вже обсяг черепної коробки в середньому 1400 см3, розвинені лобні долі мозку і зменшену витягнутість особи. Розрізняють архаїчну гілку людини розумної, до якої відносять неандертальців, і більш еволюційно просунуту гілка - Homo sapiens sapiens, яка з'явилася 100 тис. років тому і є прототипом сучасного людства.

Вперше останки неандертальців були знайдені в 1856 році в Німеччині в долині Неандерталь. Неандертальці жили в період від 200 тис. до 35 тис. років до н. е.. на території Європи, Азії та Африки. Неандертальці носили одяг зі шкір тварин, жили в печерах або будували житло. Їх зростання було трохи нижче, ніж зростання сучасної людини, ходили вони, трохи зігнувши ноги в колінах; черепна коробка з об'ємом 1200-1400 см3 у них була низькою, лоб похилий з надбрівними дугами. Неандертальці полювали на мамонтів, ховали своїх померлих родичів.

49. ЕВОЛЮЦІЯ ЛЮДИНИ: СУЧАСНИЙ ЛЮДИНА

З невідомих причин до 35-тисячному році до н. е.. неандертальці зникли, поступившись місцем сучасній людині, не володіє жодною з фізичних рис, характерних для неандертальців. Більшість антропологів припускають, що поява сучасної людини в Європі не може бути пов'язано з еволюцією, яка, до речі, почалася на цьому місці після неандертальців. У цей період з'являються нові технології в обробці каменю і кістки, у виготовленні метальних знарядь і, крім того, образотворче мистецтво.

Це збіг між фактами біологічними і фактами культурними схиляє до думки, що заміщення неандертальців здійснювалося після заселення Західної Європи сучасними людьми, що прийшли зі Сходу. Передбачається, що два народи змішалися і сталося схрещування. Прибульці з Сходу мали витягнутий череп з високим чолом, обличчя з виступаючими вилицями і добре виражений підборіддя - це були перші сучасні люди, Homo sapiens sapiens, прямі предки кроманьйонців.

Вперше останки кроманьйонця були виявлені в 1868 році у Франції в печері Кро-Маньон. Кроманьйонці з'явилися в Європі 35 тис. років тому. Вони мали зріст близько 180 см, їх зовнішній вигляд і розмір черепної коробки (1400-1600 см3) були близькі до сучасної людини. Одним з найбільш вражаючих аспектів розвитку кроманьйонців є розквіт естетичних почуттів, безпосередньо пов'язаних з релігією або з дивами, які виражалися допомогою гравюр, малюнків, скульптур і прикрас. На період 16-11 тис. років тому доводиться розквіт наскального живопису завдяки людям, які жили полюванням, рибним ловом і збиранням плодів дикорослих рослин, людям епохи, названої століттям північного оленя. Наскальний живопис майже повністю зникла як мистецтво 10 тис. років тому, тобто до моменту завершення останнього льодовикового періоду. Після цього людині вистачило всього кілька тисячоліть, щоб приручити тварин, використовувати рослини, опанувати гончарним ремеслом, відкрити металургію.

Протягом останніх декількох тисячоліть біологічна еволюція людини значно сповільнилася на користь культурної еволюції, темпи якої безперервно збільшуються. Біологічні процеси, які привели нас від мавпи до людини, в порівнянні з культурним розвитком, дуже повільні. Справді, механізми природного відбору не дозволяють передавати набуті ознаки від одного покоління до іншого. Біологічні зміни відчутні тільки на шкалі геологічних часів. У разі культурної еволюції зміни відбуваються дуже швидко, тому що кожне покоління безперервно передає свої досягнення подальшого.

50. БУДОВА КЛІТИНИ: ЯДРО І ЦИТОПЛАЗМА

Клітини як рослин, так і тварин відокремлені від свого оточення плазматичною мембраною. Кожна клітина складається з двох найважливіших, нерозривно пов'язаних між собою частин - ядра і цитоплазми.

Клітинне ядро складається з оболонки, ядерного соку (нуклеоплазми), ядерця і хроматину. Функціональна роль ядерної оболонки полягає у відокремленні генетичного матеріалу (хромосом) клітини від цитоплазми і в регуляції двосторонніх взаємодій ядра і цитоплазми. Основу ядерного соку складають білки. Ядерний сік утворює внутрішнє середовище ядра, у зв'язку з чим він відіграє важливу роль у забезпеченні функціонування генетичного матеріалу.

Ядро являє собою щільне округле тільце, що розташоване в ядерному соку. У ядрі клітини в залежності від її функціонального стану число ядерець коливається від 1 до 5-7 і більше. Ядро не є самостійним органоїдів клітини. Воно позбавлене мембрани і утворюється навколо ділянки хромосоми, в якому закодована структура рибосомних рибонуклеїнових кислот (рРНК). Ця ділянка має назву ЯДЕРЦЕВОГО організатора; на ньому синтезується рРНК. Окрім накопичення рРНК, в полісом формуються рибосоми, які потім переміщуються в цитоплазму.

Хроматин представлений у вигляді грудочок, гранул і сіткоподібним структур, добре забарвлюються деякими барвниками. Хроматин містить дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) і білки і являє собою спіраль і ущільнені ділянки хромосом.

У цитоплазмі розрізняють основну речовину (матрикс), органели та включення. Основна речовина цитоплазми заповнює простір між клітинною оболонкою, ядерної оболонкою і іншими внутрішньоклітинними структурами. Воно утворює внутрішнє середовище клітини, яка об'єднує всі внутрішньоклітинні структури і забезпечує їх взаємодію.

Органели - це постійні структури цитоплазми, що виконують в клітині життєво важливі функції. Існують органели, властиві всім клітинам, - це мітохондрії, клітинний центр, апарат Гольджі, ендоплазматичної мережу, рибосоми, лізосоми, Пероксисома, і є органели, властиві тільки певним типам клітин, наприклад, відповідають за забарвлення м'язів, за вії епітелію трахеї та бронхів.

Включеннями називають відносно непостійні компоненти цитоплазми, які служать запасними поживними речовинами (жир, глікоген) і є продуктами, що підлягають виведенню з клітки (гранули секрету), баластними речовинами (деякі пігменти).

51. Клітинний цикл

Закономірні зміни структурно-функціональних характеристик клітини в часі складають зміст життєвого циклу клітини (клітинного циклу). Клітинний цикл - Це період існування клітини від моменту її утворення шляхом поділу материнської клітини до власного поділу або загибелі. Важливим компонентом клітинного циклу є мітотичний цикл - комплекс взаємопов'язаних і узгоджених у часі подій, що відбуваються в процесі підготовки клітини до поділу і протягом самого поділу. Крім того, в життєвий цикл включається період виконання клітиною специфічних функцій, а також періоди спокою. У періоди спокою найближча доля клітини не визначена: вона може або почати підготовку до мітозу, або приступити до спеціалізації в певному функціональному напрямку.

Мітоз - Спосіб поділу клітин, що забезпечує тотожне розподіл генетичного матеріалу між дочірніми клітинами і спадкоємність хромосом у ряді клітинних поколінь.

Після завершення мітозу клітина може вступити в період підготовки до синтезу ДНК. Протягом цього періоду в клітці посилено синтезуються РНК і білки, підвищується активність ферментів, які беруть участь у біосинтезі ДНК. Після завершення фази підготовки клітина приступає до синтезу ДНК або її редуплікації - подвоєння. Тривалість синтезу ДНК - S-фази мітотичного циклу - в різних клітинах неоднакова: від декількох хвилин у бактерій до 6-12 годин в клітинах ссавців.

Після завершення синтезу ДНК клітка, як правило, починає ділитися не відразу. У цей період завершується підготовка клітини до мітозу. Для здійснення мітотичного поділу клітини необхідні й інші підготовчі процеси, в тому числі подвоєння центріолей, синтез білків, з яких будується ахроматіновое веретено, завершення росту клітини. При вступі клітини в мітоз змінюється її функціональна активність: припиняється амебоідальное рух у найпростіших і у лейкоцитів вищих тварин; поглинання рідини і діяльність скоротливих вакуоль у амеб; часто зникають специфічні структури клітини (наприклад, війки епітеліальних клітин).

52. ЖИТТЄВИЙ ЦИКЛ КЛІТИНИ: Мітоз

Мітоз складається з чотирьох фаз: профази, мета-фази, анафази і телофаза. У профазі збільшується обсяг ядра, хромосоми стають видимими внаслідок спіралізаціі, по дві центріолі розходяться до полюсів клітини, між ними микротрубочки утворюють веретено поділу. Внаслідок спіралізаціі хромосом стає неможливим зчитування генетичної інформації з ДНК і припиняється синтез РНК. Наприкінці профази ядерна оболонка розпадається на окремі фрагменти, краї яких замикаються. Утворюються дрібні бульбашки, подібні з ендоплазматичної мережею. Протягом профази триває спирализация хромосом, які стають товстими й короткими. Після розпаду ядерної оболонки вони вільно і безладно лежать у цитоплазмі.

У метафазі спирализация хромосом стає максимальною і укорочені хромосоми спрямовуються до екватора клітини, розташовуючись на рівній відстані від полюсів. Мітотичний веретено поділу вже повністю сформований, і його микротрубочки з'єднують полюса з центромерами хромосом. Кожна хромосома поздовжньо розщеплюється на дві хроматиди (дочірні хромосоми), з'єднані в області центромери. Центромерного ділянки хромосом знаходяться строго в екваторіальній площині, а дочірні центромери і хроматиди звернені до протилежних полюсів.

У анафазе центромери роз'єднуються, і з цього моменту хроматиди стають самостійними хромосомами. Трубочки веретена, прикріплені до Центромера, тягнуть хромосоми до полюсів клітини зі швидкістю 0,2-5 мкм / хв. По завершенні руху на полюсах збирається два рівноцінних повних набору хромосом.

Завершується мітоз телофаза. Хромосоми, які зібралися біля полюсів, деспіралізуются і стають погано видимими. Реконструюються ядра дочірніх клітин. Утворюються ядерця. З мембранних структур цитоплазми утворюються ядерні оболонки. Материнська клітина ділиться на дві дочірні.

Біологічне значення мітозу величезне. Завдяки точному розподілу генетичного матеріалу між дочірніми клітинами мітоз забезпечує такі важливі явища життєдіяльності, як ембріональний розвиток, зростання, відновлення органів і тканин після пошкодження, підтримка структурної цілісності тканин при постійній втраті клітин у процесі їх функціонування.

53. ХРОМОСОМИ: ПОНЯТТЯ, ТИПИ

Генетичний матеріал, що міститься в клітині, утворює структурно диференційовані одиниці, звані хромосомами. Хромосоми являють собою мультімолекулярние агрегати, утворені переважно молекулами ДНК і білка і містять невелику кількість РНК, що не є, строго кажучи, структурною частиною хромосоми.

Будова хромосом добре видно на стадії мета-фази мітозу. Вивчення хромосом дозволило встановити наступні факти:

1) у всіх соматичних клітинах якого рослинного або тваринного організму число хромосом однаково;

2) у статевих клітинах міститься завжди удвічі менше хромосом, ніж у соматичних клітинах даного виду організмів;

3) у всіх організмів, що відносяться до одного виду, число хромосом в клітинах однаково (наприклад, у людини в соматичних клітинах є 23 пари хромосом, а у голуба - 40).

Число хромосом в соматичних клітинах завжди парне, так як в них знаходяться по дві однакових за формою та розмірами хромосоми: одна від батьківського організму, а інша - від материнського. Хромосомний набір соматичної клітини, в якому кожна хромосома має собі пару, носить назву подвійного або диплоїдного. У статеві клітини з кожної пари хромосом потрапляє лише одна, тому хромосомний набір у цьому випадку називається одинарним або гаплоїдний.

У визначенні форми хромосом велике значення має положення так званої первинної перетяжки, або центромери, - області, до якої під час мітозу прикріплюються трубочки веретена. Центромера ділить хромосому на два плеча. Розташування Центромера визначає три основних типи хромосом:

1) равноплечіе - з плечима рівною або майже рівної довжини;

2) неравноплечіе, що мають плечі нерівної довжини;

3) паличкоподібні - з одним довгим і другим дуже коротким, іноді важко що виявляється плечем.

54. ДНК

Безпосереднім носієм спадкової інформації в хромосомах є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) - біологічний полімер, що складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, з'єднаних один з одним. Мономери, що становлять кожну з ланцюгів ДНК, є складні органічні сполуки, що включають одне з чотирьох азотистих основ: аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т) або цитозин (Ц), цукор - дезоксирибози, на ім'я якої отримала назву і сама ДНК, а також залишок фосфорної кислоти. Ці сполуки звуться нуклеотидів (рис. 1).

Рис. 1. Схема будови нуклеотиду

У кожному ланцюзі нуклеотиди з'єднуються шляхом утворення ковалентних зв'язків між дезоксирибоза одного і залишком фосфорної кислоти подальшого нуклеотида. Об'єднуються два ланцюги в одну молекулу за допомогою водневих зв'язків між азотистими підставами, що входять до складу нуклеотидів, створюючих різні ланцюги. Кількість таких зв'язків між різними азотистими підставами неоднаково, і внаслідок цього вони можуть з'єднуватися тільки попарно: азотистих основ А одного ланцюга полінуклеотидів завжди пов'язане двома водневими зв'язками з Т другий ланцюга, а Г - трьома водневими зв'язками з азотистих основ Ц протилежної полинуклеотидной ланцюжка. Така здатність до виборчого з'єднанню нуклеотидів називається комплементарностью. Комплементарна взаємодія нуклеотидів призводить до утворення пар нуклеотидів. У полинуклеотидной ланцюжку сусідні нуклеотиди пов'язані між собою через цукор (дезоксирибозу) і залишок фосфорної кислоти.

У 1953 році американським біофізиком Дж. Уотсоном (нар. 1928) спільно з англійським біофізиком і генетиком Ф. Криком (нар. 1916) була запропонована модель просторової структури ДНК у вигляді подвійної спіралі.

Таким чином, у структурній організації молекули ДНК можна виділити первинну структуру - полінуклеотидних ланцюг, вторинну структуру - дві комплементарні один одному і антипаралельних по-лінуклеотідние ланцюга, з'єднані водневими зв'язками, і третинну структуру - тривимірну спіраль. Діаметр спіралі становить 2 нм, довжина кроку - 3,4 нм. У кожний виток входить 10 пар нуклеотидів. Довжина спіралі молекули ДНК залежить від організму, якому вона належить. ДНК найпростіших вірусів містить кілька тисяч нуклеотидних пар, бактерій - кілька мільйонів, а вищих організмів - мільярди. Якщо вибудувати в одну лінію всі молекули ДНК, укладені в одній клітці людини, то вийде нитка довжиною 2 м, тобто її довжина в мільярд разів більше її товщини.

55. РНК

Спадкова інформація, записана за допомогою генетичного коду, зберігається в молекулах ДНК і розмножується для того, щоб забезпечити новоутворені клітини необхідними «інструкціями» для їх розвитку та функціонування. Разом з тим безпосередньої участі в життєзабезпеченні клітин ДНК не приймає. Роль посередника, функцією якого є переклад спадкової інформації, що зберігається в ДНК, в робочу форму, грають РНК (РНК).

На відміну від молекул ДНК РНК представлені однією полинуклеотидной ланцюгом, яка складається з чотирьох різновидів нуклеотидів, що містять цукор - рибозу (замість дезоксирибози), залишок фосфорної кислоти і одне з чотирьох азотистих основ: аденін, гуанін, цитозин або урацил (замість тиміну). У ланцюжку РНК нуклеотиди з'єднуються шляхом утворення ковалентних зв'язків між рибозой одного нуклеотиду і залишком фосфорної кислоти іншого. РНК синтезуються на молекулах ДНК за допомогою ферментів РНК-полімераз з дотриманням принципу комплементарності, причому аденіну ДНК в РНК комплементарний урацил.

Залежно від функції та місцезнаходження у клітині можна виділити три види РНК: інформаційні (іРНК), транспортні (тРНК) і рибосомні (рРНК). Кожна з цих РНК синтезується на певній ділянці ДНК. Процес синтезу інформаційної РНК, який називають транскрипцією - переписуванням інформації, починається з виявлення РНК-полімеразою особливого ділянки в молекулі ДНК, що вказує місце початку транскрипції - промотора. Після приєднання до промотор РНК-полімераза розкручує прилежащий виток спіралі ДНК. Дві ланцюга ДНК у цьому місці розходяться, і на одній з них фермент здійснює синтез іРНК. Розмір иРНК залежить від довжини ділянки ДНК, на якому вона була синтезована. Молекули иРНК можуть складатися з 300-30 000 нуклеотидів.

У процесі синтезу, у міру просування РНК-полімерази уздовж молекули ДНК пройдені нею одно-ланцюгові ділянки ДНК знову об'єднуються в подвійну спіраль. Утворена в ході транскрипції иРНК містить точну копію інформації, записаної в відповідній ділянці ДНК. Трійки поруч стоять нуклеотидів иРНК, шифрувальні амінокислоти, називаються кодонами. Послідовність кодонів иРНК шифрує послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі. Кодону іРНК відповідають певні амінокислоти.

12. ВИДИ ЖИВИХ СИСТЕМ

В даний час на Землі живе величезна кількість видів живих систем, серед яких більше 500 тис. видів рослин і близько 1,2 млн видів тварин.

Переважна більшість нині живих організмів (крім вірусів і фагів) складаються з клітин. За ознакою клітинної будови всі живі організми діляться на доклеточний і клітинні. Доклеточний форми життя - віруси, відкриті в 1892 році російським мікробіологом Д.І. Ивановским (1864-1920), і фаги. Віруси займають проміжне місце між живим і неживим. Вони складаються з білкових молекул і нуклеїнових кислот; не мають власного обміну речовин; поза організмом або клітини вони не виявляють ознак життя. Усі клітинні поділяються на дві групи: без'ядерні (бактерії, ціаном) і ядерні, що включають рослини (багрянки, справжні водорості, вищі рослини), гриби (нижчі та вищі) і тварин (найпростіших і багатоклітинних). Без'ядерні, мабуть, відносяться до найдавніших форм життя на Землі.

Біологічні системи відрізняються високим рівнем цілісності і самоорганізацією. Живі системи - відкриті системи, постійно обмінюються речовиною, енергією та інформацією з середовищем. Для них характерні зменшення ентропії внаслідок збільшення впорядкованості в процесі органічної еволюції і здатність до самоорганізації матерії. Закономірності зміни ентропії підкоряються другому початку термодинаміки. Згідно з цим законом у енергетично ізольованій системі при нерівних процесах кількість ентропії змінюється в одну сторону. Воно збільшується, стаючи максимальним після досягнення стану рівноваги. Живий організм відрізняється високим ступенем структурованості і низькою ентропією. Це досягається завдяки постійному припливу ззовні речовини, енергії та інформації, використовуваних на підтримку і розвиток внутрішньої структури. Здатність протистояти наростанню ентропії, зберігати високий рівень впорядкованості є обов'язковим властивістю життя.

В даний час існує велика кількість визначень поняття «життя», узагальнюючи які можна характеризувати життя як спосіб існування макромолекулярной відкритої системи, якій властиві ієрархічна організація, здатність до самовідтворення, обмін речовин, тонко регульовані потоки енергії та інформації. Життя є постійний процес самооновлення, в результаті якого відтворюються структури, відповідні зношується і втрачає. Основу живого утворюють нуклеїнові кислоти і білки.

57. СУЧАСНІ УЯВЛЕННЯ ПРО БИОСФЕРЕ ЗЕМЛІ

Біосфера Землі являє собою сукупність пов'язаних між собою обміном речовиною, енергією та інформацією біогеоценозів, що розташовуються в основному в дуже тонкому (близько 40 км) приповерхневому шарі нашої планети. Прийнято вважати, що верхня межа життя знаходиться в атмосфері на висоті приблизно 25-30 км і обумовлена ​​інтенсивним потоком згубних ультрафіолетових променів за межами озонового шару в тропосфері. Проте останнім часом життєздатні організми були знайдені навіть в стратосфері на висоті близько 80 км. Нижня межа життя розташовується в земній корі на глибині приблизно 10 м, хоча окремі види мікроорганізмів зустрічаються в нафтоносних шарах на глибині до 3 км. У гідросфері зона, багата живими організмами, займає шар води до 200 м, але деякі організми виявлені і на максимальній глибині глибоководних океанських западин - до 11 км.

Термін «біосфера» як «тонка плівка життя» на поверхні Землі, значною мірою визначає зовнішній вигляд планети, був введений вперше в 1875 році австрійським геологом Е. Зюсом (1831-1914) в роботі «Лик Землі». Сучасні уявлення про біосферу як галузі життя планетарного масштабу, що об'єднує в собі всю сукупність біологічних систем і середовище їх проживання, пов'язані з роботами російського вченого В.І. Вернадського (1863-1945) і перш за все з його основоположною роботою «Біосфера», опублікованій в 1926 році. Подання про широкий вплив живих істот на що протікають в природі процеси було сформульовано ще в 1883 році російським вченим В.В. Докучаєвим (1846-1903) в роботі «Російський чорнозем», у якій була показана залежність процесу грунтоутворення не тільки від клімату, але і від сукупного впливу рослинних і тваринних організмів. Згідно Вернадського, біосфера включає:

1) жива речовина - сукупність живих організмів;

2) відсталу речовину - гірські породи, мінерали, продукти вулканічної діяльності, неживі продукти людської праці і т. п.;

3) биогенное речовина, яка створюється і переробляється в процесі життєдіяльності організмів (гази атмосфери, нафта, кам'яне вугілля

тощо);

4) биокосное речовина, що представляє собою спільний результат життєдіяльності організмів і абіогенним процесів (грунти, мули і т. п.).

Виникненню життя на Землі передувало формування трьох головних сфер: літосфери, гідросфери та атмосфери. Початковий склад і будову цих сфер суттєво відрізнялися від їх сучасного складу і будови. Поява життя стало революційною подією в історії Землі. Живі організми, виникнувши, стали швидко заселяти Землю. Завдяки цьому з'явилася четверта сфера - біосфера Землі.

58. Вчення Вернадського про ноосферу

З появою людського суспільства у розвитку біосфери розпочався перехід від біогенезу, обумовленого факторами біологічної еволюції, до ноогенезу - розвитку під впливом розумної творчої діяльності людства.

Поняття ноосфери як сучасної стадії, геологічно пережитої біосферою, було запропоновано в 1927 році французьким математиком і філософом Е. Ле Руа (1870-1954), у розробці цього поняття брав участь також французький теолог і палеонтолог П. Тейяр де Шарден (1881-1955). Підставою для введення такого поняття послужили лекції про біогеохімічної концепції біосфери, прочитані в 1922-1923 роках Вернадським у Сорбонні в Парижі. Ноосфера включає в себе соціальні та природні явища, взяті в їх цілісності, в їх єдності і суперечностях. Становлення ноосфери визначається соціально-природної діяльністю людини, його працею і знаннями, тобто тим, що відноситься до космопланетарними виміру людини.

З розвитком соціосфери - Форми існування сукупності людей, взаємозалежних системою відносин, - біосфера Землі опинилася перед обличчям реальної загрози загибелі. Було показано, наприклад, що у разі термоядерної війни відбудеться настільки глобальне похолодання, що життя на Землі стане неможливою.

За час тривалої еволюції біосфера Землі виробила механізми, що забезпечують відносно високий рівень її стійкості в цілому. Як в ній самій, так і в зовнішніх умовах її буття постійно відбуваються коливання. Протидіючи цим коливанням, виробляючи стабільність своїх основних параметрів, біосфера виявляється здатної витримати значні зовнішні навантаження. Однак завдяки посилюється людської діяльності в обіг вводяться такі фактори, до яких біосфера Землі абсолютно не пристосована.

Небезпека для біосфери складає і систематичний тиск на той генофонд, яким володіє біосфера Землі. Постійно йде знищення видів тварин і рослин, а це підриває саму основу біосфери.

59. КОСМІЧНІ ЦИКЛИ

Космічні ритми (Цикли) - періодичні зміни в природі, що відбуваються під впливом гравітаційних сил. Всі ритми прийнято ділити за значенням їх періоду на дві групи. До першої групи відносять ритми, що діють в антропної шкалою часу, т. е. в шкалі, сумірною з життям людини. Тут, насамперед, можна виділити добовий ритм, обумовлений обертанням Землі навколо своєї осі, місячний ритм, пов'язаний з обертанням Місяця навколо Землі, і річний ритм, обумовлений обертанням Землі навколо Сонця.

У добовий і річний ритмах змінюються освітленість, створювана Сонцем на поверхні Землі, температурний режим і ряд фізичних параметрів атмосфери та гідросфери. У результаті відбувається зміна дня і ночі, зміна пір року. Добові та місячні варіації гравітаційного поля на поверхні Землі, пов'язані з приливним дією Місяця і Сонця, створюють складне явище океанічних припливів. З такими ж періодами (добу і місяць) відбуваються варіації магнітного поля Землі. Зміна орієнтації земної магнітосфери щодо сонячного вітру (радіального потоку плазми сонячної корони в міжпланетний простір) задає добовий ритм магнітного поля. Обертання Сонця, а разом з ним міжпланетного магнітного поля, що має характерну структуру, задає 27-денний ритм варіацій магнітного поля Землі.

До другої групи відносять ритми, що діють в геологічній шкалі часу, т. е. протягом дуже тривалих періодів, набагато більших тривалості життя людини. Довгоперіодичні зміни впливають на погоду і клімат на Землі, а через це і на біосферу. Кліматичні цикли пов'язані з характерними особливостями орбітальних рухів Землі і Сонця, зумовлених впливом інших планет і галактик.

Виділяють такі кліматичні цикли, за які відповідальність несуть особливості орбітального руху Землі:

1) 26-тисячолітній цикл, обумовлений прецесією осі обертання Землі, так званий Великий платонічний рік;

2) 41-тисячолітній цикл, пов'язаний з періодом зміни кута нахилу осі обертання Землі до екліптики (великому колу небесної сфери, по якому відбувається видиме річне рух Сонця);

3) 100-тисячолітній цикл, що дорівнює періоду зміни значення ексцентриситету земної орбіти.

Спільна дія цих космічних факторів, їх накладення, взаємне посилення призводять до довго-періодичних змін клімату Землі. Виявлено орбітальні кліматичні ритми, обумовлені спільною дією космічних факторів: тривалістю в 400 тис. років; 1,2; 2,5 і 3,7 млн ​​років, серед яких 400-тисячолітній ритм є основною причиною довгоперіодичних змін клімату та еволюції органічного світу. Цей ритм виявлено геологами з послідовності льодовикових подій і тільки потім виявлений астрономами.

60. БІОЛОГІЧНІ РИТМИ

Організму притаманні періодичні процеси життєдіяльності, що охоплюють досить широкий діапазон частот. У плані взаємодії організму і зовнішнього середовища виділяють два типи коливальних процесів:

1) адаптивні ритми (або власне біоритми), тобто коливання з періодами, близькими до геофізичним циклам. Їх роль полягає в забезпеченні пристосування життєвих проявів і поведінкових реакцій організму до періодичних змін умов зовнішнього середовища;

2) робочі ритми, які відображають поточну діяльність фізіологічних систем організму.

Біологічні ритми класифікують також за частотою осциляцій, виділяючи п'ять класів: високочастотні, ультрадіанние, ціркадіанние, інфрадіанние і низькочастотні ритми.

1. Високочастотні ритми процесів життєдіяльності з періодом до 30 хвилин - це більшість робочих ритмів. В основі їх лежать ритмічні осцилятори клітинних мембран збудливих клітин. Нейрони і м'язові клітини здатні генерувати серії ритмічно наступних імпульсів. Їх інтеграція і забезпечує стабільну роботу серця, дихальних м'язів і ряду інших систем, дисбаланс яких загрожує самому існуванню організму.

2. Ультрадіанние ритми - з періодом від 0,5 до 20 годин іноді відносять вже до власне біологічним, тобто погодженим з геліогеофізичних умовами (в даному випадку - з часом доби). У той же час окремі фази цих ритмів не вдається пов'язати з певним часом доби. Так, цикл коливань головних компонентів крові становить близько 20 годин. Один з ультрадіанние ритмів - повторення стадії швидких рухів очей через кожні 90 хвилин сну - не пов'язаний з часом доби, а відраховується від моменту засипання людини.

Ціркадіанние біоритми (цілодобовий) мають тривалість періоду від 20 до 28 годин і синхронізовані з обертанням Землі навколо осі, зі зміною дня і ночі. Перш за все, це ритми «сон - неспання», а також добові коливання різних фізіологічних параметрів (температури тіла, артеріального тиску тощо). Ці ритми найбільш стійкі і зберігаються протягом життя організму.

Інфрадіанние ритми, які мають період від 26 годин до 6 діб, найменш вивчені. Прикладом може служити тижневий ритм виділення деяких гормонів.

Низькочастотні ритми процесів життєдіяльності, так само як добові, широко представлені в організмі і мають зв'язок з геофізичними чинниками і соціальними (режими праці та відпочинку). Основні ритми цієї групи - місячний (близько 30 днів) і окологодічний - можна виявити в будь-якого виду тварин. Виділяють також мегарітми - тривалістю від півтори до кількох десятків років. Такі ритми проявляються у зміні чисельності популяції, видів тварин, у спалахах епідемій.