Макромир

Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов.

Атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Распределение электронов по оболочкам подчиняется определенным правилам, установленным квантовой механикой. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, определяют их реакционную способность, т.е. их способность вступать в соединение с другими атомами.

Связь атомов возможна, если совместная внешняя оболочка целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица химического соединения.

Некоторые атомы (углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования макромолекул, которые проявляют уже биологические свойства.

В природе лишь немногие атомы (благородных или инертных газов – гелия, аргона, криптона, ксенона) существуют поодиночке, поскольку у большинства элементов атомы химически нестабильны. Для того, чтобы атом был стабильным, его внешняя электронная оболочка должна быть заполнена определенным числом электронов (у водорода и гелия - 2, у остальных - 8).

Атомы с незаполненными внешними электронными оболочками способны вступать в химические реакции, образуя связи с другими атомами. Реакции сопровождаются перегруппировкой электронов, в результате которой внешняя электронная оболочка у каждого из атомов оказывается заполненной.

Соединением называют вещество, в котором атомы двух или более элементов объединены в определенном соотношении. Соединение характеризуется определенным составом и определенным набором свойств, отличающихся от свойств элементов, из которых оно состоит. Например, свойства воды отличаются от свойств водорода и кислорода, из которых она состоит.

Молекула - это мельчайшая частица соединения, сохраняющая все его свойства (соединения с ионными связями, как например, NaCl, состоят не из молекул, а из ионов). Атомы могут соединяться в молекулы, если энергия связанных атомов окажется меньшей, чем суммарная энергия изолированных атомов.

Кристалл образуется путем регулярного повторения расположения атомных групп в пространстве. Существует 14 различных основных типов кристаллов. Кристаллы могут быть ионными (кристаллы поваренной соли) и ковалентными (графит, алмаз). Металлы образуют еще один тип кристаллических структур, в которых внешние электроны не связаны с каким-либо определенным атомом; эти электроны могут свободно перемещаться внутри металла (электроны проводимости).

При определенных условиях однотипные атомы или молекулы могут собираться в огромные совокупности - макроскопические тела (вещество). Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента, сложное – из молекул, состоящих из атомов разных элементов.

При достаточно низких температурах все тела являются кристаллическими. В кристаллах взаимное расположение атомов является правильным. Для них характерно равновесное положение в узлах кристаллической решетки. Их движение сводится к колебаниям вблизи этих узлов.

Геометрия кристаллического состояния отличается необычайным разнообразием, но число типов решеток ограничено. Свойства веществ определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (ср. графит и алмаз). Тела могут сильно различаться в отношении механических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств.

Подавляющее большинство твердых тел имеет кристаллическое строение. Даже глина состоит из маленьких кристалликов. Свойства твердого тела зависят от строения кристаллического зерна, размера кристалликов, их взаимного расположения и силы, сцепляющей их в единое тело. Общий порядок в расположении кристаллических зерен называется текстурой. Наличие текстуры очень сильно влияет на механические свойства изделия.

Аморфные твердые тела противопоставляются кристаллам и по некоторым свойствам они скорее должны быть причислены к жидкостям, нежели к твердым телам. Аморфное тело типа стекла содержит признаки как твердого, так и жидкого тела: расположение атомов обладает лишь ближним порядком, но атом в своем движении остается в неизменном окружении - соседи не обмениваются местами. К аморфным телам относится большое число органических веществ, например, пластмассы, органические стекла.

“Жидкие кристаллы” или жидкие твердые тела - к этому обширному классу веществ относятся многие органические и биоорганические вещества. Такое состояние наблюдается в определенном интервале температур. Если нагреть жидкий кристалл, он превратится в обычную жидкость, если охладить - станет кристаллом.

Эти вещества сочетают в себе свойства жидкости и кристалла. Обнаружены два типа жидких кристаллов: в первом расположение молекул обладает ближним порядком, однако все молекулы располагаются параллельно друг другу; во втором - молекулы располагаются слоями. Мыло, растворенное в воде, образует жидкие кристаллы, с чем связаны его моющие свойства. Мыльный раствор состоит из большого числа двойных слоев молекул.

При повышении температуры происходит фазовый переход кристалл-жидкость (плавление). Каждое вещество имеет свою строго определенную температуру плавления.

В жидком состоянии атомы уже не являются строго локализованными. Тепловое движение в жидкостях носит довольно сложный характер. Молекулы жидкости совершают в основном колебательные движения, положения равновесия не строго фиксированы, но молекула остается в окружении все тех же соседей. Легкость, с которой молекула может менять своих соседей, связана с вязкостью.

При переходе жидкости в пар (испарение) при атмосферном давлении вещество практически полностью теряет свою индивидуальность. Это связано с малой плотностью газообразного вещества. В разреженных газах по существу отсутствует взаимное влияние атомов, а значит, не проявляется их индивидуальная атомная структура. Газы всех веществ (при нормальных условиях) с хорошей точностью подчиняются одинаковым закономерностям.

Дальнейшее повышение температуры ведет к ионизации атомов, т.е. распаду их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазменным. Поскольку ионы и электроны в отличие от атомов несут нескомпенсированные электрические заряды, их взаимное влияние становится существенным. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает ее с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями.

Макротела астрономического масштаба - планеты.

Масса Земли приблизительно 6∙ 1027 г, радиус - 6400 км, средняя плотность 5, 5 г/см3. В недрах планет вещество находится под высоким давлением. При сжатии вещества проявляется тенденция “сглаживания” его свойств. Наружные электронные оболочки атомов, ответственные за “индивидуальность”, при давлениях 107 - 108 атм перестают существовать, ибо входящие в их состав электроны отрываются от атомов и становятся коллективными.

Земля - планета жидкая. Это утверждение звучит парадоксально, поскольку течения вещества Земли почти незаметны для нас. Они, однако, существуют, их скорость составляет несколько см в год. В результате за 0, 5 млрд. лет земная поверхность меняется очень существенно.

По настоящему твердой является только тонкая (20-40 км) оболочка - кора Земли. Вещество на глубинах от 40 до 400 км способно течь под влиянием высоких температур и давлений.

Мантией называют весь слой глубиной от 40 до 2920 км, где температура недр повышается примерно до 4, 5 тыс. градусов. Ниже мантии вещество находится в расплавленном состоянии. Это жидкое ядро Земли радиусом 3450 км. Наконец, в самом центре Земли есть еще внутреннее твердое ядро радиусом 1250 км, состоящее из вещества с плотностью около 13 г/см3.

Кора Земли, называемая литосферой, состоит из отдельных плит, медленно перемещающихся друг относительно друга. Новая земная кора образуется в районах срединно-океанических хребтов, а старая кора, покрытая трехкилометровым слоем осадков, исчезает, ныряя под континенты.

Взаимные перемещения плит, рождение и разрушение твердой коры Земли сопровождаются землетрясениями. Когда погружающаяся литосферная плита попадает в зону высоких температур, происходят химические реакции, преобразующие ее осадочный слой. При этом образуются газы и водяные пары, которые вулканами извергаются в атмосферу, и возможно, что органическое вещество осадков частично переходит в нефть.

Именно вулканическая деятельность привела к появлению первичной атмосферы Земли, а вода, образовавшаяся при дифференциации вещества мантии, составила Мировой океан. Значительную часть воды Земля могла получить в результате падения на нее космических тел, состоящих из льда.

1.3Мегамир: звёзды, галактики, Метагалактика (Вселенная)

Ближайшая к нам звезда Солнце (масса 2∙ 1033 г, радиус 6, 9∙ 105 км, средняя плотность 1, 4 г/см3) находится от Земли на расстоянии около 150 млн. км, которое свет проходит приблизительно за 8 минут - это расстояние называют астрономической единицей (а.е.). Самая далекая от Солнца планета (теперь планетоид) Плутон находится от него на расстоянии около 40 а.е. Внешняя область Солнечной системы – пояс Койпера.

Центральные области Солнца имеют температуру около 107 K и давление около 1011 атм. В этих условиях вещество является полностью ионизованной плазмой: голые ядра и свободные электроны. При этом становятся возможными термоядерные реакции (слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия), которые служат источником энергии звезд (d + d → He++ или 2 + 2 → 3, 975).

Расстояния до других близких звезд:

Сириус – 8, 6 св.лет; Альдебаран (созвездие Тельца) – 60 св.лет; Бетельгейзе (созвездие Ориона) – 520 св.лет, объем 160 млн S, красный сверхгигант; Ригель (созвездие Ориона) – 770 св.лет, объем 68 S, бело-голубой сверхгигант, температура 112000С. Созвездие Плеяды – 410 св.лет. Крабовидная туманность – 6300 св.лет. Один световой год – расстояние, которое преодолевает свет за год, - около 10 триллионов км.

Галактики - это звездные системы. Число звезд в них от одного миллиарда до одного и более триллиона (109-1012). Наша Галактика включает более ста миллиардов звезд (2∙ 1011). Со стороны она представляет собой диск, утолщающийся к центру. Этот диск имеет спиральную структуру и вращается с переменной угловой скоростью, большей в центральных областях диска, меньшей на его периферии. Кроме звезд в Галактике имеются и другие виды материи (пыль, межзвездный газ, космические лучи). В состав Галактики входят и темные туманности, образованные из пылинок железа.

Расстояния в галактиках измеряются в парсеках. Парсек (пс) около 3∙ 1018 см (тридцать триллионов км), или 3, 2 светового года = 206265 а.е.

Толщина Галактики вблизи Солнца 2000 пс. Диаметр ее диска 30 000 пс, или около 100 000 световых лет. Солнце вместе с его планетной системой находится вблизи края Галактики, приблизительно в 10 000 пс от ее центра.

Известная нам часть Вселенной (Метагалактика) содержит около ста миллиардов (1011) галактик.

Мир галактик во Вселенной довольно разнообразен. Таких галактик, как наша (спиральных), приблизительно 80%. Встречаются неправильные галактики, имеющие достаточно произвольные геометрические очертания, и эллиптические, близкие по форме к эллипсоидам различной вытянутости.

Число звезд различно: карликовые галактики имеют приблизительно 109 звезд, гигантские - до 1014 звезд. Большинство галактик, подобно нашей, имеет 1011 - 1012 звезд.

Одиночные галактики встречаются редко. Подавляющее большинство их образует скопления (кластеры), насчитывающие сотни и тысячи членов. Скопления не рассыпаются на отдельные галактики благодаря силам собственного тяготения. Как говорят, они являются гравитационно связанными объектами. Размеры скоплений галактик исчисляются мегапарсеками (Мпс), т.е. миллионами парсек.

Скопления галактик, в свою очередь, образуют сверхскопления, содержащие десятки членов. Может быть, такой процесс будет продолжаться без конца? Оказывается, нет. Согласно данным современных астрономических наблюдений, сверхскопления являются наиболее крупными структурными образованиями в Метагалактике - наблюдаемой части Вселенной.

Галактики, их скопления и сверхскопления - это элементы ячеистой структуры Вселенной. Размеры ячеек - сотни мегапарсек, толщина их стенок порядка 2 - 4 Мпс. Крупные скопления располагаются в узлах ячеек. Сверхскопления представляют собой элементы этой ячеистой структуры.

В масштабах, превышающих тысячи мегапарсек, Вселенная бесструктурная. Более того, можно утверждать, что в таких масштабах она вообще однородна и изотропна, т.е. ее свойства везде одинаковы.

Всегда ли распределение материи во Вселенной было и будет таким, как сейчас? Современная физика дает отрицательный ответ, потому что Вселенная эволюционирует.

Вглядываясь по выражению М.Ломоносова в бездну, полную звезд, мы должны ясно представлять себе, что же на самом деле мы видим. Согласно А.Эйнштейну предельная скорость распространения электромагнитных, гравитационных и других взаимодействий не превышает скорости света (300 тысяч км/сек). Следовательно, Луну мы видим такой, какой она была секунду с небольшим назад. Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут назад. Самую яркую звезду в северном полушарии Сириус мы видим таким каким он был 8, 6 лет назад. Одну из ближайших к нам галактик Туманность Андромеды мы видим такой, какой она была 2.2 млн лет тому назад. Самую далекую галактику, отстоящую от нас на 13 млрд. световых лет, мы и видим такой, какой она была 13 млрд. лет тому назад, т.е. почти в первые моменты развития Вселенной.

Таким образом, чем дальше отстоит от нас некоторый объект Вселенной, тем в более молодом возрасте мы его наблюдаем. Вселенную в целом мы наблюдаем одновременно и в пространстве, и во времени, или в пространстве-времени по Минковскому. Каковы в настоящий момент времени отдаленные части Вселенной – мы не знаем, и никогда не узнаем. Очень важно иметь в виду, что наблюдатели в других частях Вселенной видят ее другой. Например, если бы разумные существа на одной из планет в Туманности Андромеды могли наблюдать поверхность Земли, они видели бы то, что происходило на ней более 2 млн. лет назад, т.е. они видели бы австралопитеков. У каждого наблюдателя – своя вселенная.

Вглядываясь в глубины Вселенной, приходишь к парадоксальному заключению: наблюдаемое не существует, существующее не наблюдаемо (в каждый момент времени).