Микро- и макровзаимодействия в природе

23

1. Охарактеризуйте четыре фундаментальных взаимодействия в природе. Объясните, какие взаимодействия и где играют основополагающую роль (мегамир, макромир, микромир).

Из представленных в таблице данных видно: гравитационное взаимодействие (при его классическом представлении) в процессах микромира важной роли не играет.

С другой стороны, в процессах макромира ведущая роль принадлежит именно ему.

Так, гелиоцентрическое планетарное движение Солнечной системы происходит в точном соответствии с законами гравитационного взаимодействия. Ему же подчиняется и скопление звёзд в галактики, и взаиморасположение галактик во вселенной.

Наличие сильного (внутриядерного) взаимодействия было подтверждено опытами Резерфорда в 1919 году, и главная роль в микромире принадлежит именно ему.

Короткий (в пределах ядра) радиус сильного взаимодействия объясняется формулой комптоновской длиной волны частицы. Макро и мегамиру сильное взаимодействие не присуще.

Слабое взаимодействие также характерно для микромира. Оно играет основную роль в исследовании микропроцессов, однако в 1967 году появилась теория (Салам, Вайнберг), объединявшая слабое взаимодействие с электромагнитным. Следовательно, исходя из неограниченного радиуса электромагнитного взаимодействия, оно может существовать и в макро, и в мегамире.

3. Что такое ядерная и термоядерная реакции? Определите энергию при следующих реакциях. Использовать формулу:

Ядерная реакция - процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии друг с другом, с элементарными частицами или гамма-квантами. Данная реакция часто характеризуется выделением громадного количества энергии и радиоактивностью - явлением спонтанного превращения одних ядер в другие с испусканием различных частиц.

Термоядерная реакция (реакция термоядерного синтеза) - является разновидностью ядерной реакции, в которой при высокой, больше К, из лёгких ядер синтезируются более тяжёлые.

Для определения изначально определяем энергию связи нуклонов в ядрах.

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 2,01410 = 1875, 1721 МэВ;

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 2,01410 = 1875, 1721 МэВ;

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 3,01603 = 2807,9239 МэВ;

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 1,00867 = 939,07177 МэВ.

Таким образом:

1875,1271 МэВ + 1875,1271 МэВ = 3750,2542 МэВ;

2807,9239 МэВ + 939,07177 МэВ = 3746,9956 МэВ.

Отсюда: 3750,2542 МэВ - 3746,9956 МэВ = 3,2586 МэВ.

Следовательно, при слиянии двух лёгких ядер образуется одно тяжёлое ядро с большой энергией связи. А также выделяется энергия 3,2586 МэВ, равная разности энергий связи тяжёлого ядра и двух лёгких ядер, порядка 30% которой приобретает образующийся при реакции нейтрон.

4. Исходя из положения элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, укажите

1). Сколько протонов и сколько нейтронов в ядре атома?

2). Сколько электронов в атоме?

3). Сколько электронных уровней?

а). Магний Mg 12

24,312

магний

Согласно периодической системе элементов:

1. В ядре атома 12 протонов (в соответствии с порядковым номером элемента);

В ядре атома 12 нейтронов (разность между атомной массой элемента и его порядковым номером в системе).

2. Число электронов в атоме тождественно порядковому номеру элемента, следовательно, атом Mg имеет 12 электронов.

3. Так как магний является химическим элементом III периода периодической системы, соответственно и электронных уровня у него три.

б). Водород H 1

1,00797

водород

Согласно периодической системе элементов:

1. В ядре атома 1 протон (плюс - заряженная частица).

2. Число электронов в атоме равно его порядковому номеру, следовательно, атом Н имеет 1 электрон.

3. Так как водород является химическим элементом I периода периодической системы, соответственно и электронный уровень у него один.

5. Какие химические элементы являются самыми главными для жизни и почему? Поясните. Напишите о значении для организмов каждого химического элемента

Наиболее важными для жизни являются углерод, азот и кислород.

Углерод. От латинского «carboneum». Существует в свободном виде в двух формах - графит и алмаз. Углерод является одним из важнейших элементов в природе. Его соединения составляют основу флоры и фауны, а сам химический элемент участвует в образовании углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.

Круговорот углерода в биосфере начинается с фиксации атмосферного углекислого газа в процессе фотосинтеза растениями и некоторыми микроорганизмами. Часть поглощённого углерода расходуется при дыхании растений, а часть потребляется животными, которые тоже выделяют . Погибшие растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и в виде диоксида поступает в атмосферу. При отсутствии кислорода, в процессе разложения мёртвых организмов образуются нефть, торф и каменный уголь. Они используются человеком для получения энергии, а выделившийся диоксид углерода возвращается в атмосферу.

Подобный круговорот углерода присутствует и в гидросфере. Только часть углерода, образованная и захороненная в литосфере, становится элементом горных пород, а попавшая в водоёмы - участвует в образовании карбонатных пород (известняков, доломитов).

До активного вмешательства человека в естественные экосистемы и их резкого сокращения, равновесие между связыванием и высвобождением углерода поддерживалось на планете с большой точностью. Сейчас же оно приводит к разбалансировке углеродного цикла, а значит и к снижению стабильности концентрации ряда других химических веществ. Помимо природного, особое место в круговороте углерода наших дней приобретает массовое сжигание органических веществ с постепенным возрастанием содержания в атмосфере, и как следствие - возникновение «парникового эффекта» с вероятным резким изменением климата.

Азот. Название «азот» происходит от греческого слова «azoos» - безжизненный, по-латыни Азот - один из самых распространенных элементов на Земле, причем основная его масса сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере. В воздухе свободный азот (в виде молекул N2) составляет 78,09% от общего объёма. Круговорот этого элемента в природе - один из наиболее сложных, и в то же время - он практически идеален. Ведь биогеохимический цикл азота включает в себя несколько основных этапов:

- фиксация азота из воздуха живыми организмами (бактериями и водорослями), обогащающими почву азотом при минерализации;

- поглощение азота корнями растений и транспортировка его в листья со стеблями, где в процессе биосинтеза строятся белки;

- использование растительных белков в качестве питания животными;

- разложение животных останков с выделением аммиака, используемого бактериями, и образование нитратов, частично восстанавливаемых до элементарного азота, возвращаемого в атмосферу.

Кислород. Назван переводом с латинского слова «oxygenium». При нормальных условиях - газ без цвета и запаха. Вместе с азотом и незначительным количеством других газов свободный кислород образует атмосферу Земли (23, 15% по массе или 20,95% по объёму, всего кг). В гидросфере содержится кг растворённого кислорода (то есть 1% атмосферного). Велики также запасы связанного кислорода: 58% атомов в земной коре - это атомы связанного кислорода.

Практически весь свободный кислород планеты возник и сохраняется в результате фотосинтеза. Фотосинтезом же, (от греческих слов «фотос» - свет и «синтез - соединение), называют процесс создания растениями органических молекул из неорганических за счёт энергии солнечного света. Происходит он из-за наличия в растениях хлоропластов, содержащих хлорофилл - вещество, которому своим существованием обязано всё живое на Земле. Ведь за исключением редчайших анаэробных бактерий, кислород при дыхании использует каждый организм, а следовательно - для живого он имеет первостепенное значение и является самым важным химическим элементом.

Страницы: 1, 2, 3