Вы на НеОфициальном сайте факультета ЭиП

На нашем портале ежедневно выкладываются материалы способные помочь студентам. Курсовые, шпаргалки, ответы и еще куча всего что может понадобиться в учебе!
Главная Контакты Карта сайта
 
Где мы?
» » » Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры

Реклама


Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры

Просмотров: 5589 Автор: admin

В материальном мире существует иерархия структур различного масштаба. Они выстраиваются в определённом порядке в соответствии со «структурно–масштабной лестницей»: в зависимости от размера их условно относят к объектам мегамира (от греч. megas – великий, грандиозный), макромира (от греч. macros – большой, крупный) или микромира (от греч. micros– малый).

К мегамирам отнесены следующие космические объекты: звёзды, галактики, квазары, планеты, кометы. Понятие макроскопические объекты в достаточной степени условное, обычно под ним понимают объекты, соразмерные человеку, окружающие его в повседневной жизни. Микромир, в современном понимании,  это мир элементарных частиц (атомов, молекул, радикалов, ионов, некоторых надмолекулярных структур – клеток, хромосом и т. д.).

Мегагалактика – доступная для наблюдения часть Вселенной (как с помощью телескопов, так и невооружённым глазом). Современная космология, основанная на теории относительности Эйнштейна, определяет возраст Вселенной в
13–15 млрд. лет. Никаких галактик, квазаров до этого не существовало. Все они возникли позже. Например, первые световые лучи галактики, образованной
12 млрд. лет тому назад на расстоянии 20 млрд. световых лет, еще в пути на расстоянии 20–12 млрд. световых лет от Земли и достигнут её через 8–10 млрд. лет.

Космологический горизонт находится на расстоянии, которое свет прошёл за время, равное возрасту Вселенной, то есть горизонт удалён от нас на 13–15 млрд. световых лет. Со временем свет приходит к нам из более и более далёких галактик, т.е. космологический горизонт (граница метагалактики) отступает от нас на 3·108 метров каждую секунду (со скоростью света).

Ячеистая структура (воиды, стены, сверхскопления галактик). Если говорить о масштабе в несколько квадратных градусов, то распределение галактик оказывается на удивление равномерным, но с ярко выраженными пустотами и сгущениями. Как же действительно расположены галактики в пространстве? Эстонские астрономы (1975 г.), зная расстояния до нескольких тысяч галактик, построили пространственную модель из пластмассовых шариков, моделирующих галактики, расположенные на определенном расстоянии от фиксированного центра (наша Галактика). Оказалось, что галактики образуют ячейки типа пчелиных сотов. Вдоль стенок этих ячеек расположены галактики, а внутри пустоты (так называемые воиды, от английского void – пустота). Поэтому больше всего галактик насчитывалось не в стенках ячеек, а в узлах – в тех местах, где пересекаются стенки. Такие объекты называются «сверхскоплениями» галактик и насчитывают до десятка тысяч отдельных галактик.

Необходимо ещё раз подчеркнуть, что в очень большом масштабе (значительно больше масштаба ячеек) распределение вещества оказывается равномерным. То есть, если взять в разных местах Вселенной два гигантских куба с рёбрами в 100 млн. световых лет и количество содержащегося в каждом из них вещества, то результат будет одинаковый, в какое место Мегагалактики не помещали бы эти кубы. Разделив полную массу вещества на объём куба, получим среднюю плотность вещества во Вселенной:  r = 3·10–27…3·10–26 кг/м3.

Известны скопления галактик, так называемые «малочисленные группы», или местная группа галактик. В неё входят две большие спиральные галактики: наша галактика и туманность Андромеды, а также ряд галактик меньших размеров. Кроме того, каждая главная спиральная галактика имеет несколько галактик-спутников. Например, у туманности Андромеды имеется пять маленьких и пять больших спутниковых галактик. У нашей Галактики крупнейшими спутниками являются Большое и Малое Магеллановы Облака. Кроме того, у неё много карликовых галактик (по крайней мере, 14 штук). Всего в Местной группе галактик насчитывается 38 галактик. На расстоянии 3 Мпк (мегапарсек) от нас в созвездии Гончих Псов находится другая группа, из 34 галактик. Всего сейчас известно несколько десятков подобных групп. Типичные их размеры – от 0,1 до
1,0 Мпк.

Галактики – звёздные системы. Суммарная масса звёзд, газа и пыли галактик составляет 1/10 долю от полной их массы и 9/10 массы веществ галактик находится в скрытой, невидимой форме. Эта загадочная «скрытая масса» находится в гигантских гало (оболочках) галактик в виде слабо светящегося газа, в форме многочисленных светящихся звёзд или в форме тёмных (коричневых карликов) звёзд и планет. Массы большинства галактик колеблются в пределах от 109 до 1012 от массы солнца (МС). Размеры галактик (их видимой части) варьируют в пределах от 1 до 100 килопарсек. Большинство галактик выглядят как гигантские спирали – туманность Андромеды, туманность Треугольника и наша Галактика (разумеется, нашу Галактику, в отличие от других, никто не видел со стороны). Примерно четверть всех известных галактик имеют круглую или эллиптическую форму. И третий вид галактик – это галактики неправильной (асимметричной) формы, они так и называются – неправильные (irregular). У многих галактик в «центральной части» имеется яркое плотное ядро, которое состоит в основном из звёзд (как и ядро нашей Галактики). В некоторых ядрах, в самом их центре, происходит колоссальное выделение энергии, которое нельзя объяснить излучением или взрывами обычных звезд, это галактики с «активными» ядрами. В 1963 году были обнаружены объекты, подобные активным ядрам галактик. Это квазизвёздные, то есть похожие на звёзды объекты – квазары. Квазары самые далёкие объекты, наблюдаемые во Вселенной, некоторые их них находятся на таком расстоянии, что их пока невозможно обнаружить (самый далекий – около 14 млрд. световых лет). Сейчас известно около 14 тыс. квазаров. Астрономические наблюдения (как «машина времени»), позволяют заглянуть в прошлое. Например, глядя сегодня на звезду Альфа Центавра, можно сказать, что она так выглядела 4 года и 4 месяца тому назад – столько времени идёт от неё свет. А туманность Андромеды находится на расстоянии 2 млн. световых лет, следовательно, сегодня наблюдаются процессы, происходящие в ней 2 млн. лет тому назад. Многие квазары удалены от нас на расстояния более 1 млрд. световых лет. По-видимому, именно они «населяли» Вселенную несколько миллиардов лет назад. Их давно уже нет, но «земляне» их наблюдают.

Скопления звёзд: шаровые скопления и рассеянные. Шаровые скопления – это массивные объекты правильной сферической формы, содержащие сотни тысяч и даже миллионы звёзд. Их массы варьируют в широких пределах – от 105 до 107 массы Солнца. Размеры шаровых скоплений – около 100 пк. Рассеянные звёздные скопления можно найти в любой части неба, но больше всего их вблизи Млечного Пути. Они содержат десятки, сотни, а наиболее крупные – тысячи звёзд. Почему в галактиках образуются звёздные скопления? Постепенно ли сближаются звёзды, образуя скопления, или сразу рождаются «гнёздами», а затем эти скопления рассыпаются? В настоящее время установлено, что звёзды рождаются не поодиночке, а группами из массивных газопылевых облаков.

Структуры большого масштаба, рассмотренные ранее, состоят из звёзд. Звезда – основная структурная составляющая мегамира. Известно много типов и видов звёзд. Одна и та же звезда в зависимости от массы и возраста проходит различные эволюционные фазы, переходит из одного типа в другой. Все звёзды делятся на две категории: обыкновенные (иногда их называют «нормальные») и компактные. Размеры «нормальных» звёзд варьируются от размера Солнца (или немного меньше) до 108…1011 метров – это звёзды-сверхгиганты. Размеры компактных звёзд в диаметре колеблются от нескольких километров (чёрные дыры, нейтральные звёзды) до нескольких тысяч километров (белые карлики).

Вместе со звёздами в структуры большого масштаба входят также планеты и планетные системы, например, наша солнечная система. Есть ряд доказательств существования множества планетных систем, оценены массы планет, входящих в эти системы, их размеры. И всё же относительно точно изучена только солнечная система. Её размер можно определить как диаметр орбиты Плутона (~ 1013 метров).

Известны объекты, представляющие собой планетные системы в стадии формирования – протозвёзды с плотопланетным диском. Производится оценка их размеров, масс и составов.

Все окружающие нас тела, предметы и живые организмы это объекты макромира. Человек, разумеется, относится к объектам макроскопических тел.

В табл. 2 представлены названия структур (ступеньки структурно-масштабной лестницы), их характерные размеры в метрах (в логарифмическом масштабе) и тип фундаментального взаимодействия, ответственного за целостность данной структуры.

 

При определении СО химических элементов необходимо руководствоваться следующими правилами:

· знак СО химического элемента в соединении возможно определить, если знать последовательность связи элементов (структурную формулу) и величину относительной электроотрицательности (ЭО) атомов (характеристику способности атома отдавать или присоединять электроны; чем меньше ЭО, тем легче атом отдаёт электроны);

· атом водорода в соединениях с атомами неметаллов имеет СОН = +1,так как ЭОН < ЭОэлемента;

· атом водорода в соединениях с атомами металлов (в гидридах) имеет
СОН = –1, так как ЭОН > ЭОМе;

· атом фтора (VII группа в периодической системе – ПС), имеет наибольшую электроотрицательность, и СОF может быть только отрицательной (СОF = –1);

· атом кислорода (VI группа в ПС) имеет вторую по величине ЭО, поэтому у всех элементов, кроме фтора, кислород оттягивает электроны: как правило,
СОО = –2. В пероксидах (соединениях с водородом) не происходит смещения общей электронной пары (СОО(Н)= –1);

· у атомов металлов СО всегда положительная: для щелочных СОМе = +1; для щелочноземельных СОМе = +2;

· у атомов остальных элементов (металлов и неметаллов) СО имеет переменные величины: maxCO = №гр (номер группы элемента в ПС), а minCO = №гр – 8;

· сумма СО всех атомов в молекуле или кристалле химических соединений равна нулю, то есть молекула в целом электронейтральна;

· сумма СО многоатомного иона равна заряду этого иона. Если известны заряды (СО) всех атомов молекулы соединения, кроме одного, то решая алгебраическое уравнение, исходя из состояния равновесия возможно определить неизвестную СО элемента.

 

Электролитическая диссоциация. Это процесс распада растворенного вещества на ионы под воздействием растворителя. Электролиты – вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Проводимость электрического тока в электролитах обусловлена движением ионов. Растворяемые вещества в твёрдом состоянии (типа ионного кристалла) свободных ионов не содержат, и поэтому все они – хорошие изоляторы. Следовательно, ионы появляются только в процессе взаимодействия воды (растворителя) с растворяемым веществом или в процессе разрушения кристаллической решётки при плавлении. Причина диссоциации заключается в том, что молекула воды имеет большой дипольный момент (ре  =   6,1·10–30 Кл·м). Поэтому в жидкостях вокруг молекул растворяемого вещества (r = 5·10–10 м) возникает сильное электрическое поле, напряжённость которого

 

где ре – дипольный момент (диполь – электрическая система, состоящая из двух зарядов g, равных по величине и противоположных по знаку); e0 – электрическая постоянная (e0 = 8,85×10–12 Кл2/Н×м2); r – расстояние между точечными зарядами. Данный процесс обратимый – наряду с диссоциацией молекулы на два иона идёт обратный процесс рекомбинации (восстановления) ионов в нейтральную молекулу. Положительные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательные (анионы) – к аноду.

 

Молекулы воды обволакивают ион, образуя вокруг него сольватную оболочку (рис. 3). Это, во-первых, затрудняет рекомбинацию ионов, и при малых концентрациях раствора всё растворяемое вещество оказывается диссоциированным; во-вторых, затрудняет движение ионов – фактически в растворе движется не отрицательный ион, а «сольват-шарик», состоящий из иона и сольватной оболочки вокруг него.

Скорость упорядоченного движения сольватов возможно определить из следующих рассуждений. На сольват действуют электрическая сила  (Q – заряд иона, Q = ne, n– число носителей заряда, e – величина заряда; Е – напряжённость электрического поля, Е = Fе / Q) и сила сопротивления трения  (h – динамическая вязкость жидкости; r– радиус движущейся частицы (сольвата); u – скорость сольвата). Сольват движется равномерно, когда сила сопротивления уравновешивает электрическую силу: . При решении данного соотношения относительно скорости движения .

Подвижность сольватов определяется как , а плотность тока, по закону Ома (электролит обладает проводимостью за счёт движения ионов),

 

где g – проводимость электролита:

,

где m+,  – соответственно подвижность положительных и отрицательных ионов; k – константа диссоциации; n0 – концентрация молекул растворённого вещества; , – соответственно радиусы положительного и отрицательного сольвата.

 

Следовательно, с увеличением константы диссоциации соответственно увеличивается и проводимость электролита.

 

При взаимодействии кислотных оксидов с водой образуются кислоты. Кислоты – это электролиты, которые полностью или частично диссоциируют в водных растворах или расплавах с образованием катионов водорода и анионов кислотного остатка.

 

Скачать vvedgl.123s-3-32.doc [2,51 Mb] (cкачиваний: 54) 


Информация

Комментировать статьи на нашем сайте возможно только в течении 60 дней со дня публикации.

Популярные новости

Статистика сайта



Rambler's Top100



 
Copyright © НеОфициальный сайт факультета ЭиП