Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

     Прежде  всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного  на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде 

  + энергия (17,6 МэВ). 

     Выделенная  энергия (возникающая из-за того, что  гелий-4 имеет очень сильные ядерные  связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон  как более лёгкая частица. Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для термоядерного синтеза.

     Термоядерная  реакция используется в термоядерном оружии и находится на стадии исследований для возможного применения в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.

     Фотоядерная реакция. При поглощении гамма- кванта ядро получает избыток энергии без  изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям и, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

     Деление тяжелых ядер с образованием более  легких происходит в литосфере планеты Земля, так же фотоядерные реакции происходят в верхних слоях атмосферы нашей планеты. Термоядерные реакции и реакции нуклеосинтеза происходят в ядрах звезд под действием огромных температур и давлении.

     Несмотря  на распространённый оптимизм (с начала первых исследований 1950-х годов), существенные препятствия между сегодняшним  пониманием процессов ядерного синтеза, технологическими возможностями и практическим использованием ядерного синтеза до сих пор не преодолены. Неясным является даже насколько может быть экономически выгодно производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза. Хотя прогресс в исследованиях является постоянным, исследователи то и дело сталкиваются с новыми проблемами. Например, проблемой является разработка материала, способного выдержать нейтронную бомбардировку, которая, как оценивается, должна быть в 100 раз интенсивнее чем в традиционных ядерных реакторах. Тяжесть проблемы усугубляется тем что сечение взаимодействия нейтронов с ядрами, с ростом энергии перестаёт зависит от числа протонов и нейтронов и стремится к сечению атомного ядра — и для нейтронов энергии 14 МэВ просто не существует изотопа с достаточно малым сечением взаимодействия. Это обуславливает необходимость очень частой замены конструкций D-T и D-D реактора и ухудшает его рентабельность настолько, что стоимость конструкций реакторов из современных материалов для этих двух типов будет больше стоимости произведённой на них энергии. Решения возможны трёх типов[источник не указан 42 дня]:

     Отказ от чистого ядерного синтеза и  употребление его в качестве источника  нейтронов для деления урана  или тория.

     Отказ от D-T и D-D синтеза в пользу других реакций синтеза (например D-He).

Резкое  удешевление конструкционных материалов или разработка процессов их восстановления после облучения. Требует гигантских вложений в материаловедение, перспективы неопределённые.

     Побочные  реакции D-D (3 %) при синтезе D-He осложняют изготовление рентабельных конструкций для реактора, но не запрещают на современном технологическом уровне. 

ЗАДАЧА.

 Светимость солнца равна 3,8*1026 Вт, из уравнения Энштейна

     E=mc²

выразим массу:

m=E/ c²

где С-скорость света в вакууме, Е- энергия.

Подставив соответствующее значения получим:

m=3.9*10²⁶/300*10⁶ =4,33*10⁹ кг/с

такова  потеря массы в секунду. Есть мнение, что Солнце проживет 9 млрд лет, что значит

9*10⁹*365*24*3600=2,81*10¹⁷ сек., отсюда потери массы за всю жизнь Солнца будет равен

2,81*10¹⁷*4,33*10⁹=1,22*10²⁷ кг, что соответствует 1,22*10²⁷/1,9891*10³⁰=6,1*10^-4

Ответ: потеря составит 6,1*10^-4 от доли Солнца 

Задание 10.    Охарактеризуйте биотический круговорот и оцените биосферную роль хозяйственной деятельности человека. Чистая первичная продуктивность тропических лесов составляет 2016 г сухой массы на 1 м². На сколько тонн в год уменьшается фотосинтетическая фиксация углерода и выделение кислорода в литрах, если их площадь уменьшается на 100 тысяч км² в год? 

     Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. По определению Н.П. Ремезова, Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич, биотический (биологический) круговорот — это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.

     Первичный биотический круговорот по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994) состоял из примитивных одноклеточных продуцентов и редуцентов- деструкторов. Микроорганизмы способны быстро размножаться и приспосабливаться к разным условиям, например, использовать в своем питании всевозможные субстраты — источники углерода. Высшие организмы такими способностями не обладают. В целостных экосистемах они могут существовать в виде надстройки на фундаменте микроорганизмов.

     Вначале развиваются многоклеточные растения — высшие продуценты. Вместе с одноклеточными они создают в процессе фотосинтеза органическое вещество, используя энергию солнечного излучения. В дальнейшем подключаются первичные консументы — растительноядные животные, а затем и плотоядные консументы. Нами был рассмотрен биотический круговорот суши. Это в полной мере относится и к биотическому круговороту водных экосистем, например океана.

     Все организмы занимают определенное место  в биотическом круговороте и  выполняют свои функции по трансформации достающихся им ветвей потока энергии и по передаче биомассы. Всех объединяет, обезличивает их вещества и замыкает общий круг система одноклеточных редуцентов (деструкторов). В абиотическую среду биосферы они возвращают все элементы, необходимые для новых и новых оборотов.

     Следует подчеркнуть наиболее важные особенности  биотического круговорота.

     Фотосинтез  относится к мощному естественному  процессу, вовлекающему ежегодно в  круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющему ее высокий  кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере и фактором, определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, которая протекает, как известно, за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений: 

nCO₂ + nH₂О + энергия → С_nH_2nO_n + nO₂ 

     За  счет углекислоты и воды синтезируется  органическое вещество и выделяется свободный кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза являются различные органические соединения, а в целом процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер.

     Глюкоза является простейшим продуктом фотосинтеза, образование которой совершается  следующим путем: 

6СО₂ + 6Н₂O → С₆Н₁₂O₆ + 6O₂. 

     Помимо  фотосинтеза с участием кислорода (так называемый кислородный фотосинтез) следует остановиться и на бескислородном фотосинтезе, или хемосинтезе.

     К хемосинтезирующим организмам относятся  нитрификато-ры, карбоксидобактерии, серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления, которыми могут быть NH₃, NO₂, CO, H₂S, S, Fe²⁺, H₂. Некоторые виды — облигатные хемолитоавтотрофы, другие — факультативные. К последним относятся карбоксидобактерии и водородные бактерии. Хемосинтез характерен для глубоководных гидротермальных источников. Фотосинтез происходит за немногим исключением на всей поверхности Земли, создает огромный геохимический эффект и может быть выражен как количество всей массы углерода, вовлекаемой ежегодно в построение органического — живого вещества всей биосферы. В общий круговорот материи, связанной с построением путем фотосинтеза органического вещества, вовлекаются и такие химические элементы, как N, P, S, а также металлы — К, Са, Mg, Na, Al.

     При гибели организма происходит обратный процесс — разложение органического вещества путем окисления, гниения и т. д. с образованием конечных продуктов разложения. Следовательно, общую реакцию фотосинтеза можно выразить в глобальном масштабе следующим образом: 

mCO2 + nH2O <=> CmНn(H2O) + mO2 

     В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Биомасса экосферы (2*10¹² т) на семь порядков меньше массы земной коры (2*10¹⁹ т). Растения Земли ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 1,6*10¹¹ т, или 8% биомассы экосферы. Деструкторы, составляющие менее 1% суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную биомассу. В среднем период обновления биомассы равен 12,5 годам. Допустим, что масса живого вещества и продуктивность биосферы были такими же от кембрия до современности (530 млн лет), то суммарное количество органического вещества, которое прошло через глобальный биотический круговорот и было использовано жизнью на планете, составит 2*10¹²-5,3*10⁸/12,5 =8,5*10¹⁹ т, что в 4 раза больше массы земной коры. По поводу данных расчетов Н.С. Печуркин (1988) писал: «Мы можем утверждать, что атомы, составляющие наши тела, побывали в древних бактериях, и в динозаврах, и в мамонтах».

     Закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского гласит: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О₂, СО₂, Н₂ и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».

В.И. Вернадский в 1928—1930 гг. в своих глубоких обобщениях относительно процессов в биосфере дал представление о пяти основных биогеохимических функциях живого вещества.

     Первая  функция — газовая. Большинство  газов верхних горизонтов планеты  порождено жизнью. Подземные горючие  газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах. Наиболее распространенный — это болотный газ — метан (СН₄,).

     Вторая  функция — концентрационная. Организмы  накапливают в своих телах  многие химические элементы. Среди них на первом месте стоит углерод. Содержание углерода в углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть — концентратор углерода и водорода, так как имеет биогенное происхождение. Среди металлов по концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода — водоросли ламинарии, железа и марганца — особые бактерии. Позвоночными животными накапливается фосфор, сосредотачиваясь в их костях.

     Третья  функция — окислительно-восстановительная. В истории многих химических элементов с переменной валентностью она играет важную роль. Организмы, обитающие в разных водоемах, в процессе своей жизнедеятельности и после гибели регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения или же осаждения ряда металлов с переменной валентностью (V, Mn, Fe).

     Четвертая функция — биохимическая. Она связана с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию» живого вещества в разные географические области.

     Пятая функция — это биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории земного шара и заслуживает внимательного отношения и изучения. Таким образом, все живое население нашей планеты — живое вещество — находится в постоянном круговороте биофильных химических элементов. Биологический круговорот веществ в биосфере связан с большим геологическим круговоротом. Поскольку речь идет о колоссальном числе индивидуальных участников этих процессов, которые не сопряжены жесткими функциональными связями, то пригнанность компонентов биотического круговорота — явление совершенно исключительное. Круговорот полностью замкнут (Т.А. Акимова, В.В. Хаскин, 1994), когда существует точное равенство сумм прямых и обратных расходов: