Основы достижения космологии XX века

7. Наша звезда - Солнце

     Солнце - рядовая звезда нашей Галактики. Поэтому такие проблемы, как источники энергии Солнца, его строение, образование спектра, являются общими для физики Солнца и звёзд. Для земного наблюдателя уникальность Солнца состоит в том, что это ближайшая к нам и единственная пока звезда, поверхность которой можно подвергнуть детальному изучению. Непосредственно с поверхности Земли Солнце изучают радио- и оптическими методами. Внеатмосферная астрономия позволила значительно расширить исследуемый диапазон частот электромагнитного излучения Солнца, а также приступить к детальному исследованию его корпускулярного излучения.

Грануляция - на первый взгляд диск Солнца кажется однородным. Однако, если приглядеться, на нем обнаруживается много крупных и мелких деталей. Даже при не очень хорошем качестве изображения видно, что вся фотосфера состоит из световых зернышек (называемых гранулами) и темных промежутков между ними. Это похоже на кучевые облака, когда смотришь на них сверху, с самолета. Размеры гранул невелики по солнечным масштабам - до 1000-2000 км в поперечнике; межгранульные дорожки более узкие, примерно 300-600 км в ширину. На солнечном диске наблюдается одновременно около миллиона гранул.  
    Картина грануляции не является застывшей: одни гранулы исчезают, другие появляются. Каждая из них живет не более 10 мин. Все это напоминает кипение жидкости в кастрюле. Такое сравнение не случайно, поскольку физический процесс, ответственный за оба явления, один и тот же. Это конвекция - перенос тепла большими массами горячего вещества, которые поднимаются снизу, расширяясь и одновременно остывая. Грануляция создает общий фон, на котором можно наблюдать гораздо более контрастные и крупные объекты - солнечные пятна и факелы.  
    Солнечные пятна - это темные образования на диске Солнца. В телескоп видно, что крупные пятна имеют довольно сложное строение: темную область тени окружает полутень, диаметр которой более чем в два раза превышает размер тени. Если пятно наблюдается на краю солнечного диска, то создается впечатление, что оно похоже на глубокую тарелку. Происходит это потому, что газ в пятнах прозрачнее, чем в окружающей атмосфере, и взгляд проникает глубже.  
    По величине пятна бывают очень разными - от малых, диаметром примерно 1000-2000 км, до гигантских, значительно превосходящих размеры нашей планеты. Отдельные пятна могут достигать в поперечнике 40 тыс. км. А самое большое из наблюдавшихся пятен достигало 100 тыс. километров.  
    Установлено, что пятна - это места выхода в солнечную атмосферу сильных магнитных полей. Магнитные поля уменьшают поток энергии, идущей от недр светила к фотосфере, поэтому в месте их выхода на поверхность температура падает. Пятна холоднее окружающего их вещества примерно на 1500 К, а следовательно, и менее ярки. Вот почему на общем фоне они выглядят темными.  
    Солнечные пятна часто образуют группы из нескольких больших и малых пятен, и такие группы могут занимать значительные области на солнечном диске. Картина группы все время меняется, пятна рождаются, растут и распадаются. Живут группы пятен долго, иногда на протяжении двух или трех оборотов Солнца (период вращения Солнца составляет примерно 27 суток). 

Внутреннее  строение Солнца

 
    Наше Солнце - это огромный светящийся газовый  шар, внутри которого протекают сложные  процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Внутренний объем  Солнца можно разделить на несколько  областей; вещество в них отличается по своим свойствам, и энергия  распространяется посредством разных физических механизмов. Познакомимся с ними, начиная с самого центра.  
    В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та "печка", которая нагревает его и не дает ему остыть. Эта область называется ядром. Под тяжестью внешних слоев вещество внутри Солнца сжато, причем чем глубже, тем сильнее. Плотность его увеличивается к центру вместе с ростом давления и температуры. В ядре, где температура достигает 15 млн кельвинов, происходит выделение энергии.  
    Эта энергия выделяется в результате слияния атомов легких химических элементов в атомы более тяжелых. В недрах Солнца из четырех атомов водорода образуется один атом гелия. Именно эту страшную энергию люди научились освобождать при взрыве водородной бомбы. Есть надежда, что в недалеком будущем человек сможет научиться использовать ее и в мирных целях (В 2005 году новостные ленты передавали о начале строительства первого международного термоядерного реактора во Франции).

Ядро имеет  радиус не более четверти общего радиуса  Солнца. Однако в его объеме сосредоточена  половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая  поддерживает свечение Солнца. Но энергия  горячего ядра должна как-то выходить наружу, к поверхности Солнца. Существуют различные способы передачи энергии  в зависимости от физических условий  среды, а именно: лучистый перенос, конвекция  и теплопроводность. Теплопроводность не играет большой роли в энергетических процессах на Солнце и звездах, тогда  как лучистый и конвективный переносы очень важны.  
    Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порции света - квантов. Плотность, температура и давление уменьшаются по мере удаления от ядра, и в этом же направлении идет поток энергии. В целом процесс этот крайне медленный. Чтобы квантам добраться от центра Солнца до фотосферы, необходимы многие тысячи лет: ведь, переизлучаясь, кванты все время меняют направление, почти столь же часто двигаясь назад, как и вперед. Но когда они в конце концов выберутся наружу, это будут уже совсем другие кванты. Что же с ними произошло?  

8. Ионная связь.  Примеры веществ с ионной связью

Ионная связь, как правило, возникает  между атомами типичных металлов и типичных неметаллов. Характерным  свойством атомов металлов является то, что они легко отдают свои валентные электроны, тогда как  атомы неметаллов способны легко  их присоединять.

Рассмотрим возникновение ионной связи, например, между атомами натрия и атомами хлора в хлориде  натрия NaCl.

Отрыв электрона от атома натрия приводит к образованию положительно заряженного иона – катиона натрия Na⁺.

Присоединение электрона к атому  хлора приводит к образованию  отрицательно заряженного иона –  аниона хлора Cl^-.

Между образовавшимися ионами Na⁺ и Cl^-, имеющими противоположный заряд, возникает электростатическое притяжение, в результате которого образуется соединение – хлорид натрия с ионным типом химической связи.

Ионная связь – это химическая связь, которая осуществляется за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов.

Таким образом, процесс образования  ионной связи сводится к переходу электронов от атомов натрия к атомам хлора с образованием противоположно заряженных ионов, имеющих завершенные  электронные конфигурации внешних  слоев.

Экспериментально установлено, что  в действительности электроны не отрываются полностью от атома металла, а лишь смещаются в сторону  атома хлора. Это смещение тем  значительней, чем больше разность электроотрицательностей атомов, между  которыми образуется ионная связь. Однако даже в случае фторида цезия CsF, в  котором разность электроотрицательностей  превышает 3.0, заряд атома цезия  не равен 1+. Это означает, что электрон атома цезия не полностью переходит  к атому фтора. В случае других соединений, для которых разность электроотрицательностей не так  велика, смещение электрона еще меньше, и поэтому следует говорить об ионной химической связи с определенной долей ковалентной.

Соединения, в которых вклад  ионной связи значителен, принято  называть ионными. Большинство бинарных соединений, содержащих атомы металлов, являются ионными, т. е. в них химическая связь в значительной степени  ионная. К числу таких соединений относятся галогениды, оксиды, сульфиды, нитриды и др.

Ионная связь возникает не только между простыми катионами и простыми анионами типа F^-, Cl^-, F^2-, но и между простыми катионами и сложными анионами типа NO₃^-, NO₄^2-, NO₄^3- или гидроксид-ионами ОН^-. Подавляющее большинство солей и оснований являются ионными соединениями, например Na₂SO₄, Cu(NO₃)₂, Mg(OH)₂. Существуют ионные соединения, в состав которых входят сложные катионы, не содержащие атомы металла, например ион аммония NH₄⁺, а также соединения, в которых сложными являются и катион, и анион, например сульфат аммония(NH₄)₂SO₄.

Чисто ионной связью называется химически связанное состояние атомов, при котором устойчивое электронное окружение достигается путём полного перехода общей электронной плотности к атому более электроотрицательного элемента. 
На практике полный переход электрона от одного атома к другому атому-паренеру по связи не реализуется, поскольку каждый элемент имеет большую или меньшую, но не нулевую, электроотрицательность, илюбая связь будет в некоторой степени ковалентной. 
Ионная связь возможна только между атомами электроположительных и электроотрицательных элементов, находящихся в состоянии разноименно заряженных ионов. 
Ионы - это электрически заряженные частицы, образующиеся из нейтральных атомов или молекул путем отдачи или присоединениэлектронов.При отдаче электронов образуется положительно заряженный ион-катион, при присоединении-отрицательный-анион.  
При отдаче или присоединении электронов молекулами образуются молекулярные или многоатомные ионы, например О²⁺ - катион диоксигенила, NO^2- -нитрит-ион. 
Одноатомные катионы и одноатомные анионы возникают при химической реакции между нейтральнами атомами путем взаимопередачи электронов. При этом атом электроположительного элемента, обладающий небольшим числом внешних электронов, переходит в более устойчивое состояние одноатомного катиона путем уменьшения числа этих электронов. Наоборот, атом электроотрицательного элемента, имеющий большое число электроно на внешнем слое , переходит в более устойчивое для него состояние одноатомного иона путем увеличения числа электронов. 
Одноатомные катионы образуются, как правило, металлами, а одноатомные анионы-неметаллами. При передаче электронов металлического и неметаллического элементов стремятся сформировать вокруг своих ядер устойчивую конфигурацию электронной оболочки. Атом неметаллического элемента создает внешнюю оболочку последующего благородного газа, тогда как атом металлического элемента после отдачи внешних электронов получает устойчивую конфигурацию предыдущего благородного газа.

Схема образования ионной связи.

Кулоновские силы притяжения, возникающие при  взаимодействии заряженных ионов, сильные  и действуют одинаково во всех направлениях. В результате этого  расположение ионов упорядочивается  в пространстве определенным образом, образуя ионную кристаллическую  решётку. Вещества с ионной КР при  обычных условиях находятся в  кристаллическом состоянии, они  имеют высокие температуры плавления  и кипения.

9. Основные функции живого (дыхание, питание, движение )

Живое отличается от неживого. Культура древнего мира не признавала разделения на живое и мертвое. С точки зрения древних (носящей название анимизма), все существующее в мире и доступное наблюдению представлялось живым. С накоплением опыта общения с природой, наблюдения и экспериментирования сформировались представления о границе между живым и неживым.

Существует несколько  подходов к определению признаков  живого вещества. Один из них состоит  в том, что живая материя имеет  следующие признаки:

• питание: пища необходима как источник нужных веществ, энергии и информации;
• дыхание: является одним из источников химической энергии, относится к процессам обмена вещества и энергии;
• выделение: способ выведения из организма продуктов
• обмена веществ;
• подвижность и рост: движение в пространстве и движение внутри единиц жизни;
• размножение: передача эстафеты жизни от одного поколения к другому;
• раздражимость: реакция всех живых существ на изменения внешней и внутренней среды;
• гомеостаз: способность поддержания внутреннего химического состава и протекания всех физиологических процессов при непрерывно изменяющихся внешних условиях; одно из ведущих отличий живого от неживого;
• дискретность: жизнь проявляется в дискретных формах.

В современном понимании  биология - совокупность наук о живой  природе, об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых  существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

Растения и животные существуют в тесной связи с окружающей неживой  природой и другими организмами. В процессе исторического развития и естественного отбора на Земле  сформировались группы организмов - сообщества, тесно связанные с определенными  природными зонами и поясами. Они  носят название биом.

Самый высокий уровень  организации жизни на Земле - биосфера. Этот термин появился в конце XIX века и характеризует область активной жизни, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В.И. Вернадский создал учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в  которой совокупная деятельность живых  организмов, включая человека, является геохимическим фактором планетарного масштаба и значения. Он выделял  в биосфере косное (солнечная энергия, почва и т.д.) ибиокосное (органическое) вещества.