Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

   Открытие радиоактивности относится к 1896г., когда А. Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает излучение, названное им радиоактивным (от. radio – излучаю и activas – действенный).

  Радиоактивное излучение возникает при самопроизвольном распаде атомного ядра. Известно несколько типов радиоактивного распада и радиоактивного излучения.

1) α-Распад. Распад ядра  с выделением α-частиц, которые  являются ядрами He2+. Например,

22688Ra → 22286Rn + 42He ;

23892U → 23490Th + 24α (He)

  В соответствии с законом радиоактивного смещения, при α-распаде получается атом, порядковый номер которого на две единицы, а атомная масса на четыре единицы меньше, чем у исходного атома.

2) β-Распад. Различают несколько  видов β-распада: электронном  β-распаде, например,

9088Sn → 9089Y + β; 

3215P → 3216S + β 

   Нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной β-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется.

  При позитронном β-распаде из атомного ядра выделяется позитрон (β-частица), а потом внутри ядра превращается в нейтрон. Например:

2211Na → 2210Ne + β

 Продолжительность жизни  позитрона невелика, так как при  столкновении его с электроном  происходит аннигиляция, сопровождающаяся  испусканием γ-квантов.

3) При К-захвате ядро  атома захватывает электрон из  близлежащей электронной оболочки (из К-оболочки) и один из протонов  ядра превращается в нейтрон.  Например,

6431Cu→6430Ni+n

4019K + e= 4818Ar + hv

 На свободное место  в К-оболочке переходит один  из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием  жёсткого рентгеновского излучения.

  Спонтанное деление. Оно характерно для элементов периодической системы Д. И. Менделеева с Z>90. При спонтанном делении тяжёлые атомы делятся на осколки, которыми обычно являются элементы середины таблицы Л. И. Менделеева. Спонтанное деление и α-распад ограничивают получение новых трансурановых элементов.

   Поток α и β-частиц называют соответственно α и β-излучением. Кроме того, известно γ-излучение. Это электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны. В принципе, γ-излучение близко к жёсткому рентгеновскому и отличается от него своим внутриядерным происхождением. Рентгеновское излучение при переходах в электронной оболочке атома, а γ-излучение испускает возбуждённые атомы, получившиеся в результате радиоактивного распада (α и β).

   В результате радиоактивного распада получаются элементы, которые по заряду ядер (порядковому номеру) должны быть помещены в уже занятые клетки периодической системы элементами с таким же порядковым номером, но другой атомной массой. Это так называемые изотопы. По химическим свойствам их принято считать неразличимыми, поэтому смесь изотопов обычно рассматривается как один элемент. Неизменность изотопного состава в подавляющем большинстве химических реакций иногда называют законом постоянства изотопного состава. Например, калий в природных соединениях представляет собой смесь изотопов, на 93,259% из 39 К, на 6,729% из 41 К и на 0,0119% из 40 К (К-захват и β-распад). Кальций насчитывает шесть стабильных изотопов с массовыми числами 40, 42,43,44,46 и 48. В химико-аналитических и очень многих других реакциях это соотношение сохраняется практически неизменным, поэтому для разделения изотопов химической реакции обычно не применяются. Чаще всего для этой цели используются различные физические процессы – диффузия, дистилляция или электролиз.

  Единицей активности изотопа является беккерель (Бк), равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1с происходит один акт распада.

Термоядерные  реакции.

   В 1939 г. известный американский физик Бете дал количественную теорию ядерных источников звёздной энергии. Что же это за реакции? Как уже и упоминалось, это термоядерные реакции. Как известно, звёзды по большей части состоят из водорода, (правда есть и исключения) поэтому вероятность столкновения двух протонов очень велика. При столкновении протона с другим протоном (или другим ядром) он может притянуться к ядру за счёт ядерных сил. Ядерные силы действуют на расстояниях порядка размеров самого ядра (т. е. 10 м). Для того чтобы приблизится к ядру на столь малое расстояние, протону необходимо преодолеть весьма значительную силу электростатического отталкивания («кулоновский барьер»). Ведь ядро тоже заряжено положительно. Простые расчеты показывают, что энергия соответствующая этому переходу - 1000 кэВ. Между тем независимые оценки показывают, что в Солнце протоны имеют энергию около 1 кэВ, т. е. в 1000 раз меньшую. Протонов с нужной энергией в недрах звёзд практически не будет. Казалось бы, при такой ситуации никаких ядерных реакций там происходить не может. Но это не так. Дело в том, что согласно законам квантовой механики протоны, энергия которых даже незначительно меньше 1000 кэВ, всё же, с некоторой небольшой вероятностью, могут попасть в ядро. Эта вероятность быстро уменьшается с уменьшением энергии протона, Но она не равна нулю. В то же время число протонов по мере приближения их энергии к средней тепловой будет стремительно расти. Поэтому должна существовать такая «компромиссная» энергия протонов, при которой малая вероятность их проникновения в ядро «компенсируется» их большим количеством. Оказывается,  что в условиях звёздных недр эта энергия близка к 20 кэВ. Только приблизительно одна стомиллионная доля протонов имеют такую энергию. И всё же этого оказывается как раз достаточно, чтобы ядерные реакции происходили с такой скоростью, что выделяющаяся энергия точно соответствовала бы светимости звёзд.

Как уже и указывалось, сущность ядерных реакций внутри Солнца и звёзд состоит в том, что через ряд промежуточных  этапов четыре ядра водорода (протоны) объединяются в одно ядро гелия (-частицы), причём избыточная масса выделяется в виде энергии, нагревающей среду, в которой происходят реакции.

Радиоактивность.

   Самопроизвольное превращение атомов одного элемента в атомы других элементов, сопровождающееся испусканием частиц и жесткого электромагнитного излучения. Историческая справка. Беккерель. Весной 1896 французский физик А.Беккерель сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излучения (впоследствии названном радиоактивным), которое испускается солями урана. Подобно открытым за несколько месяцев до этого рентгеновским лучам, оно обладало проникающей способностью, засвечивало экранированную черной бумагой фотопластинку и ионизировало окружающий воздух. Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля под влиянием исследований Рентгена. Поскольку при генерации Х-лучей наблюдалась фосфоресценция стеклянных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил, что любое фосфоресцентное свечение сопровождается испусканием рентгеновского излучения. Для проверки этого предположения он поместил различные фосфоресцирующие вещества на завернутые в черную бумагу фотопластинки и получил неожиданный результат: засвеченной оказалась единственная пластинка, с которой соприкасался кристалл соли урана. Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком бы химическом соединении он ни находился. Свойство радиоактивного излучения вызывать ионизацию воздуха позволило наряду с фотографическим методом регистрации применять более удобный электрический метод, что значительно ускорило процесс исследований.

139.Условия, необходимые для появления и развития жизни.

Прежде, чем объяснить  природу зарождения жизни, в первую очередь необходимо определить, какие  условия должны существовать, чтобы  на планете могла зародиться, по крайней мере, белковая жизнь. Девять планет солнечной системы — наглядный  пример этому. В данный момент, только на планете Земля существуют необходимые  и достаточные условия для  жизни или, по крайней мере, сложноорганизованной живой материи. И первоочередной задачей является определение этих условий. Исходя из понимания вышеупомянутых процессов, происходящих на макро- и  микроуровнях пространства, можно выделить следующие условия, необходимые  для зарождения жизни:

1. Наличие постоянного  перепада мерности ς. Величина  постоянного перепада мерности  и коэффициент квантования пространства  γi (определяющий количество форм  материй данного типа, которые  могут слиться в пределах этого  перепада) определяют эволюционный  потенциал возможной жизни. Кратность  этих величин — критерий, дающий  представление о количестве качественных  барьеров (уровней), возникающих внутри  этого перепада мерности. Количество  барьеров характеризует качественное  многообразие возможной жизни.  В том числе, возможность появления  разума и его развития. Мерность  макропространства, после завершения  формирования планеты, возвращается  к исходному уровню, который был до взрыва сверхновой звезды. После завершения процесса образования возникает постоянный перепад мерности между уровнем мерности физически плотного вещества (2.89915) и уровнем мерности окружающего макрокосмоса (3.00017). Таким образом, постоянный перепад мерности является необходимым условием возникновения жизни. Важное значение имеет величина этого перепада. Именно величина перепада определяет эволюционный потенциал живой материи, жизни. Минимальный перепад мерности, при котором возможно зарождение жизни, должен быть равен:

ς = 1 γi (ΔL)                             (4.2.1)

Появление элементов разума и зарождение памяти, без которой  невозможно развития разума, возможно при перепаде мерности, равном:

ς = 2 γi (ΔL)                             (4.2.2)

Необходимым условием для  возникновения разума и его эволюции является перепад мерности:

ς = 3 γi (ΔL)                             (4.2.3)

Таким образом, используя  перепад мерности, как критерий, можно говорить о требовании к  качественной структуре пространства-вселенной (для нашего пространства-вселенной (γi (ΔL) = 0.020203236...). Только пространства-вселенные, образованные тремя и большим  количеством форм материй имеют  необходимые условия для зарождения жизни и разума

2. Наличие воды. Вода является  основой органической жизни на  нашей планете. Конечно же, существуют  формы жизни не только на  белковой основе. Но для начала, необходимо проследить закономерности  возникновения белковой жизни.  Необходимо понять, что происходит  в нашем собственном доме перед  тем, как заглядывать в чужие.

3. Наличие атмосферы. Атмосфера  является наиболее динамичной, активной  частью планеты. Она быстро  и резко реагирует на изменения  состояния внешней среды, что  очень важно для возникновения  жизни. Наличие в атмосфере  кислорода и углекислого газов  — знак наличия на планете  белковой жизни. Атмосфера не должна быть очень плотной и чрезмерно разрежённой. При очень плотной атмосфере излучения звезды не достигают поверхности планеты и не нагревают её. При этом нижние слои атмосферы не поглощают излучения звезды и тепловые излучения поверхностных слоёв планеты. В результате, перепад мерности между освещённой и ночной частями поверхности планеты не возникает. И, как следствие, не возникает движение атмосферных масс в нижних слоях атмосферы. При отсутствии градиента (перепада) мерности вдоль поверхности планеты, не возникают атмосферные электрические разряды. В чрезмерно разрежённой атмосфере нижние слои имеют возможность поглощать излучения звезды и тепловые излучения поверхности. Но, при этом, не возникает движение атмосферных масс, как результат её чрезмерной разрежённости. Как известно, величина и плотность атмосферы определяется размером и массой планеты. Поэтому, только планеты, соизмеримые по размерам и массе с нашей планетой Землёй имеют максимально благоприятные условия для возникновения белковой жизни. Атмосфера не должна быть ни чрезмерно «тяжёлой», ни чрезмерно «лёгкой».

4. Наличие периодической  смены дня и ночи. Планетарные  сутки не должны быть очень  короткими или очень длинными. Планеты с продолжительностью  планетарных суток в пределах  диапазона 18-48 земных часов имеют  максимально благоприятные условия  для возникновения жизни. При  массовом поглощении фотонов  света атомами поверхностного  слоя больших площадей, происходит  увеличение уровня мерности этого  слоя на некоторую величину  ΔL. Эта величина соответствует  амплитуде волн, которые поглощаются  поверхностным слоем планеты  (инфракрасное, оптическое, ультрафиолетовое  излучения Солнца). В результате  этого, перепад между уровнями  мерности атмосферы и поверхности  планеты в зоне поглощения  уменьшается на величину ΔL, в  то время, как неосвещённая  или ночная часть поверхности  сохраняет прежний перепад уровней  мерности между атмосферой и  поверхностью. Таким образом, возникает  перепад мерности между освещённой и неосвещённой зонами поверхности планеты. Возникает параллельный поверхности планеты перепад (градиент) мерности. Определяющее значение имеет величина этого перепада. Дело в том, что молекулы атмосферы находятся под воздействием гравитационного поля планеты, существующего постоянно, как следствие формирования в зоне неоднородности макропространства постоянного перепада мерности, направленного от внешних границ к центру зоны неоднородности.

   Гравитационное поле планеты компенсируется тем, что каждый атом или молекула атмосферы имеют уровни собственной мерности, очень близкие к верхней границе диапазона устойчивости физически плотного вещества. Вступает в силу, так называемый, «эффект поплавка», когда каждая молекула или атом стремятся к положению максимально устойчивого состояния равновесия. Именно, благодаря этому, молекулы и атомы атмосферы не падают на поверхность планеты, как молекулы и атомы более тяжёлых элементов. Перепад (градиент) мерности между дневной и ночной зонами направлен вдоль поверхности планеты, что приводит в движение свободные материи параллельно её поверхности от зоны с большим уровнем мерности (освещённая поверхность) к зоне с меньшим уровнем мерности (неосвещённая поверхность). В результате появления второго направления движения свободных материй параллельно поверхности, возникает перепад атмосферного давления (Рис. 4.2.1) и уменьшается сила тяжести.

Рис. 4.2.1

   Так как молекулы атмосферы не связаны между собой в жёсткие (твёрдое состояние вещества) или полужёсткие системы (жидкое состояние вещества), то перепад мерности пространства вдоль поверхности приводит к тому, что поток свободных материй увлекает за собой молекулы, образующие атмосферу. Воздушные массы приходят в движение, возникает ветер. При этом, «разогретые» молекулы (молекулы, поглотившие солнечные излучения) перемещаются на неосвещённую территорию, где происходит спонтанное (самопроизвольное) излучение ими волн. Другими словами, вследствие того, что собственный уровень мерности этих молекул выше собственного уровня атмосферы неосвещённой поверхности, этот перепад, между мерностью среды и собственной мерностью разогретых молекул, вызывает неустойчивое состояние последних и провоцирует спонтанное излучение молекулами волн. «Холодные» молекулы, в свою очередь, имеют уровень собственный мерности ниже собственного уровня мерности освещённой территории, что провоцирует массовое поглощение излучений Солнца и тепловых излучений освещённой поверхности. Постепенно происходит выравнивание между собственным уровнем мерности освещенной поверхности и собственным уровнем мерности молекул. При этом, если собственный уровень мерности «холодных» молекул значительно отличается от собственного уровня мерности освещённой территории, происходит снижение последнего. Когда собственный уровень мерности освещённой территории опускается до уровня, так называемой, точки «росы», молекулы воды из газообразного состояния переходят в жидкое. Выпадает роса. Если это происходит на уровне облачности, процесс каплеобразования приобретает цепной характер, и выпадает дождь. При этом, состояние качественного барьера между вторым и физическим уровнями возвращается к норме. В случае, когда этот процесс происходит быстро и резко, скопившиеся на уровне качественного барьера свободные материи стекают лавинообразно. И, как следствие, возникают атмосферные электрические разряды — молнии. Аналогией этому процессу может послужить плотина на реке, у которой открыли все шлюзы, и вся вода, накопленная плотиной, освобождается одновременно. Периодическая смена дня и ночи делает закономерным и естественными описанное выше.