Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

Равновесное излучение (излучение  абсолютно черного тела), электромагнитное излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом, испускающим и поглощающим это излучение. Равновесное излучение не зависит от природы излучающего вещества и полностью определяется температурой излучающего тела.

Абсолютно чёрное тело — физическая идеализация, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Важность абсолютно чёрного  тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного (и исторически это было уже сделано к концу XIX века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план). Термин был введён Густавом Кирхгофом в 1862 году.

Абсолютно белое тело-антипод абсолютно черно тела, также является идеализацией, абсолютно белое тело не способно ни излучать, ни поглощать.

Теория Максвелла не смогла объяснить  процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т.д. Теория Лоренца в свою очередь не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой н - Е = h·н, где h - постоянная Планка.

Гипотеза Планка — гипотеза, выдвинутая 14 декабря 1900 года Максом Планком и  заключающаяся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию ε, пропорциональной частоте ν излучения:

 

ε=hν,

 

где h — коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка. На основе этой гипотезы он предложил  теоретический вывод соотношения  между температурой тела и испускаемым этим телом излучением — формулу Планка:

 

 

Позднее гипотеза Планка была подтверждена экспериментально.

Выдвижение этой гипотезы считается  моментом рождения квантовой механики. Также квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия излучения с веществом.

 

ЗАДАЧА.

Для решения задачи применим закон  смещения Вина:

 

λ_макс.=0,0028999/Т,

 

где λ_макс- длина волны с максимальной интенсивностью в метрах, T — температура в кельвинах. Выразим из этого уравнения температуру:

Т=0,0028999/ λ_макс.

 

Подставим значения из задачи получим:

 

Т=0,002899/1930*10^-10

Т=15025,39 ⁰К

 

Ответ: Т=15025,39 ⁰К

 

Задание 9.   Охарактеризуйте реакции синтеза ядер и условия их осуществления. Где такие условия имеют место в природе? Каковы перспективы использования реакций синтеза ядер в энергетике? Считая светимость Солнца постоянной, определите, какую долю массы Солнце потеряет за свою жизнь из-за излучения.

Ядерные взаимодействия с частицами  носят весьма разнообразный характер, их виды и вероятности той или иной реакции зависят от вида бомбардирующих частиц, ядер-мишеней, энергий взаимодействующих частиц и ядер и многих других факторов.

Деление ядра — процесс расщепления  атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма- кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

При нормальной температуре слияние  ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают огромные силы кулоновского отталкивания. Для синтеза легких ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10−15 м, на котором действие ядерных сил притяжения будет превышать кулоновские силы отталкивания. Для того чтобы произошло слияние ядер, необходимо увеличить их подвижность, то есть увеличить их кинетическую энергию. Это достигается повышением температуры. За счет полученной тепловой энергии увеличивается подвижность ядер, и они могут подойти друг к другу на такие близкие расстояния, что под действием ядерных сил сцепления сольются в новое более сложное ядро. В результате слияния легких ядер освобождается большая энергия, так как образовавшееся новое ядро имеет большую удельную энергию связи, чем исходные ядра. Термоядерная реакция — это экзоэнергетическая реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре (107 К).

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: