Строение современной Вселенной.
Астрономы сегодня наблюдают большое количество галактик, в каждой из которых сосредоточено огромное количество материи в виде звезд и межзвездного вещества в виде пыли и газа. Форма наблюдаемых галактик может быть достаточно разнообразна. Чаще всего встречаются спиралевидные галактики, несколько реже чечевицеобразные и шаровые. В настоящее время учеными во Вселенной насчитывается около 100 тысяч миллиардов галактик, но это, по-видимому, далеко не предел, т. к. с улучшением телескопов обнаруживаются все новые галактики, удаленные от нашей Галактики на миллиарды световых лет. Наша Галактика находится в галактическом скоплении. Недалеко от нее, на расстоянии около 150 тыс. световых лет, находятся галактики – Магеллановы Облака, представляющие собой два больших пятна в небе южного полушария.
Поперечные размеры галактик могут в существенной степени варьировать от карликовых размеров в несколько десятков световых лет до размеров галактик гигантов с поперечником в 18 млн. световых лет. Кроме галактик во Вселенной также встречаются и меньшие скопления звезд. Они представляют собой шаровые образования и иногда настолько плотные, что звезды в них нельзя рассмотреть отдельно друг от друга.
Наша Галактика относится к галактикам спирального типа. По одним взглядам она имеет два рукава, по другим четыре. Основная масса вещества сконцентрирована в звездах в центре Галактики. Здесь происходят колоссальные взрывы с образованием звезд и потоков сильнейших космических излучений. Галактика наша летит от воображаемого центра Большого взрыва со скоростью 600 км. / c. Размеры нашей Галактики в длину до 80000 световых лет и в толщину около 10000 световых лет. В некоторых галактиках центр иной. Он представлен черной дырой, куда, по-видимому, засасывается окружающее вещество галактик
Звезды.
Звезды в Галактике могут быть дифференцированы как по размерам, так и по качественным характеристикам. По размерам звезды делят на сверхгиганты, нормальные гиганты, субгиганты, нормальные карлики и карлики. Например, самая крупная из известных звезд – Цефея, состоящая из разреженного газа, плотностью в тысячи раз меньше, чем наш воздух. Ее диаметр в 1000 раз больше диаметра Солнца. В свою очередь Солнце относится к нормальным желтым карликам радиусом 696000 км. и массой около 2*1027 т, что соответствует 99,866% массы всей солнечной системы. Средняя плотность нашей звезды 1,41 г/см3, а средняя плотность в центре около 150 г/см3, что соответствует примерно 14млн. градусов. Солнце является медленно горящей водородной бомбой, у которой в центре происходит термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Этот процесс, по мнению ученых, будет продолжаться еще около 13 млрд. лет.
Звезды карлики могут быть меньше нашей Земли с громадной плотностью вещества в них. В частности, примером такой звезды может быть спутник Сириуса с плотностью более 30000 г/см3.
Эволюция звезд.
В результате изучения звезд ученые создали теорию происхождения солнечной системы. По последним данным около 5 млрд. лет назад на месте современной солнечной системы существовало гигантское газовое облако, состоящее из водорода с примесью гелия и совсем небольшой частью более тяжелых элементов (менее 1%). Газовое облако медленно вращалось. Гравитационные силы способствовали сжатию туманности. Ее вращение ускорялось. В результате в центре сформировалась протозвезда – будущее Солнце, на периферии которой формировались протопланеты, чем дальше от центра, тем более легкие элементы вошли в состав планет. Как только в центре протозвезды в результате сжатия температура достигла 15 млн. градусов, начались ядерные реакции и протосолнце превратилось в звезду. В результате многочисленных наблюдений и математических моделей сегодня удалось создать теорию эволюции звезд во Вселенной. Согласно которой в центре при выгорании водорода (результат ядерной реакции) образуется гелий, он тяжелее водорода и потому накапливается в центре звезд, что сопровождается из-за большего сжатия повышением температуры. При достижении температуры в центре звезды до 100 млн. градусов ядерный процесс будет определяться уже гелием. Его горение будет сопровождаться образованием углерода и кислорода. Поскольку они тяжелее гелия, то они будут концентрироваться в центре звезды. Дальнейшая судьба звезды будет зависеть от ее массы. Звезды с массой близкой к солнечной преобразуются в белые карлики, которые затем миллионы лет остывают, образуя холодные тела с очень большой плотностью.
В звездах, с массой превышающей солнечную чуть более чем в 3 раза, после выгорания гелия температура в центре достигнет 3 млрд. градусов и начнет выгорать углерод, накопившийся в центре как более тяжелый элемент по сравнению с гелием. В дальнейшем в звезде будут накапливаться неон, магний, кремний, фосфор, сера, и никель. Все эти элементы будут расположены слоями, согласно их плотности и будут участвовать в ядерных реакциях. Именно так в звездных «термоядерных печках» образовались упомянутые вещества во Вселенной. В центре звезды накапливается железо и термоядерные реакции прекращаются, т. к. железо не «горит». В какое-то время в звезде создается колоссальное давление, сопровождаемое взрывом, который сегодня называют - взрывом сверхновой. Именно, все последующие после железа элементы таблицы Менделеева, образуются в результате взрыва сверхновых звезд. В целом от таких звезд остается нейтронные звезды размером в поперечнике 15 – 30 км, состоящие из нейтронов и других частиц.
Звезды, масса которых существенно превышает массу солнца (примерно в 10 раз) могут на определенном этапе своего развития коллапсировать с образованием «черной дыры». Это, как считают ученые, происходит следующим образом. По мере расходования энергетического материала звезда превращается в красного гиганта. И если до этого термоядерные реакции создавали внутри звезды высокое давление, уравновешивающее силу гравитационного сжатия, то после выгорания ядерного топлива внутри звезды внешние силы уже ничем не уравновешиваются и она коллапсирует. У звезд с небольшой массой, типа нашего солнца, коллапс может продолжаться миллионы лет. У звезд с массой в десятки и сотни раз большей сжатие происходит мгновенно. Сжатие происходит за тысячные доли секунды. На месте звезды образуется «черная дыра», где мощнейшие силы не позволят вылетать с поверхности фотонам и потому информации о дальнейшем поведении мы получить не можем. Судить о дальнейшей судьбе мы можем пока на основе наблюдений близкого около «черной дыры» пространства или/и расчетов.
Солнечная система.
Солнечная система, являясь частью Галактики, располагается в одном из ее рукавов. По представлениям ученых, Галактика как гигантский циклотрон вращается вокруг своего центра и солнечная система в ней вращается со скоростью 400 км/с., делая полный оборот вокруг центра за 215 млн. лет. Полагают, что солнечная система образовалась из холодного (по Канту и Лапласу) и горячего (по Шмидту) газопылевого облака. Оно состояло на 98% из водорода, а также гелия, азота, кислорода, паров воды, метана, углерода и пылинок окислов кремния, магния, железа. В процессе вращения и гравитационного сжатия из облака образовалась солнечная система.
Сегодня достоверно доказано существование в ней 9 планет. Есть также несколько косвенных доказательств существования еще двух или трех планет. Все планеты вокруг солнца движутся в одном направлении – в направлении вращения звезды и в одной плоскости, называемой плоскостью эклиптики. Планеты делятся на две группы: внутренние – Меркурий, Венера, Земля, Марс и внешние – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Внутренние планеты имеют подобно Земле небольшие размеры и высокие плотности за счет содержания тяжелых окислов и железистого ядра. Внешние планеты состоят из водорода и гелия (Юпитер и Сатурн) и водорода, углерода, азота и кислорода (Уран, Нептун, Плутон). Основная масса вещества в солнечной системе сосредоточена в Солнце (99,866%), а масса планет – в двух гигантах Юпитере и Сатурне (92,5%).
Планета – Земля.
Земля может быть представлена в виде нескольких сфер: газовой (атмосфера), водной (гидросфера), каменной (литосфера, или земная кора), промежуточной (мантия) и ядра. Каждая сфера характеризуется своим химическим составом, пространственными характеристиками, происхождением и ролью для планеты. Кроме того, для Земли выделяется особая оболочка – биосфера, играющая достаточно большую роль в формировании условий на поверхности планеты. Внутреннее строение Земли изучается в основном геофизическими методами – главным образом, по характеру распространения в ней сейсмических волн. Наши знания о составе Земли весьма неполны, поскольку прямое изучение возможно только в тонком слое земной коры. Самые глубокие скважины, которые пробурены вглубь планеты около 10 км. Это очень немного, если учесть параметры Земли. Тем не менее, по данным геофизики, главным образом по распространению сейсмических волн, показано, что Земля имеет плотное ядро радиусом 3400 км, более легкую мантию толщиной 2900 км и кору толщиной под океанами 6 - 8 км, на континентах 30 – 50 км. Плотность Земли достаточно высокая и составляет 5,52 г/см(3). Состав земной коры по результатам исследований А. Е. Ферсмана (вес в %):
Кислород 49,13
Кремний 26,00
Алюминий 7,45
Железо 4,20
Кальций 3,25
Натрий 2,40
Калий 2,35
Магний 2,35
Водород 1,00
Земная кора преимущественно состоит из двух видов окислов: окислов кремния и окислов алюминия. Плотность пород здесь не превышает 3,3 г/см3. С глубиной в земной коре температура и давление возрастают. На каждые 100 метров в глубину температура возрастает в среднем на 3°С и на глубине 1 км температура около 30°С. Нижняя граница коры проводится по поверхности слоя Мохо. Состав расплава мантии представлен в основном окислами кремния (кремнезем) и алюминия (глинозем). Плотность пород в этой зоне около 3,3 г/см3.
До 20-го столетия ученые не знали ни возраста Земли, ни того, что ее облик во времени изменяется. В частности, физик лорд Кельвин подсчитал, что если Земля первоначально была раскаленным телом, то до современного состояния она должна была бы остывать 20 млн. лет, поэтому Земле 20 млн. лет. Такие представления были связаны с отсутствием точных методов оценки возраста горных пород. Лишь в 1905 году были проведены измерения абсолютного возраста горных пород по накоплению в них продуктов радиоактивного распада. Оказалось, что возраст Земли следует измерять миллиардами лет. Как показывают современные исследования, Земле 4,6 млрд. лет.
Облик планеты – Земля или концепция А. Вегенера.
Сегодня хорошо известно, что Земля постоянно меняет свой облик, но впервые об этом было сказано в 1915 году в книге немецкого ученого Альфреда Вегенера «Происхождение материков и океанов». Автор подверг сомнению существовавшие тогда представления об единообразии земной коры под океанами и континентами. Кроме того, он утверждал, что материки двигаются. Долгие годы теория немецкого ученого не признавалась. Его публично осмеивали известные исследователи, в частности, выдающийся физик и математик Х. Джеффрис утверждал, что теория Вегенера количественно неудовлетворительна и качественно неприемлема. Результаты исследований А. Вегенера были забыты, а континенты и кора вновь признавались неизменными. Толчком к изменению взглядов послужили исследования геолога Ф. Кюнен. Он подсчитал среднюю скорость накопления осадков на дне океанов. Оказалось, за время существования Земли там должны были накопиться осадки толщиной более 3-х километров. В реальности натурные наблюдения разочаровали исследователей, только в отдельных случаях дно имело осадки толщиной максимум несколько сот метров, но чаще осадки имели еще меньшую толщину. Коренные изменения во взглядах произошли во второй половине 20-го столетия после применения палеомагнитных методов исследований. Выяснилось, что полюса Земли неоднократно менялись местами и, кроме того, они двигались, причем для всех континентов по-разному. Другими словами, у каждого материка был свой полюс, но если допустить, что материки двигались, то полюса сливаются в одном месте. Именно палеомагнитные исследования окончательно подтвердили теорию А. Вегенера о движении континентов, но признание пришло лишь во второй половине 20-го столетия.
Считают, что 250 – 300 млн. лет назад в Меловом и Пермском периодах вся суша, как мы ее называем сегодня - Пангея, была единой. Об этом якобы свидетельствуют гигантские пустыни Пермотриаса. Позднее 180 – 200 млн. лет назад, в Триасе она разделилась на два громадных материка: Лавразию и Гондвану. В будущем Лавразия раскалывается на Северную Америку и Евразию, а Гондвана - на Южную Америку с Африкой и всё остальное. В конце Юрского периода (135 млн. лет назад) раскололась Африка с Южной Америкой и начался рост Атлантического океана. К началу Кайнозоя (70 млн. лет назад) Атлантика была большим водоемом, а Гренландия, Северная Америка и Евразия были еще вместе. Здесь сформировался свой специфический мир плацентарных животных, колонизировавших большую часть суши. В то время как в Австралии и Антарктиде, которые составляли в то время один материк, эволюция животных пошла своим путем, сформировав мир сумчатых животных.
И сейчас идет процесс изменения расположения материков Земли. Как считают, механизм этих изменений заключается в следующем. Земля опоясана разрывами земной коры или 50-80 тысячами километров рифтовых зон. В эти разрывы изливается подкоровый магматический материал и застывает в виде черных базальтовых хребтов, расталкивая края трещин, тем самым, раздвигая плиты материков. Именно поэтому нигде на всей Земле не найдено морского дна старше 200 млн. лет, т. е. оно не старше Юрского периода. Морское дно постоянно обновляется, а потому здесь и не накоплено толстых осадочных пород.
Современные концепции химии
Химия как раздел естествознания, изучает свойства веществ. Под веществом в химии подразумевается любое сочетание атомов и молекул, обладающих определенными свойствами и способных превращаться в другие вещества. Именно тайной состава веществ и их превращениями занимались и занимаются ученые на протяжение всей истории развития цивилизации. Вся история развития химии, следовательно и развития ее основных концепций может быть охарактеризована следующими направлениями.