Контрольная работа по "Естествознанию"

Более поздние исследования показали, что место элемента в периодической  системе определяется не просто порядковым номером, а зарядом атомного ядра. Это означает, что не атомная масса, а именно заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента. Например, изотопы хлора 3717С1 и 3517С1 отличаются друг от друга атомной  массой, но тем не менее они оба относятся к одному химическому элементу - хлору. В этой связи можно утверждать, что химический элемент - это совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра.

К настоящему времени сложилось  определенное представление о структуре  атома и ядра и о квантово-механических свойствах составляющих их частиц. Раскрыт физический смысл периодического закона и дано квантово-механическое обоснование строения атомов химических элементов периодической системы Менделеева.

Во времена Менделеева было известно всего 62 элемента. В 1930-е годы система  элементов заканчивалась ураном (Z = 92). В 1940-1945 гг. путем физического  синтеза атомных ядер были открыты  элементы: нептуний, плутоний, америций, кюрий, в 1949- 1952 гг. - берклий, калифорний и фермий, в 1955 г. - менделевий - всего примерно за 15 лет было открыто 9 элементов. Затем за все последующие 40 лет было синтезировано только 6 элементов: № 102 - нобелий, № 103 - лауренсий, №104 - кур-чатовий, № 105 - жолиотий, № 106 - резерфордий, № 107 - борий, № 108 - ганий и № 109 - мейтнерий. Все эти элементы крайне неустойчивы. Предполагается, что следующие элементы, которые предстоит обнаружить, будут также неустойчивыми, хотя и возможны "островки стабильности" даже для сравнительно больших порядковых номеров больше 126. Следует ожидать, что с развитием техники эксперимента будут открыты новые химические элементы.

До недавнего времени химики считали ясным, что следует относить к химическим соединениям, а что - к смесям. Еще в 1800-1808 гг. французский  ученый Ж. Пруст (1754 - 1826) установил закон  постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, прочным  притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. На основе идеи об атомическом строении вещества этот закон теоретически обосновал  в 1800 - 1810 гг. английский ученый Дж. Дальтон. Он показал, что все индивидуальные вещества в отличие от смесей состоят  из однородных мельчайших частиц - "сложных  атомов" молекул, которые в свою очередь состоят из простых атомов разных химических элементов.

Вещество — один из видов материи, из которого состоит весь окружающий нас мир. Его образуют большие  скопления различных частиц, структур. Вещество представляет собой однородный (гомогенный) вид материи, т. е. такой материи, каждая частица которой имеет одинаковые физические свойства. Разные изделия, имеющие различное назначение и форму, могут быть изготовлены из одного и того же материала, и их вещество будет одинаковым. Под веществом будем понимать чистую материю, без примесей. Под материалом — вещество того же наименования, полученное в реальных условиях, т. е. имеющее неизбежные примеси.

В зависимости от условий среды  вещество может находиться в твердом, жидком, газообразном и плазменном агрегатных состояниях. Микроструктура и состояние движения частиц в  этих состояниях вещества носят различный  характер. Рассмотрим их:

Твердое состояние. При достаточно низких температурах вещество находится в твердом состоянии, энергия системы минимальна и из всех возможных взаимных расположений частиц реализуются упорядоченные, называемые кристаллическими. Под понятием "кристалл" (кристаллическое тело) подразумевают, прежде всего, периодичность его микроскопической структуры. В кристалле каждый атом окружен расположенными определенно другими атомами, и если эта конфигурация атомов обладает наименьшей возможной энергией, ясно, что она должна повторяться и в любых других местах тела. Простейшая конфигурация атомов, которая периодически повторяется вдоль тела во всех трех измерениях, образует элементарную ячейку кристаллической решетки. Кристаллическая решетка обладает симметрией переноса вдоль соответствующего направления. Естественно, физические величины также обладают такой же периодичностью. Число типов симметрии в природе ограничено. В решетках между атомами существует ионная, ковалентная, металлическая и ван-дер-ваальсовая связи. В реальных кристаллических телах существуют различные дефекты решетки: точечные дефекты (вакансии — пустые незаполненные места в узлах решетки; межузельные атомы внедрения), линейные дефекты, к которым относятся дислокации — наличие в решетке лишней кристаллической полуплоскости. По энергетическому характеру распределения электронных состояний в кристаллах в природе существуют три основные группы кристаллических твердых тел: металлы, диэлектрики и полупроводники. Они имеют различные свойства электрической проводимости тока. Атомы в твердом теле не могут значительно удаляться от своих равновесных положений — узлов кристаллической решетки. Их движение в основном сводится к колебаниям вблизи узлов решетки. Геометрия кристаллического состояния вещества при обычных давлениях и температурах отличается необычайным разнообразием, хотя число типов решеток и ограничено. Свойства веществ определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением. В качестве примера можно указать на алмаз и графит — вещества, состоящие из одних и тех же атомов углерода, но имеющие различные кристаллические решетки. Тела могут сильно отличаться в отношении механических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств. Зная атомную природу тел и зависимость указанных свойств от нее, можно целенаправленно создавать новые материалы.

Жидкое состояние. При повышении температуры скачкообразно происходит фазовый переход кристалл—жидкость (плавление) и при этом поглощается удельная теплота перехода. Каждое вещество имеет строго определенную температуру плавления. Жидкость — это вещества, в которых взаимодействие между частицами велико и в то же время тепловое движение частиц является сложным. В жидком состоянии атомы уже не являются строго локализованными, т. е. связанными с какими-то определенными положениями в теле. Они совершают колебательное движение и могут перескакивать, поэтому жидкости, сохраняя объем, могут изменять свою форму. Тепловые свойства конкретных жидкостей существенно индивидуальны. Лишь при температурах, близких к абсолютному нулю, возможно исследование тепловых свойств жидкостей в общем виде. Однако в природе имеется только одно вещество — гелий, которое остается жидким при Т —> 0 К.

Газообразное состояние. При дальнейшем повышении температуры вещества также скачкообразно, при определенной температуре, характерной данному веществу, совершают фазовый переход жидкость—газ. В газах частицы совершают хаотическое поступательное движение. Вещество в газообразном состоянии представляет собой совокупность многих слабо взаимодействующих частиц, и оно практически полностью теряет свою индивидуальность. Это связано с малой плотностью газообразного вещества. В разряженных газах по-существу отсутствует взаимное влияние атомов, а значит, не проявляется их индивидуальная атомная структура. Газы всех веществ (при нормальных условиях) с хорошей точностью подчиняются одинаковым закономерностям.

Плазменное состояние. Дальнейшее весьма значительное повышение температуры (до 10⁴-10⁵ К) среды ведет к ионизации атомов, т. е. распаду их на ионы и свободные электроны. Частично или полностью ионизированный газ образует особое состояние вещества, называемое плазмой. Поскольку ионы и электроны, в отличие от атомов, несут не скомпенсированные электрические заряды, их взаимное влияние становится существенным. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает ее с конденсированным состоянием, т. е. с твердыми телами и жидкостями. В плазме легко возбуждаются всякого рода упругоэлектрические колебания. Особыми свойствами обладают вещества при сверхвысоких температурах и больших плотностях. При температурах ~ 10⁷ К достигается полная ионизация плазмы: вещество состоит из "голых" ядер и свободных электронов. При дальнейшем повышении температуры начинаются ядерные превращения (~ 10⁸ К). При температурах свыше 10⁹ К ядра разрушаются; при этом вещество состоит из протонов и электронов. Наконец, при температурах свыше 10¹³ К возможно широкое превращение частиц друг в друга. Это все рассматривалось при нормальном давлении. При невысокой температуре изменение давления также приводит к изменению состояния вещества. При сжатии вещества до ~ 10⁸ атм. электронные оболочки атомов деформируются и возможно свободное движение внешних электронов, т. е. "металлизация" вещества. При достаточном сжатии вещества до ~ 10¹² атм. роль взаимодействия электронов с ядрами становится несущественной и вещество можно рассматривать как электронный газ большой плотности. Когда давление газа становится порядка 10¹⁸ атм., происходит захват электронов ядрами с испусканием нейтрино и уменьшением заряда и энергии связи ядра. При давлении 10²⁴ атм. нейтроны преобладают над электронами и вещество можно рассматривать как нейтронный газ. При давлении 10²⁷ атм. нейтронный газ имеет плотность ядерного вещества.

3. Биологическая  картина мира. Антропогенез

Человек — сложная целостная  система, которая в свою очередь  является компонентом других более  сложных систем — биологической  и социальной. Это происходит потому, что он является существом и биологическим, и социальным. Одной стороной своего существования человек принадлежит  природе, другой — социальному миру. А в целом человек является предметом изучения различных наук. Человек рассматривается в аспекте  естественно-научного познания человека.

Каким образом биологический организм, принадлежащий к типу хордовых, подтипу  позвоночных, классу млекопитающих, отряду приматов, семейству гоминид, превращается в человека — существо не только биологическое, но и социальное, в  носителя культуры. В этом и состоит  суть проблемы антропогенеза. Перед  наукой стоит действительно актуальная задача, которая требует решения. Мы не рассматриваем мистические  и фантастические концепции объяснения происхождения человека, мы будем  опираться на научное решение  этого вопроса, которое базируется на концепциях современного естествознания, хотя антропогенез в нынешней научной  картине мира предстает как процесс  со многими неизвестными. 
Интенсивное научное осмысление и понимание проблемы антропогенеза началось в XIX в. Главное достижение в этой области было связано с утверждением эволюционной теории. Дед знаменитого Ч. Дарвина, английский врач и натуралист Э. Дарвин в 1796 году опубликовал теорию эволюции жизни в виде эпической поэмы «Зоономия». В ней в натурфилософской форме он развивал представления об эволюции животного мира под влиянием внешней среды. 
Значительный вклад в утверждение теории эволюции внес и предшественник Ч. Дарвина французский естествоиспытатель Ж. Б. Ламарк, который создал достаточно целостную концепцию эволюции живой природы, в которой виды животных и растений постоянно изменяются, усложняясь в своей организации в результате влияния внешней среды и некоего внутреннего стремления всех организмов к усовершенствованию. Ламарк провозгласил принцип эволюции всеобщим законом живой природы, хотя и не понял ее подлинных причин. Одновременно с немецким ученым Г.Р. Травиранусом он ввел термин «биология».

Таковы были естественно-научные предпосылки возникновения эволюционной теории Ч. Дарвина, опубликовавшего в 1859 г. свой знаменитый труд «Происхождение видов путем естественного отбора». В этой работе на основе обобщения результатов собственных наблюдений и достижений биологии и селекционной практики он объяснил основные факторы и причины эволюции органического мира. В 1871 г. в книге «Происхождение человека и половой отбор» Ч. Дарвин выдвинул гипотезу о происхождении человека от обезьяноподобного предка. 
Дарвин преодолел однолинейный детерминизм Ламарка и показал, что эволюция в органическом мире осуществляется в результате трех основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Изменчивость является основой образования новых признаков в строении и функциях организмов. Наследственность закрепляет их. «Под воздействием естественного отбора в процессе борьбы за существование устраняются организмы, которые не могут приспособиться к условиям жизни. Благодаря этому единому процессу организмы в результате эволюции накапливают все новые приспособительные признаки, что и ведет к образованию новых видов».

Таким образом, Дарвин установил движущие силы эволюции органического мира и  объяснил естественно-научным путем процесс становления и развития биологических видов. Его теория дала объяснение развития видов и изложила основы научной концепции эволюции. Стало понятно, что настоящее состояние биологических видов, в том числе и человека, обусловлено их прошлым, а будущее основано на настоящем. Дарвин показал, что нет ничего сверхъестественного в происхождении человека.

Однако, теория эволюции Ч. Дарвина не лишена недостатков, на многие вопросы в ней нет ответов. Разработав теорию естественного происхождения человека, он не включил в нее влияние социального фактора на его развитие. Кроме того, в теории Дарвина отсутствует качественное отличие ума человека от животного. Это во многом объясняется тем, что он не затрагивает роли труда в процессе антропогенеза. 
Внимание на это было обращено в трудовой теории антропогенеза, защитником которой был Ф. Энгельс. Представители данной теории считали, что труд не отменяет действие биологических законов, но влияет на характер действия естественного отбора. Труд развивает в человеке способность преобразовывать природу по своим меркам, а также способствует его собственному формированию. Сторонники этой теории именно с трудовой деятельностью связывают развитие руки, речи, мозга, мышления, сотрудничества людей и сплочения их в социальные коллективы. 
Возникновение труда и его развитие оказали огромное влияние на антропосоциогенез. Причем важным моментом является то, что любой труд связан с изготовлением орудий труда, где закрепляется социальный опыт человека, его навыки, умения, способ мышления. Кроме того, и орудия труда являются основным способом передачи социального опыта, т.е. лежат в основе новой, социальной формы наследования, которую Дарвин не рассматривает, не принимает во внимание. 
Таким образом, становление человека и общества — процесс взаимосвязанный, процесс антропосоциогенеза, и главная роль в нем принадлежит трудовой деятельности. Новый аспект критики дарвиновской концепции возник на волне первых успехов генетики, науке, которая зародилась на рубеже XX в. Появилась мутационная теория эволюции нидерландского ученого Хуго де Фриза, согласно которой новые виды возникают скачкообразно, в результате крупных единичных мутаций в генном наследственном аппарате (геноме). И это явление, по мнению нидерландского ученого, никак не связано с естественным отбором, о котором писал Ч. Дарвин.

Основные этапы антропогенеза 
Огромное значение в развитии науки о происхождении человека имеют вопросы, подробно рассмотренные Энгельсом в его известной работе „Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека" (1876). В ней Энгельс убедительно раскрыл картину формирования человека под влиянием труда и наметил определенную последовательность в развитии существенных органов нашего тела.