Происхождение химических элементов и планеты Земля

Химическая эволюция материи

Размерные эффекты. Нанохимия

Интернет-лекции по нанотехнологии: Наномир, в котором мы живем 13 апреля 2006 http://www.gazeta.ru/science/2006/04/13_a_586116.shtml

Технологические предпосылки возникновения «нанонаук».

В 1959 г. появился первый плоский транзистор.В 1965 г. уже выпускались микросхемы, состоящие из 50-60 транзисторов. 40 лет назад Гордон Мур, сооснователь фирмы Intel, предположил, что быстродействие компьютеров и обеспечивающее его число элементов на микросхеме будут удваиваться каждые 18 месяцев без существенного изменения цены. Согласно его прогнозу, эта тенденция должна была сохраниться в течение 10 лет, а в 1975 г. все обнаружили, что прогноз сбывается.

Атомно-молекулярная и электронная структура химических частиц и веществ – классическая проблема химической физики [[7]].

Из-за размерных эффектов выделяют химию малых частиц – кластеров, содержащих от нескольких атомов или молекул до нескольких десятков. Пример: потенциал ионизации молекулы воды, ее димера и льда составляют соответственно 12,6; 11,1 и 8,8 эВ. Подобные особые свойства малых ассоциатов воды несомненно имеют большое значение в живых объектах – во внутриклеточных процессах. Потенциал ионизации кластеров Na_n уменьшается медленно с ростом n, причем это падение сопровождается осцилляциями; четные члены ряда имею более высокий потенциал, чем нечетные, нодаже для кластера Na₁₄ потенциал ионизации в полтора раза больше работы выхода электрона для металлического натрия [⁷, с.1601].

Если хотя бы в одном из трех измерений частица вещества имеет размеры меньше 1000 нм (т.е. менее 10^-6 м), то в ней существенно возрастает доля поверхностных атомов или молекул по сравнению с атомами (молекулами) в объеме; в этом случае говорят о наночастицах. Из школьного курса физики известно, что поверхностные атомы (молекулы) обладают некоторой избыточной энергией по сравнению с объемными, что обусловливает поверхностное натяжение и капиллярный эффект. В металлических наночастицах ограничена длина свободного пробега электрона по сравнению с обычным (“компактным”) металлом. В результате в материалах, состоящих из наночастиц, механические, электрические, магнитные, оптические свойства перестают быть константами – они зависят от размеров и формы частиц. Размеры деталей в современных микропроцессорах уже приблизились к 1000 нм (1 микрон), и конструкторам приходится заново исследовать все свойства материалов (металлов, полупроводников, изоляторов), применяемых в микроэлектронике [[8],[9]].

Химия в том виде, как она изучается в школе и в общеобразовательных вузовских курсах – наука исключительно земная. На поверхности Солнца нет смысла говорить о химии – из-за отсутствия молекул. В условиях космического вакуума и низких температур, в глубине Земли многие реакции тоже сильно отличаются от тех, что идут в лабораториях при "стандартных условиях".

В современной науке происхождение вещества принято объяснять в рамках теории “Большого Взрыва”.

До середины XX века ученые рассматривали вечное вещество в вечной в целом Вселенной. Сейчас предполагается не только в Библии, что Вселенная имела начало.

Современная картина Вселенной начала возникать только в 1924 г. Американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) рассчитал расстояния до 9-ти разных галактик, экстраполируя светимость известных близких звезд на гораздо более дальние (точнее говоря, он обнаружил в дальних галактиках переменные звезды – цефеиды, для которых известна зависимость светимости от периода пульсаций) [[10]]. Сначала он определил размеры туманности Андромеды и расстояние до нее (около 2 млн. световых лет). В результате спектральных исследований света звезд в 1929 г. Хаббл обнаружил, что величина красного смещения спектров (к более длинным волнам) увеличивается с ростом расстояния от нас до звезд и галактик. Т.е. чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас! Подобное явление моделируется поведением точек на поверхности надуваемого шарика. Таким образом было открыто расширение Вселенной.

Сам Хаббл не смог сразу осознать, что он "сокрушил" неизменную Вселенную. Еще в 1934 г. он пытался постулировать неизвестный пока физический процесс, объясняющий кажущееся разбегание галактик. Первым осознал результаты Хаббла как доказательство существования начала аббат Жорж Леметр (1894-1966) в 1927 г., получивший из космологических уравнений Эйнштейна формулу для скорости расширения Вселенной. [[11]]

Однако теоретически расширение Вселенной предсказал в 1922 г Ал-др Ал-дрович Фридман (1888-1925) на основании общей теории относительности. Сам Эйнштейн вначале опровергал результаты Фридмана как "чисто спекулятивные" и признал их лишь в 30-е годы. Открытие Хаббла подтвердило модель Фридмана. Теория Фридмана позволила построить три модели:

1) Большой взрыв Þ Большой хлопок (расширение – сжатие);

2) Большой взрыв Þ расширение с убывающей до постоянной скоростью;

3) Большой взрыв Þ расширение с постоянно уменьшающейся скоростью.

Для точного выбора модели надо очень точно знать нынешнюю скорость расширения и среднюю плотность Вселенной. Неопределенность в измерении расстояний и соответственно, скорости расширения – около 5%; средняя плотность определена гораздо менее точно (нет гарантии, что известны все формы материи, которым можно приписать массу). Определенная на сегодняшний день средняя плотность наблюдаемой Вселенной примерно в 100 раз меньше, чем требуется для пульсирующей модели (1). Альтернатива отсутствию массы для возможного последующего сжатия Вселенной – нарушение закона всемирного тяготения на больших расстояниях. Но гораздо легче психологически допускать не найденную пока массу, чем нарушение столь очевидного в солнечной системе закона. Вполне возможно допустить существование промежуточной между (1) и (2,3)-моделями Фридмана – постепенно затухающие пульсации. Однако даже в случае единичного расширения следует ожидать затухания малых звезд (типа Солнца) лишь через 10¹⁴ лет, что в 1000 раз больше возраста Вселенной. Диапазоны времен для других моделей еще больше.

Следовательно, наш мир имеет начало – 15-20 млрд. лет назад произошел Большой взрыв (измерения 1995 г. – 10-12 млрд. лет [[12]]. Теория взрыва была почти отвергнута в 1947 г, когда был достаточно надежно оценен возраст Земли (данные по распаду урана) – Земля оказалась почти вдвое "старше" вычисленного Хабблом времени начала разбегания галактик. Но к 1952 г были сделаны перекалибровки кривых цвет-светимость и несоответствие устраненно.

В 1951 г. католическая церковь официально признала, что модель Большого взрыва согласуется с Библией. В 1981 г в Ватикане была организована очередная конференция по космологии, и глава католической церкви папа сказал, что область науки – все, что было после Большого взрыва, но ученым не следует вторгаться в сам Божественный акт Сотворения.

Первое независимое доказательство теории Большого взрыва было получено в 1965 г.

Возможны разные механизмы самого взрыва. Модель "горячей Вселенной" предложил амер. Георгий (Джордж) Антонович Гамов (1904-1968) – ученик А.А.Фридмана в 1940 г [[13]]. Свечение раскаленной ранней Вселенной может дойти до нас сейчас с сильным красным смещением – до сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Предсказанное Гамовым реликтовое радиоизлучение (фотоны чуть теплее 0 К) открыто в 1965 г. Американцы Арно Пензиас и Роберт Вильсон испытывали новый очень чувствительный СВЧ-детектор для связи с искусственными спутниками Земли и обнаружили уровень шума выше расчетного. После тщательных измерений стало ясно, что источник этого шума одинаков во всех направлениях и находится за пределами нашей Галактики. Это было доказательством гипотез Фридмана и Гамова о равномерном расширении Вселенной в результате горячего взрыва. В 1978 г. А.Пензиас и Р.Вильсон получили Нобелевскую премию.

Именно 1965 г следует считать началом крушения теории устойчивой Вселенной в умах большинства ученых.

Таким образом, модель вечной Вселенной пришлось заменить давно известной моделью (Бытие 1, 1-5):

В начале сотворил Бог небо и землю.

Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух Божий носился над водою.

И сказал Бог: да будет свет. И стал свет.

И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы.

И назвал Бог свет днем, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день один.

Модели Фридмана предполагают сингулярность (что такое – неизвестно в принципе). Это точка, где плотность и кривизна пространства-времени бесконечны, т.е. нулевого размера. Теории Большого взрыва без сингулярности гораздо менее вероятны (Е.М.Лифшиц и И.М.Халатников, 1963-1970 гг).

Следует подчеркнуть, что теория Большого взрыва (сингулярность и начало времени) вытекает из общей теории относительности (теорема Роджера Пенроуза о сжатии звезды до черной дыры – 1965 г.; совместная теорема Стивена Хокинга и Пенроуза – 1970 г.). Но в сингулярности ОТО вступает в противоречие с требованиями квантовой механики (размеры бесконечно малы). Космология потребовала совместного учета этих несовместимых теорий.

Дата добавления: 2014-12-16