Закон природы (стр. 2 из 5)
3. Какими свойствами обладают продольные и поперечные волны? Почему свет проявляет свойства и волны и частицы?
В физике мы имеем дело с волнами различной природы: механическими, электромагнитными и т.д. Несмотря на отличия, эти волны имеют много общих черт. Волны, рассматриваемый параметр которых (смещение молекул, механическое напряжение, и т.д.) изменяется периодически вдоль оси распространения, называются продольными волнами. Если колебания происходят перпендикулярно оси распространения волны (как у электромагнитных волн, например), то такие волны называются поперечными.
Если взаимосвязь между частицами среды осуществляется силами упругости, возникающими вследствие деформации среды при передаче колебаний от одних частиц к другим, то волны называются упругими. К ним относятся звуковые, ультразвуковые, сейсмические и др. волны.
В поперечной волне колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Как и в случае продольных волн амплитуды колебаний всех шариков одинаковы, а фаза линейно изменяется от шарика к шарику[1].
Свет одновременно имеет свойства и волны, и частицы. В своем волновом проявлении свет демонстрирует интерференцию и преломление, явления вполне моделируемые и предсказуемые. Манипулируя разностью фаз двух волн, можно добиться эффекта взаимопоглощения волн, и образованные таким способом «тени» будут иметь длины гораздо меньше длин исходных волн. А образы для литографии можно формировать именно такими тончайшими «тенями».
Рис. 1 Свет может изгибаться и вращаться
Принято считать, что фотон – элементарная световая частица, обладающая определенной энергией.
Вернее будет исключить отсюда понятие частицы и сказать, что фотон (квант) – это условная единица энергии световой волны, т.е. световую волну поделили на «участки» с равными энергиями (рис. 1). Становится понятным, почему свет проявляет свойства «частиц» (ведь, как бы того ни хотели физики, волна никак не может быть частицей).
Свет проявляет свойства материальных частиц в следующих (в частности) взаимодействиях (наблюдениях): фотоэлектрический эффект, давление света, эффект Комптона, люминесценция, фотохимические превращения.
Свет проявляет свойства волны (электромагнитного поля) в следующих процессах: интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия.
4. Как изменяются кинетическая, полная и потенциальная энергии планеты при ее движении вокруг Солнца? В какое время линейная скорость движения Земли по орбите и почему?
Кинетическая энергия Солнца, представленного в виде вращающейся сферы с массой, сосредоточенной в основном в оболочке.
Кинетическая энергия движения всех планет Солнечной системы без учета кинетических энергий вращения планет вокруг собственных осей и энергии движения Плутона равняется:
где Mn – масса n-ой планеты; vn – орбитальная скорость n-ой планеты.
Учтем, что при рождении планеты и переходе через солнечную оболочку ее зародыша происходит скачок гравитационного потенциала в 4
. Приравнивая вышеприведенные формулы с учетом этого скачка, получим для закона сохранения кинетической энергии в Солнечной системе следующее выражение: 
Погрешность при расчете по этой формуле составляет 5.4%. Поэтому следует учесть и кинетическую энергию вращения планет, которая составляет 8.42
1034 Дж. Эта энергия не связана со скачком потенциала 4 . Тогда окончательно имеем: 
где vоn – экваториальная скорость вращения n-ой планеты.
Закон сохранения полного момента количества движения в Солнечной системе без доказательства следует из следующего выражения:
Расчет по этой формуле дает ошибку в 1.6%.
Принципиально не важна последовательность рождения планет, а важно только то обстоятельство, что каждое новое рождение планеты связано с переходом через оболочку порождающей ее звезды или планеты. По-видимому, внутренние планеты были сформированы непосредственно Солнцем, а внешние планеты Юпитер и Сатурн сформировались совместно в процессе рождения Солнца путем распада их общей оболочки на три независимых пузыря.
Изменение потенциальной энергии системы, взятое с обратным знаком, равно работе внутренних консервативных сил:
– DEп = Aкс
Согласно второму закону Кеплера, каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. Применительно к нашей Солнечной системе, с этим законом связаны два понятия: перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий – наиболее удаленная точка орбиты. Тогда можно утверждать, что планета движется вокруг Солнца неравномерно: имея линейную скорость в перигелие больше, чем в афелие.
5. Какие типы связей имеют место в кристаллах? Опишите модификации углерода. Почему столь многообразны соединения углерода? Какие особенности строения атома углерода определили его роль в живой природе?
В кристаллах имеют место следующие типы связей:
Ковалентная связь;
Ионная связь;
Металлическая связь;
Молекулярная связь;
Водородная связь.
Рассмотрим их подробнее.
Ковалентная связь
Нейтральные атомы размещены в узлах кристаллической решётки. Связь образуется направленными валентными электронными облаками.
Связь, объединяющая в кристалле (а также и в молекуле) нейтральные атомы, называется гомеополярной или ковалентной. Силы взаимодействия при гомеополярной связи имеют, как и в случае с гетерополярной связью, электрический (но не кулоновский) характер. Гомеополярная связь осуществляется электронными парами. Это означает, что в обеспечении связи между двумя атомами участвует по одному электрону от каждого атома. По этой причине гомеополярная связь имеет направленный характер.
Кристаллы с ковалентной связью диэлектрики или полупроводники. Типичными примерами атомных кристаллов могут служить алмаз, германий и кремний.
В узлах кристаллической решетки помещаются положительно и отрицательно заряженные ионы.
Силы взаимодействия между узлами являются в основном электростатическими (кулоновскими). Связь между такими частицами называется гетерополярной или ионной.
Кристаллы с ионной связью при низких температурах являются диэлектриками. При тепературах близких к температуре плавления они становятся проводниками электричества. Примером кристаллов с ионной решёткой являются кристаллы каменной соли (NaCl).
Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть.
Большинство металлов имеет кристаллические решетки одного из трёх типов: кубическую объёмно-центрированную, кубическую гранецентрированную и, так называемую, плотную гексагональную.
По схемам металлических кристаллических решеток видно, что кубическая гранецентрированная и плотная гексагональная решётки соответствуют наиболее плотной упаковке одинаковых шаров (частиц). Кристаллы с металической связью являются проводниками. Они часто плаcтичны, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.
В узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности. По этой причине их называют ван-дер-ваальсовскими силами.
Для кристаллов с молекулярными связями характерны низкие температуры плавления и высокая сжимаемость.
Особая разновидность молекулярной связи – водородная связь. Это самая сильная молекулярная связь. При определённых условиях атом водорода может быть связан довольно прочно с двумя другими атомами. Имея лишь одну стабильную орбиталь, атом водорода способен образовывать только одну ковалентную связь. Эта связь может, однако, резонировать между двумя положениями. Наибольшее значение имеют те водородные связи, которые образуются между двумя сильно электроотрицательными атомами, в особенности между атомами азота, кислорода и фтора.
Водородные связи, образуемые молекулами воды, обусловливают удивительно высокие точки плавления льда и кипения воды, существование максимума плотности воды, расширение воды при замерзании. Многие особые свойства неорганических и органических молекул, например димеризация жирных кислот, объясняются образованием водородных связей. Водородная связь – особенно важная структура белков особенность белков и нуклеиновых кислот.