Вычислить в мегаэлектроновольтах (МэВ) энергию ядерной реакции

Выделяется или поглощается энергия при этой реакции?

Решение: энергия ядерной реакции: , (1)

где - дефект массы реакции; с – скорость света в вакууме. Если выражать в а.е.м., то формула (1) примет вид:

Дефект массы равен:

Если: 1) Δ m > 0, то энергия при ядерной реакции выделяется.

2) Δ m < 0, то энергия поглощается.

Вместо значения масс ядер воспользуемся значениями масс нейтральных атомов, которые приводятся в справочных таблицах

а.е.м.;

а.е.м.;

а.е.м.

Реакция идет с выделением энергии, т.к.

Ответ:

2. Сколько энергии выделяется при образовании 1 г гелия из протонов и нейтронов?

Дано:

Найти: .

Решение: выделившуюся энергию найдем по формуле взаимосвязи массы и энергии

, (1)

где - изменение массы при образовании одного ядра атома гелия (дефект массы); с – скорость распространения света; n – число атомов гелия в массе m.

Дефект массы определим из равенства:

где z – зарядовое число, равное порядковому номеру соответствующего элемента в таблице Менделеева, для гелия ; - масса атома водорода, ; - масса нейтрона, ; - массовое число, для гелия А = 4; - масса атома, для гелия

Вычислим : Учтем, что

Число атомов в одном грамме равно:

,

где N_A – постоянная Авогадро (N_A = 6,023 · 10²³) моль ^-1; - молярная масса, для гелия

Подставим эти значения в формулу (1):

Ответ: .

Задание № 11. При ответе на это задание обратите внимание, что радиоактивное излучение кроме α, β и γ лучей включает рентгеновское излучение, протоны и ионы тяжелых элементов. Проходя через живую ткань, оно вызывает ионизацию атомов. Для оценки действия излучения на живые организмы введена специальная величина – эквивалентная доза. Единицей эквивалентной дозы является зиверт (1 Зв). Острое поражение организма взрослого человека обнаруживается, начиная с пороговой эквивалентной дозы 0,5 Зв. Излучение воздействия радиоактивного излучения на живые организмы становится актуальной задачей современной цивилизации. Использование положительных полезных аспектов этого воздействия и возможное своевременное прогнозирование предотвращения его негативных последствие представляет в настоящее время практический интерес.

Задание № 12. Понятия симметрии играют в жизни человека важную роль. Многие творения рук человеческих имеют симметричную форму, которая придается им из эстетических и практических соображений. Симметрия широко распространена и в природе. Со свойствами симметрии пространства и времени связаны законы сохранения (см. задания 5,6). Выполняя это задание, студент знакомится с основными понятиями теории симметрии, основными преобразования симметрии; рассматривает примеры симметрии объектов Природы.

Задание № 13. Вода – основа жизни на Земле. Студенты должны уяснить себе, что уникальные свойства воды связаны со структурой ее молекул. Большое значение в живой природе имеют ковалентные и водородные связи, на которых держится вся жизнь на Земле. Вода является не только уникальным растворителем, но и средой обитания многих живых организмов. Обратите внимание, что максимальная плотность у воды наблюдается при 4 °С.

Задания №№ 14, 15. Выполнение этих заданий преследует целью акцентировать внимание студентов на важнейших для жизни химических элементов – органогенных элементах. Все жизненно необходимые элементы соответствуют каноническим античным элементам или сущностям Природы: земля, вода, воздух, огонь + эфир-первоматерия. Углерод является существенной частью земли. Кислород преобладает по своей массе в воде. Азот доминирует в воздухе. Фосфор (в переводе с греч. «свет несущий») и сера ассоциируются с огнем. Водород, из которого, по современным космологическим представлениям, образовались все остальные химические элементы и вообще вся наша – систематически расширяющаяся после Большого Взрыва – Вселенная, напоминает именно античный вездесущий, всепроникающий эфир, отождествлявшийся с самой Вселенной. Студент должен уяснит, что уникальными свойствами обладает не только углерод – основа жизни на Земле, но и другие химические элементы, которые наиболее распространены в живых организмах и составляют приблизительно 99 % массы живого.

Ниже приводится фрагмент примера ответа на задание № 15

Кислород. (лат. Oxygenium), О, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; ат. н. 8, ат. м. 15,9994. В свободном виде встречается в виде двух модификаций - О₂ ("обычный" кислород) и О₃ (озон).

О₂ - самый распространенный на Земле элемент; в виде соединений составляет около 1/2 массы земной коры; входит в состав воды (88,8 % по массе) и множество тканей живых организмов (ок. 70 % по массе).

Физиологическое значение кислорода огромно. Это единственный газ, который живые организмы могут использовать для дыхания. Окисление кислородом углеводов, жиров и белков служит источником энергии живых организмов. В организме человека содержание кислорода составляет 61% от массы тела. В виде различных соединений он входит в состав всех органов, тканей, биологических жидкостей. Отсутствие кислорода вызывает остановку жизненных процессов и гибель организма. Без кислорода человек может прожить всего несколько минут. При дыхании поглощается кислород, который принимает участие в окислительно-восстановительных процессах, происходящих в организме, а выделяются продуктов окисления органических веществ - вода, оксид углерода (IV) и другие вещества. Как наземные, так и водные живые организмы дышат кислородом: наземные - свободным кислородом атмосферы, а водные - кислородом, растворенным в воде.

В природе происходит своеобразный круговорот кислорода. Кислород из атмосферы поглощается животными, растениями, человеком, расходуется на процессы горения топлива, гниение и прочие окислительные процессы. Оксид углерода (IV) и вода, образующиеся в процессе окисления, потребляются зелеными растениями, в которых с помощью хлорофилла листьев и солнечной энергии осуществляется фотосинтез, т.е. синтез органических веществ из оксида углерода (IV) и воды, сопровождающийся выделением кислорода. Для обеспечения кислородом одного человека нужны кроны двух больших деревьев. Зеленые растения поддерживают постоянный состав атмосферы

Задания № 16, 17, 18. Выполняя эти задания, студент знакомится с биологическими концепциями естествознания, изучает структурные уровни организации материи и знакомится с основополагающими жизненными системами.

К фундаментальным биологическим знаниям, без которых невозможно понять сущность жизнедеятельности организмов, относится клеточная теория. Одно из ее положений гласит, что клетка является структурно-функциональной единицей всех живых организмов.

Без знаний химического состава клетки – основной единицы жизни нельзя понять механизм сложнейших процессов, которые протекают в живых организмах. Студент должен знать, что все проявления жизнедеятельности клетки связаны с химическими превращениями веществ.

Задания преследуют цель акцентировать внимание студента на особую роль нуклеиновых кислот в природе – хранение и передача наследственной информации.

Обратите внимание, что нуклеиновые кислоты всех живых существ от вирусов до высших многоклеточных организмов обладают сходством химического состава.

Ниже приводятся фрагменты примеров ответов на задания:

Задание № 16

Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни. Органические соединения составляют в среднем 20-30 % массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и т.д. Среди органических веществ клетки первое место как по количеству, так и по значению занимают белки.

Белки – это высокомолекулярные полимерные соединения, мономером которых служат аминокислоты. В организме человека встречаются 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Такое разнообразие обеспечивается комбинацией всего лишь 20 разных аминокислот, обычно обнаруживаемых при гидролизе* белков.

* Гидролиз – расщепление органических соединений с присоединением по месту элементов молекулы воды (Н⁺ и ОН^-)

Белки, выделенные из живых организмов – животных, растений и микроорганизмов, - включают несколько сотен, а иногда и тысяч комбинаций 20 основные аминокислот. Порядок их чередования самый разнообразный, что делает возможным существование огромного числа молекул белка, отличающихся друг от друга. Например, для белка, состоящего всего из 20 остатков аминокислот, теоретически возможны около 2 · 10¹⁸ вариантов, отличающихся порядком чередования аминокислот, а значит, и свойствами различных белковых молекул.

У белков имеется четыре уровня структурной организации.

Довольно мягкие изменения физических условий, в том числе изменение рН, температуры или обработка водными растворами некоторых неорганических веществ, могут вызвать нарушение структурной организации белков. В белках, подвергнутых таким воздействиям, происходит денатурация. Под денатурацией понимают утрату структуры, присущей данной белковой молекуле. При денатурации молекула развертывается и теряет способность выполнять свою обычную биологическую функцию. Это изменение может носить временный или постоянный характер, но аминокислотная последовательность в молекуле белка остается неизменной.

Денатурированный белок существенным образом отличается по своей пространственной организации от белка в естественном (нативном) состоянии и лишен биологической активности. Денатурирующие воздействия в той или иной степени разрушают нековалентрую структуру нативного белка (вторичную, третичную и четвертичную). Некоторые белки при незначительных изменениях структуры не теряют биологической активности, другие даже при незначительных перестройках, которые не фиксируются обычными методами, полностью инактивируются. При восстановлении нормальных условий среды полностью воссоздаются структура белка и его функциональная активность. Такой процесс носит название ренатурации. Это свойство белков полностью восстанавливать утраченную структуру широко используется в медицинской и пищевой промышленности для приготовления некоторых медицинских препаратов, например антибиотиков, для получения пищевых концентратов, сохраняющих длительной время в высушенном виде свои питательные свойства, вакцин, сывороток, ферментов.

Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших – строительная (структурная) функция: белки участвую в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внеклеточных структур.

Исключительно важное значение имеет каталитическая роль белков. Сущность каталитической реакции, несмотря на огромное разнообразие катализаторов и типов реакций, в которых они принимают участие, в основных чертах сводится к тому, что исходные вещества образуют с катализатором промежуточные соединения. Они сравнительно быстро превращаются в конечные продукты реакции, а катализатор восстанавливается в первоначальном виде. Биологическими катализаторами белковой природы являются ферменты, они функционируют во всех живых организмах и ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Ферменты функционируют в водной среде при атмосферном давлении, обычно при температуре около 37 °С и значениях рН от 2 до 10, т.е. в условиях, при которых в лабораториях редко удается осуществить подобные по сложности реакции. Некоторые ферменты микроорганизмов, обнаруженных в водах горячих природных источников, не только выдерживают температуру, близкую к точке кипения воды, но даже проявляют свою максимальную активность.

Самое важное отличие ферментов от других катализаторов заключается в том, что скорость реакций, катализируемых ферментами, в десятки тысяч, а иногда и в миллионы раз выше той скорости, которая может быть достигнута при участии неорганических катализаторов.

Двигательная функция живых организмов обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы: образование псевдоподобий, мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у многоклеточных животных, движение листьев у растений и др.

Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и перенос их к различным тканям и органам тела.

Защитная функция проявляется при поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов. В этом случае в белых кровяных тельцах – лейкоцитах – образуются особые белки – антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества (антигены).

Энергетическая функция обусловлена тем, что белки служат и одним из источников энергии в клетке. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

Здание № 17

ПРИЗНАКИ	ДНК	РНК
Локали-зация в клетке	Находится главным образом в клеточном ядре.	Находится преимущественно в таких органоидах клетки, как рибосомы, а также в протоплазме клеток и в малых количествах - в ядре.
Строение мономера нуклеотида	Биологические полимеры - нуклеиновые кислоты, распадаясь образуют мономеры - нуклеотиды. Структурными единицами каждого нуклеотида являются фосфат (остаток фосфорной кислоты), углеводный остаток сахара, содержащего пять атомов углевода, - дезоксирибозы (в ДНК) или рибозы (в РНК)
Дезоксирибоза	Рибоза
ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. Их структуры приведены ниже. Как видно, у всех четырех нуклеотидов углевод и фосфорная кислота одинаковы.	Как и в ДНК, структура РНК создается чередованием четырех типов нуклеотидов, но состав нуклеотидов РНК несколько отличается от нуклеотидов ДНК, т.е. углевод в РНК не дезоксири-боза, а рибоза, отсюда и название РНК.

Задание № 19. Студент должен знать основные гипотезы возникновения жизни на Земле, которые возникали в процессе развития естествознания, а также современную научную концепцию возникновения и развития жизни.

Задания №№ 20, 21. Выполняя эти задания, студент должен уяснить, что биосфера – это сложная система, составной частью которой является человек, способный влиять на климат и состояние биосферы.

Спасти человечество от экологической катастрофы может только создание целого комплекса мер по охране окружающей среды.

Задание № 22. Выполняя это задание студент знакомится с индивидуально-психологическими особенностями личности человека. К этим особенностям относятся: темперамент, характер, способности.

Ниже приводится фрагмент примера ответа.

Флегматический темперамент деятельности относится к хладнокровному человеку. Он выражает собой скорее склонность к бездеятельности, чем к напряженной и активной работе. Этот темперамент характеризуется сильными, уравновешенными, но малоподвижными нервными процессами. Такой человек медленно приходит в состояние возбуждения, но зато надолго. Это заменяет ему медлительность вхождения в работу. Флегматики умеют так увлечься работой, что отдают ей дни и ночи и часто испытывают неудовольствие, когда вынуждены прерывать свою деятельность для отдыха, а тем более отвлекаться от нее по менее веским обстоятельствам. Рассказывают, что Луи Пастер, увлеченный научным экспериментом, забыл о своем предстоящем бракосочетании и опоздал к назначенному времени.

Флегматики не любят менять ни место, ни характер работы и трудно переключаются с одного дела на другое. Ученый-флегматик посвящает всю жизнь один раз выбранной теме и, если она окажется перспективной, добивается выдающихся успехов. Но если выясняется, что тема не сулит каких-нибудь значительных открытий, переключиться на другую он зачастую не в состоянии. Вообще приспосабливаться к новой обстановке, к новой, ставшей модной, одежде, просто к новым вещам ему трудно. Такие люди малообщительны, с трудом заводят новых друзей. Они не обидчивы. Поссориться с ними трудно, но уж если ссора произошла, добиться примирения тоже нелегко.

Все виды временных связей, в том числе условные рефлексы, вырабатывающиеся у флегматиков, бывают чрезвычайно прочными. Это заставляет их строго придерживаться сложившегося жизненного уклада. Оказавшись в новой, непривычной обстановке, они в течение долгого времени сохраняют ранее сложившийся тип поведения. Эту черту характера красочно изобразил в рассказе "Унтер Пришибеев" А.П. Чехов. Его герой - яркий пример чрезвычайно инертной нервной системы. Выйдя в отставку, он никак не может оказаться от давно укоренившейся манеры "наводить всюду порядок". Даже находясь под арестом, <увидев мужиков, которые толпятся и говорят о чем-то, он по привычке, с которой уже совладать не может, вытягивает руки по швам и кричит хриплым, сердитым голосом: «Народ, расходись! Не толпись! По домам!»>.

Задания №№ 23, 24, 25 являются итоговыми. Студент ознакомился с процессом возникновения, становления и развитием естествознания, уяснил, что наука является социальным институтом, она создавалась и создается сообществом ученых на протяжении более двух тысячелетий. Студент должен понимать смысл основных терминов и знать имена выдающихся ученых и их вклад в развитие естествознания.

Дата добавления: 2015-07-19