Физические основы экологии в курсе теоретической физики педагогического вуза

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ В КУРСЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ВУЗА

Проблемы взаимодействия человека с окружающей природой, порождённые научно-техническими достижениями, обусловили появление целого ряда междисциплинарных научных направлений и образовательных дисциплин. В частности, в рамках интеграции физики и экологии появились такие понятия, как экологическая физика, физика окружающей среды, экологизация физики и т.п. [3].

Курс «Основы теоретической физики», наряду с другими естественнонаучными дисциплинами, образует фундамент для понимания процессов и явлений окружающего мира. Замечательная «октава», включающая 8 разделов этого курса (математическая физика, классическая механика, электродинамика, теория относительности, квантовая механика, статистическая физика и термодинамика, электронная теория вещества, физика атомного ядра и элементарных частиц) формирует надёжную теоретическую базу для подготовки учителя физики и элективных курсов экологической направленности (рис. 1).

 

Рис. 1. Ступени курса теоретической физики

Дисциплина «Математическая физика» – это настоящая «сокровищница» математических моделей различных физических процессов. Решение дифференциальных уравнений в частных производных позволяет не только обосновать тот или иной наблюдаемый физический процесс, но и предсказать  ряд новых эффектов.

В рамках обсуждаемой темы интересной является задача о влиянии радиоактивного распада на температуру земной коры [6]. Простейшая количественная теория остывания Земли, основанная на решении уравнения теплопроводности

с известными значениями геотермического градиента град/см,

начальной температуры (температуры плавления горных пород)  , а также экспериментального значения коэффициента температуропроводности гранитов и базальтов , даёт для продолжительности процесса остывания значение  лет, что не согласуется с геологическими данными о возрасте Земли (  лет). Физическая схема температурного режима Земли меняется при учёте явления радиоактивного распада. Добавка в уравнении теплопроводности (1) слагаемого, учитывающего плотность тепловых источников (тепло, выделяемое ураном, торием и калием вместе с их продуктами рампада), позволяет установить закон убывания концентрации радиоактивных элементов с глубиной и определить геотермический градиент, согласующийся с возрастом Земли.

Другими примерами могут служить задачи о распространении температурных волн в почве, или о процессе сорбции (поглощения) газов [6].

В рамках классической механики рассматриваются явления, соответствующие самой простой форме движения – механической. Этот раздел физики изучает область достаточно медленных движений. Здесь формулируются и обосновываются важнейшие законы сохранения – энергии и импульса, проходящие «насквозь» через всю физику. Физика крупномасштабных явлений полностью определяется законами кинематики и динамики, сформулированными в классической механике. Тем самым создаётся фундамент, на котором оказывается возможным объяснение большого круга макроскопических явлений.

 Все четыре основных раздела электродинамики, изучающей электромагнитные процессы (электростатика, магнитостатика, квазистационарные и переменные электромагнитные поля), дают возможность для обсуждения «перекрёстков» физики и экологии. В частности, изучение свойств полей неразрывно связано с обсуждением их влияния на организм человека и способами защиты от их вредного воздействия.

В разделе «Электростатика» вычисление напряжённости электрического поля, создаваемого заряженными телами различной конфигурации, сопровождается обсуждением «клетки Фарадея» как средства защиты от электростатического поля. Магнитостатика позволяет рассчитывать магнитные поля, создаваемые постоянными токами, а также определять механические силы, действующие на движущиеся заряды и токи. Этот раздел даёт основу для обсуждения влияния магнитного поля на живые существа. Совместным действием электрических и магнитных полей удаётся управлять движением заряженных частиц. На этом основан принцип работы линейных и циклических ускорителей. И здесь тоже есть основа для экологических дискуссий, например, по вопросу о влиянии синхротронного излучения на живой организм. Кроме того, изучение физических основ работы ускорителей даёт надёжную основу для грамотной интерпретации фактов, относящихся к работе Большого адронного коллайдера (БАК), функционирующего в Европейском Центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария). Неоднократно на страницах прессы журналистами поднимался вопрос о проблеме экологической безопасности БАК. По-настоящему в этом вопросе может разобраться физик, хорошо понимающий процессы, лежащие в основе работы современного ускорителя на встречных пучках.

Квазистационарные поля – это раздел, рассматривающий достаточно медленно меняющееся во времени электромагнитное поле. Сюда относятся большинство полей, с которыми имеет дело электротехника и радиотехника. Например, электромагнитное поле вокруг электрических цепей, по которым течёт ток с частотой 50 Гц (а это – все провода в нашем доме и учебных аудиториях), является квазистационарным. Критерий квазистационарности простирается вплоть до ультрафиолетового диапазона. Фактически человек постоянно находится в таком поле. 

В рамках этого раздела изучается интересное явление, которое называется скин-эффект (в переводе с английского skin – это кожа) [1].  Согласно этому эффекту, в отличие от постоянного тока, переменный ток протекает только в тонком поверхностном слое, уменьшаясь по мере проникновения в глубь проводника. Решая дифференциальное уравнение для напряжённости электрического поля с учётом условия квазистационарности, студенты получают формулу, определяющую глубину проникновения поля в проводник

а затем проводят вычисления этой величины для разных частот. Результаты вычислений для медного проводника (удельная электропроводность показывают, что, например, волны с промышленной частотой 50 Гц могут проникать в такой проводник на глубину около 1 см, а для волн СВЧ - диапазона с частотой 2450 Мгц (используемых в микроволновых печах) глубина скин-слоя составит всего  см. Таким образом, высокочастотное поле не проникает в глубь проводника. Происходит и перераспределение плотности тока по сечению проводника: у поверхности плотность тока максимальна, а в глубине убывает (рис. 2).

 

                                                       Рис. 2. Скин-эффект

Интересно оценить проявление скин-эффекта для обитателей моря. Для морской воды . Поэтому видимый свет проникает на глубину порядка см, а рентгеновское излучение – на см.

Раздел «Переменное электромагнитное поле» даёт возможность для обсуждения влияния электромагнитных полей на живые организмы. Важнейшая задача этого раздела – излучение линейного гармонического осциллятора. В дипольном приближении рассчитывается плотность потока электромагнитной энергии и строится полярная диаграмма (угловое распределение плотности потока энергии). Она позволяет предсказывать направления с максимальным и минимальным значением интенсивности излучения: наибольшая плотность потока энергии будет в направлении, перпендикулярном к оси диполя; вдоль оси диполь не излучает (рис. 3).

 

 

               Рис. 3. Угловое распределение дипольного излучения

Кроме того, получает теоретическое обоснование закон Рэлея, согласно которому наибольшая интенсивность излучения приходится на короткие волны.

Специальная теория относительности (СТО) даёт теоретическую базу для физики высоких энергий. Проникновение в область таких энергий порождает массу экологических проблем, касающихся использования высоких энергий в мирных и военных целях.

Квантовая механика, наряду с СТО, составляет фундамент всей современной физики и, следовательно, определяет глубину понимания тех или иных эффектов окружающего мира. Наиболее впечатляющий квантовый эффект, обусловленный волновыми свойствами микрочастиц, состоит в возможности прохождения частицы через потенциальный барьер (туннельный эффект) [4]. Непосредственное применение его к экологическим проблемам затрагивает как вопросы живой, так и неживой природы. Физика квантового туннелирования лежит, например, в основе теории -распада тяжёлых ядер и кластерной радиоактивности. Применительно к миру живых организмов этот эффект позволяет понять процессы транспорта ионов через клеточные мембраны.

Статистическая теория излучения (А. Эйнштейн, 1916 г.), которая изучается в разделе «Теория квантовых переходов» в рамках нестационарной теории возмущений [5], обеспечила фундамент для создания квантовых генераторов – мазеров и лазеров. О мирных «профессиях» этих устройств квантовой электроники хорошо известно каждому школьнику, а военные приложения, – это повод задуматься об экологических последствиях.

Лазерное излучение может быть использовано для экспериментальной реализации квантового эффекта Зенона (Л.А. Халфин, 1957 г.). Эффект состоит в «замораживании» физических процессов в условиях непрерывных наблюдений за квантовой системой. Таким способом удаётся затормозить радиоактивный распад и сделать его невозможным. В связи с этим студентов всегда интересует вопрос, имеющий экологическую «окраску»: почему этот метод не получил широкого применения в проблеме радиационной безопасности.

Многие процессы, протекающие в окружающей природе, хорошо описываются методами термодинамики и статистической физики. Четыре начала термодинамики вместе с законами классической и квантовой статистики являются основой для объяснения обратимых и необратимых процессов в многочастичных системах. Особую ценность имеет здесь теория неравновесных процессов и выросшая в её недрах синергетика – теория самоорганизации открытых, нелинейных, неравновесных, диссипативных систем.

В курсе «Электронная теория вещества» с вопросами экологии тесно связан раздел «Физика плазмы». Изучение свойств высокотемпературной плазмы и её поведения в электрических и магнитных полях позволяет сформулировать и рассмотреть проблему управляемого термоядерного синтеза как альтернативу экологически небезопасному способу получения энергии в ядерных реакторах.

Мощную физическую базу для экологии даёт физика атомного ядра и элементарных частиц [2]. В этом разделе курса теоретической физики подробно рассматриваются свойства атомных ядер, ядерные модели и ядерные силы, законы сохранения в физике элементарных частиц, фундаментальные взаимодействия, теория радиоактивных превращений, теория спонтанного и вынужденного деления атомных ядер, ядерные реакции и проблемы ядерной энергетики, ядерная энергетика и экология.

Согласно формуле Эйнштейна  энергия связана с массой, всякое изменение массы приводит к изменению энергии. Основная масса вещества сконцентрирована в атомных ядрах. Извлечь ядерную энергию можно либо путём деления тяжёлых ядер, либо путём синтеза лёгких ядер. Какую энергию можно получить, например, в результате цепной реакции деления урана-235, даёт представление следующий несложный расчёт. При делении 1 ядра урана выделяется энергия порядка 200 МэВ. Среднее время жизни одного поколения нейтронов в  составляет . Спустя t ~ появятся нейтроны сотого поколения  в количестве  За это время произойдёт всего реакций деления .

При этом выделится энергия

которая приведёт к взрыву колоссальной силы. Его средняя мощность составит

что только на два порядка меньше мощности излучения Солнца. На этом основан принцип действия ядерной бомбы.

    Важным вопросом является не только понимание механизма деления атомных ядер, но и процессы, сопутствующие делению ядра (таблица 1).

Таблица 1

1. Кинетическая энергия осколков	167 МэВ	83.5 %
2.Энергия вторичных нейтронов	5 МэВ	2.5%
3. Энергия мгновенных γ - квантов	8 МэВ	4%
4. Энергия β – частиц (е) продуктов деления	5 МэВ	2.5%
5. Энергия γ – излучения продуктов деления	5 МэВ	2.5 %
6. Энергия антинейтрино продуктов деления	10 МэВ	5%

                                                       ВСЕГО: 200 МэВ

В атомных реакторах цепная реакция деления ядер носит управляемый характер. Но эксплуатация атомных электростанций связана с многочисленными экологическими проблемами (утилизация отходов ядерного топлива, влияние ионизирующих излучений, обусловленных выбросами радионуклидов, тепловое загрязнение вод и т.).

Проблеме «Ядерная энергетика и экология» посвящается отдельная лекция. В её содержание входит анализ последствий аварий, относящихся к 6 и 7 уровням Международной шкалы ядерных событий (INES). Сюда относятся авария на Чернобыльской АЭС (1986 г.), авария на японской АЭС Фукусима -1 (2011 г.) и Кыштымская авария (1957 г.). Особенно подробно эти вопросы обсуждались на протяжении курса ядерной физики в марте 2011, когда произошла трагедия на Фукусиме. Тогда студенты имели возможность анализировать ежедневные данные с места событий, что позволило неформально рассматривать ряд принципиальных вопросов.

Значительное внимание в курсе физики ядра уделяется свойствам ионизирующих излучений и способам защиты от них. С целью изучения проникающей способности различных видов излучения проводится компьютерная лабораторная работа «Изучение поглощения γ – излучения веществом», в рамках которой с помощью интерактивной модели можно изучить проникающую способность  гамма-излучения для различных материалов и объяснить причину различие этого эффекта для -излучения.

Библиографический список

1. Горяинова С.М. Электродинамика. Курс лекций в 2 ч. Часть I / С.М. Горяинова, Л.М. Свирская. – Челябинск: ЮУрГГПУ, 2019. – 207 с.

2. Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц: учеб. пособие / А.И. Наумов.  – М.: Просвещение, 1984. – 384 с.

3. Рыженков А.П. Физика окружающей среды / А.П. Рыженков. – М.: Прометей, 2018. – 92 с.

4. Свирская Л.М. Квантовая механика. Курс лекций в 2 ч. Ч.I / Л.М. Свирская. – Челябинск, ЮУрГГПУ, 2018. – 270 с.

5. Свирская Л.М. Квантовая механика. Курс лекций в 2 ч. Ч.II / Л.М. Свирская. – Челябинск: ЮУрГГПУ, 2018. – 184 с.

6. Тихонов А.Н. Уравнения математической физики: учеб. Пособие /А.Н. Тихонов, А.А. Самарский. – М.: Наука, 1972. – 736 с.