Эволюция современного естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Институт Верхневолжье

Контрольная работа

по предмету: Концепции современного естествознания

Выполнила:

Михайлова О.Н.

Тверь 2015



Оглавление

Введение

1. Вселенная. Звезды. Основные характеристики звезд и их эволюция

2. Корпускулярно-волновые свойства вещества

3. Основные положения теории неодарвинизма

4. Представление о строении атомного ядра

5. Статистические и термодинамические свойства систем

Заключение

Список литературы



Введение

Дисциплина "Концепции современного естествознания" включена в цикл математических и естественнонаучных дисциплин гуманитарных и экономических факультетов с целью ознакомления с дополнительным для них неотъемлемым компонентом единой культуры - естествознанием и формированием целостного взгляда на окружающий мир. Возникающая сегодня тенденция к гармоничному синтезу двух традиционно противостоящих культур созвучна потребности общества в целостной картине мира и подчеркивает актуальность предлагаемой дисциплины. Данная учебная дисциплина не представляет собой механическое соединение традиционных курсов физики, химия, биологии и экологии, а является продуктом междисциплинарного синтеза на основе комплексного историко-философского, культурологического и эволюционно-синергетического подходов к современному естествознанию. Поэтому ее эффективное освоение возможно на основе применения новой парадигмы, способной объединить естественно - научную и гуманитарную компоненты культуры.

Естествознание как система научных знаний о природе, обществе и мышлении взятых в их взаимной связи, как единое целое, представляет собой весьма сложное явление, обладающее различными сторонами и связями, чем обусловлено его место в общественной жизни, как неотъемлемой части духовной культуры человечества.

Естествознание как система научных знаний имеет:

· предмет и цели;

· закономерности и особенности развития;

· методы.

Выделяют:

а) Эмпирическую строну Естествознания.

б) Теоретическую строну Естествознания.

в) Прикладную сторону Естествознания.

В мировоззренческом плане, Естествознание как система научных знаний играет фундаментальную роль и состояние Естествознания в конкретно исторический период определяет доминирующую систему взглядов в обществе на природу, в широком смысле слова, и методы ее познания. Знания можно разделить на отрасли, в каждой из которых выделить конкретные направления познания, так познания человечества по отраслям подразделяются на:

естественные (физика, химия, биология и т.д.)

технические (машиностроительные, архитектурные, микроэлектроника и т.д.). неодарвинизм атом корпускулярный эволюционный

социальные и гуманитарные науки (культурологические знания, социологические, политологические и т.д.)

Задачи работы ответить на вопросы:

1. Вселенная. Звезды. Основные характеристики звезд и их эволюция.

2. Корпускулярно-волновые свойства вещества.

3. Основные положения теории неодарвинизма.

4. Представление о строении атомного ядра.

5. Статистические и термодинамические свойства систем.



1. Вселенная. Звезды. Основные характеристики звезд и их эволюция

Вселенная - это самая крупная материальная система; это весь существующий материальный мир, без граничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.[1]

Происхождение Вселенной интересует людей с древнейших времен, но даже крупнейшие достижения современного естествознания не позволяют дать исчерпывающие ответы. Принято считать, что основные положения современной космологии - науки о строении и эволюции Вселенной - начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивисткой модели, основанной на теории гравитации. Эта модель описывала стационарное состояние Вселенной, но последующие астрофизические наблюдения опровергли эту гипотезу.

В 1922 г. профессор Петроградского университета А. Фридман в результате решения космологических уравнений пришел к выводу, что Вселенная не может находиться в стационарном состоянии - она либо расширяется, либо сужается.

В 1924 г. американский астроном Э. Хаббл впервые измерил расстояние до ближайших галактик, а в 1929 г. он по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод Фридмана о расширении Вселенной.

Результаты наблюдений показывают, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1парсек = 3,3 световых года; световой год - это расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1 земной год). Отсюда возраст Вселенной составляет около 15 млрд. лет. Предполагается, что изначально Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам она оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции Большого взрыва.

Эта концепция предполагает, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью с момента ее образования. Существует также гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотностей, то расширяясь, то сжимаясь, и тогда возраст Вселенной определить невозможно (рисунок 1).

По мере развития естествознания выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на ранних стадиях развития Вселенной. Экспериментально подтверждение получила, выдвинутая в конце 40-х гг. 20 в., модель горячей Вселенной Г. Гамова. Согласно этой гипотезе в начальный момент расширения Вселенной протекали ядерные процессы в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось. Из этой модели следуют два вывода:

1) вещество, из которого зарождались первые звезды, состояло в основном из водорода и гелия (3:1);

2) в космосе должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной, и поэтому названное реликтовым (оно было обнаружено в 1965 г.).

Часть Вселенной, доступная исследованию современными астрономическими средствами, называется Метагалактикой.

Вселенная состоит из галактик, отдельно стоящих звезд, планет, разреженного газа и космической пыли.

Главные составляющие Вселенной - это галактики - огромные звездные системы, содержащие десятки, сотни миллиардов звезд. Солнце вместе с планетной системой входят в галактику, наблюдаемую в форме Млечного пути. По форме и строению различают эллиптические, шаровые и неправильной формы галактики. Млечный путь относится к спиральным галактикам.

Звездам -- небесное тело, в котором идут, шли или будут идти термоядерные реакции. Но чаще всего звездой называют небесное тело, в котором идут в данный момент термоядерные реакции. Солнце -- типичная звезда спектрального класса G. Звёзды представляют собой массивные светящиеся газовые (плазменные) шары. Образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности -- тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. Примечательно и то, что звёзды имеют отрицательную теплоёмкость

Основные звездные характеристики.

Светимость и расстояние до звезд.

Угловые размеры звезд очень малы. Даже в самые большие телескопы нельзя увидеть звезды в виде "реальных" дисков. Подчеркиваю слово "реальных", так как благодаря чисто инструментальным эффектам, а главным образом неспокойностью атмосферы, в фокальной плоскости телескопов получается "ложное" изображение звезды в виде диска. Угловые размеры этого диска редко бывают меньше одной секунды дуги, между тем как даже для ближайших звезд они должны быть меньше одной сотой доли секунды дуги.

Спектры звезд.

Исключительно богатую информацию дает изучение спектров звезд. Уже давно спектры подавляющего большинства звезд разделены на классы. Последовательность спектральных классов обозначается буквами O, B, A, F, G, K, M. Существующая система классификации звездных спектров настолько точна, что позволяет определить спектр с точностью до одной десятой класса. Например, часть последовательности звездных спектров между классами B и А обозначается как В0, В1 . . . В9, А0 и так далее. Спектр звезд в первом приближении похож на спектр излучающего "черного" тела с некоторой температурой Т. Эти температуры плавно меняются от 40-50 тысяч градусов у звезд спектрального класса О до 3000 градусов у звезд спектрального класса М. В соответствии с этим основная часть излучения звезд спектральных классов О и В приходиться на ультрафиолетовую часть спектра, недоступную для наблюдения с поверхности земли. Однако в последние десятилетия были запущены специализированные искусственные спутники земли; на их борту были установлены телескопы, с помощью которых оказалось возможным исследовать и ультрафиолетовое излучение.

Температура и масса звезд.

Знание спектрального класса или цвета звезды сразу же дает температуру ее поверхности. Так как звезды излучают приблизительно как абсолютно черные тела соответствующей температуры, то мощность, излученная единицей их поверхности, определяется из закона Стефана Больцмана.

Эволюция звезд.

Хотя по человеческой шкале времени звезды и кажутся вечными, они, подобно всему сущему в природе, рождаются, живут и умирают. Согласно общепринятой гипотезе газопылевого облака звезда зарождается в результате гравитационного сжатия межзвездного газопылевого облака. По мере уплотнения такого облака сначала образуется протозвезда, температура в ее центре неуклонно растет, пока не достигает предела, необходимого для того, чтобы скорость теплового движения частиц превысила порог, после которого протоны способны преодолеть макроскопические силы взаимного электростатического отталкивания и вступить в реакцию термоядерного синтеза.

В результате многоступенчатой реакции термоядерного синтеза из четырех протонов в конечном итоге образуется ядро гелия (2 протона + 2 нейтрона) и выделяется целый фонтан разнообразных элементарных частиц. В конечном состоянии суммарная масса образовавшихся частиц меньше массы четырех исходных протонов, а значит, в процессе реакции выделяется свободная энергия. Из-за этого внутренне ядро новорожденной звезды быстро разогревается до сверхвысоких температур, и его избыточная энергия начинает выплескиваться по направлению к ее менее горячей поверхности - и наружу. Одновременно давление в центре звезды начинает расти. Таким образом, «сжигая» водород в процессе термоядерной реакции, звезда не дает силам гравитационного притяжения сжать себя до сверхплотного состояния, противопоставляя гравитационному коллапсу непрерывно возобновляемое внутреннее термическое давление, в результате чего возникает устойчивое энергетическое равновесие. О звездах на стадии активного сжигания водорода говорят, что они находятся на «основной фазе» своего жизненного цикла или эволюции. Превращение одних химических элементов в другие внутри звезды называют ядерным синтезом или нуклеосинтезом.

В частности, Солнце находится на активной стадии сжигания водорода в процессе активного нуклеосинтеза уже около 5 миллиардов лет, и запасов водорода в ядре для его продолжения нашему светилу должно хватить еще на 5,5 миллиарда лет. Чем массивнее звезда, тем большим запасом водородного топлива она располагает, но для противодействия силам гравитационного коллапса ей приходится сжигать водород с интенсивностью, превосходящей по темпу роста темп роста запасов водорода по мере увеличения массы звезды. Таким образом, чем массивнее звезда, тем короче время ее жизни, определяемое исчерпанием запасов водорода, и самые крупные звезды в буквальном смысле сгорают за «какие-то» десятки миллионов лет. Самые мелкие звезды, с другой стороны, «безбедно» живут сотни миллиардов лет. Так что по этой шкале наше Солнце относится к «крепким середнякам».

Рано или поздно, однако, любая звезда израсходует весь пригодный для сжигания в своей термоядерной топке водород. Дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы. По мере истощения запасов водорода в недрах звезды силы гравитационного сжатия, терпеливо ожидавшие этого часа с самого момента зарождения светила, начинают одерживать верх - и под их воздействием звезда начинает сжиматься и уплотняться. Этот процесс приводит к двоякому эффекту: температура в слоях непосредственно вокруг ядра звезды повышается до уровня, при котором содержащийся там водород вступает, наконец, в реакцию термоядерного синтеза с образованием гелия. В то же время температура в самом ядре, состоящем теперь практически из одного гелия, повышается настолько, что уже сам гелий вступает в новую реакцию термоядерного синтеза: из трех ядер гелия образуется одно ядро углерода. Этот процесс вторичной реакции термоядерного синтеза, топливом для которого служат продукты первичной реакции, - один из ключевых моментов жизненного цикла звезд.

При вторичном сгорании гелия в ядре звезды выделяется так много энергии, что звезда начинает буквально раздуваться. В частности, оболочка Солнца на этой стадии жизни расширится за пределы орбиты Венеры. При этом совокупная энергия излучения звезды остается примерно на том же уровне, что и в течение основной фазы ее жизни, но, поскольку излучается эта энергия теперь через значительно большую площадь поверхности, внешний слой звезды остывает до красной части спектра. Звезда превращается в красный гигант.

Для звезд класса Солнца после истощения топлива, питающего вторичную реакцию нуклеосинтеза, снова наступает стадия гравитационного коллапса - на этот раз окончательного. Температура внутри ядра больше не способна подняться до уровня, необходимого для начала термоядерной реакции следующего уровня. Поэтому звезда сжимается до тех пор, пока силы гравитационного притяжения не будут уравновешены следующим силовым барьером. В его роли выступает давление вырожденного электронного газа. Электроны, до этой стадии игравшие роль безработных статистов в эволюции звезды, не участвуя в реакциях ядерного синтеза и свободно перемещаясь между ядрами, находящимися в процессе синтеза, на определенной стадии сжатия оказываются лишенными «жизненного пространства» и начинают «сопротивляться» дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Состояние звезды стабилизируется, и она превращается в вырожденного белого карлика, который будет излучать в пространство остаточное тепло, пока не остынет окончательно.

Звезды более массивные, нежели Солнце, ждет куда более зрелищный конец. После сгорания гелия их масса при сжатии оказывается достаточной для разогрева ядра и оболочки до температур, необходимых для запуска следующих реакций нуклеосинтеза -углерода, затем кремния, магния - и так далее, по мере роста ядерных масс. При этом при начале каждой новой реакции в ядре звезды предыдущая продолжается в ее оболочке. На самом деле, все химические элементы вплоть до железа, из которых состоит Вселенная, образовались именно в результате нуклеосинтеза в недрах умирающих звезд этого типа. Но железо - это предел; оно не может служить топливом для реакций ядерного синтеза или распада ни при каких температурах и давлениях, поскольку как для его распада, так и для добавления к нему дополнительных нуклонов необходим приток внешней энергии. В результате массивная звезда постепенно накапливает внутри себя железное ядро, не способное послужить топливом ни для каких дальнейших ядерных реакций.

Как только температура и давление внутри ядра достигают определенного уровня, электроны начинают вступать во взаимодействие с протонами ядер железа, в результате чего образуются нейтроны. И за очень короткий отрезок времени - некоторые теоретики полагают, что на это уходят считанные секунды, - свободные на протяжении всей предыдущей эволюции звезды электроны буквально растворяются в протонах ядер железа, всё вещество ядра звезды превращается в сплошной сгусток нейтронов и начинает стремительно сжиматься в гравитационном коллапсе, поскольку противодействовавшее ему давление вырожденного электронного газа падает до нуля. Внешняя оболочка звезды, из под которой оказывается выбита всякая опора, обрушивается к центру. Энергия столкновения обрушившейся внешней оболочки с нейтронным ядром столь высока, что она с огромной скоростью отскакивает и разлетается во все стороны от ядра - и звезда буквально взрывается в ослепительной вспышке сверхновой звезды. За считанные секунды при вспышке сверхновой может выделиться в пространство больше энергии, чем выделяют за это же время все звезды галактики вместе взятые.

После вспышки сверхновой и разлета оболочки у звезд массой порядка 10-30 солнечных масс продолжающийся гравитационный коллапс приводит к образованию нейтронной звезды, вещество которой сжимается до тех пор, пока не начинает давать о себе знать давление вырожденных нейтронов - иными словами, теперь уже нейтроны (подобно тому, как ранее это делали электроны) начинают противиться дальнейшему сжатию, требуя себе жизненного пространства. Это обычно происходит по достижении звездой размеров около 15 км в диаметре. В результате образуется быстро вращающаяся нейтронная звезда, испускающая электромагнитные импульсы с частотой ее вращения; такие звезды называются пульсарами. Наконец, если масса ядра звезды превышает 30 солнечных масс, ничто не в силах остановить ее дальнейший гравитационный коллапс, и в результате вспышки сверхновой образуется черная дыра.

Мир звезд необыкновенно разнообразен, в них сосредоточено более 90% наблюдаемого вещества, и хотя все звезды - раскаленные шары, которые светятся собственным светом, их физические характеристики различаются весьма существенно.

В зависимости от размера выделяют звезды-гиганты и сверхгиганты (больше Солнца в миллионы и миллиарды раз); нормальные звезды; звезды-карлики (меньше Солнца и даже Земли; нейтронные звезды (диаметр 20-30 км, но с огромной плотностью вещества; были обнаружены в 1967 г. по необычному импульсному радиоизлучению).

В зависимости от температуры поверхности различают:

- 3-4 тыс. градусов - красные;

- 6 тыс. градусов - желтые;

- 12 тыс. градусов - белые и голубоватые.

2. Корпускулярно-волновые свойства вещества

Корпускулярно-волновой дуализм -- принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций.[2]

В частности, свет -- это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный. Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI-XVII вв.

Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи - атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов - мельчайших в мире частиц.

Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкивания. Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира -- механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы -- научно-теоретического.

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц -- атомов или корпускул.

Однако были две области -- оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картинымира.

Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц -- корпускул. В корпускулярной теории света И. Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснение законам отражения и преломления света.

Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно на основе волновой теории, сформулированной X. Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, -- светоносного эфира. Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как два ряда волн на воде.

Согласно же корпускулярной теории, между пучками излученных частиц, каковыми является свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере, какие-либо возмущения. Волновая теория света была вновь выдвинута в первые десятилетия XIX в. английским физиком Т. Юнгом и французским естествоиспытателем О.Ж. Френелем. Т. Юнг дал объяснение явлению интерференции, т.е. появлению темных полосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помощью парадоксального утверждения: свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причина этого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, или волновое движение. При наложении друг на друга цепочек волн в противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается с впадиной другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные полосы.

Явления интерференции и дифракции могли быть объяснены только в рамках волновой теории и не поддавались объяснению на основе механической корпускулярной теории света.

Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж.К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель Х.К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М.Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. На основе своего представления о силовых линиях он предположил, что существует глубокое родство электричества и света, и хотел построить и экспериментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривался бы как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное.

М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж.К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж.К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцом в 1888 г.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи.

Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

? Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

? Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле -- нет.

? Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.

? Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

В результате революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, -- волновыми.

Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике.

Представления А.Эйнштейна о квантах света, послужившие в 1913 г. отправным пунктом теории Н.Бора, через 10 лет снова оказали плодотворное воздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о «волнах материи» и тем самым заложили основу новой стадии развития квантовой теории.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А.Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи.

Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.

Согласно де Бройлю, любому телу с массой m, движущемуся со скоростью v, соответствует волна. Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света - фотонам.

В 1926 г. австрийский физик Э.Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П.Дирак обобщил его.

Смелая мысль Д. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.

Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М.Борну символическое значение как «волны вероятности».

Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Д. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще более важным было открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развития волновой механики.

Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В.Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н.Бора.

В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении.

3. Основные положения теории неодарвинизма

Теория эволюции занимает особое место в изучении истории жизни и служит фундаментом для всей биологии. [3 ]

Эволюция - всеобщее постепенное развитие, упорядоченное и последовательное. Применительно к живым организмам - это развитие сложных организмов из предшествующих более простых организмов с течением времени.

Неодарвинизм - теория органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Это теория Дарвина и Уоллеса, расширенная и разработанная в свете современных данных генетики, палеонтологии, молекулярной биологии, экологии и этологии.

Для подтверждения неодарвнизма нужно:

- установить факт изменения жизни во времени (эволюция в прошлом);

- выявить механизм, производящий эволюционные изменения (естественный отбор генов);

- продемонстрировать эволюцию, происходящую в настоящее время.

Сущность изменчивости, наследственности и эволюции объясняется с помощью популяционной генетики (науки об изменчивости и наследственности). Гены, действуя совместно с факторами окружающей среды или независимо от них, определяют фенотипические признаки организмов и определяют изменчивость в популяциях. Фенотипы, приспособленные к условиям данной среды или экологическим рамкам, сохраняются отбором, а неадаптированные - отсеиваются.

Общая генетическая реакция всей популяции определяет выживаемость данного вида и образование новых. Лишь те организмы, которые успели произвести потомство до своей гибели, вносят вклад в будущее вида, но для истории вида отдельная судьба организма не имеет значения. Популяция, генофонд которой непрерывно меняется от поколения к поколению, претерпевает эволюцию.

Сам процесс эволюции считается медленным, поскольку мутантные гены возникают редко и еще реже оказываются благоприятнее уже существующих.

Свидетельствами эволюции, происходившей в прошлом, служат ископаемые остатки организмов и стратиграфия (в самых древних породах встречаются организмы очень немногих типов и все они имеют простое строение. Более молодые породы содержат более разнообразные ископаемые остатки во все более сложным строением). Одно из главных возражений против использования ископаемых остатков как доказательства эволюции - отсутствие непрерывности в палеонтологической летописи. Этому есть свои объяснения. Кроме того, в настоящее время полагают, что у некоторых видов эволюция происходит по типу "прерывистого равновесия", т.е. долгое время виды практически не изменяются, затем происходит какое-то резкое изменение окружающей среды или крупная генетическая мутация, изменяющая генофонд, и за несколько тысяч лет появляется новый вид со своим генетическим равновесием.

Вероятно, так происходила эволюция жизни на Земле, а после таких скачков члены нового вида распространялись по большим пространствам, и появлялись почти внезапно крупные группы организмов. Эта гипотеза объясняет отсутствие непрерывного развития и ископаемых остатков промежуточных форм. Таким образом, видообразование может происходить разными способами.

Сведения об эволюции, происходящей в настоящее время, дают изучение популяций современных организмов, результаты искусственного отбора и генной инженерии.

Кроме вышеперечисленного, к факторам эволюции также относятся взаимопомощь и кооперация больших групп растений и животных (П.А. Кропоткин), а также случайность, когда источниками изменчивости служат генные или хромосомные мутации, особенно в малых популяциях с репродуктивной изоляцией.

Не существует пока твердо установленных законов эволюции. Есть только хорошо подкрепленные фактическими данными гипотезы, которые в совокупности составляют достаточно обоснованную теорию.

4. Представление о строении атомного ядра

Вещество - это форма существования материи, в которой она проявляет себя, прежде всего, в виде частиц, имеющих собственную массу (массу покоя). Согласно современным представлениям, материя дискретна. Любое тело и любое поле составлены из «элементарных» тел и «элементарных» полей, так называемых микрочастиц и микрополей. Все многообразие макрообъектов возникает из всевозможных сочетаний ограниченного числа качественно различных микрообъектов.[2]

До конца 19 века считалось, что атом - это наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи. В 1911 г. Резерфорд выдвинул гипотезу о «планетарной» модели атома: в центре атома находится «точечное» положительно заряженное ядро, вокруг него по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Но эта модель не смогла объяснить устойчивость атомов, поэтому была в дальнейшем усовершенствована Бором, Шредингером, Гейзенбергом, Паули и др. в рамках квантовой механики.

Строение и устойчивость атомного ядра.

Полной теории структуры атомных ядер до сих пор нет. Наиболее распространена модель оболочечного строения ядра атома. Предполагают, что протоны и нейтроны, независимо друг от друга, заполняют ядерные слои и оболочки.[4 ]

Ядро представляет собой центральную часть атома. В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10-¹⁵-10-¹⁴ м. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.

Первое представление об истинных размерах ядра давали опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц в тонких металлических фольгах. Частицы глубоко проникали сквозь электронные оболочки и отклонялись, приближаясь к заряженному ядру. Эти опыты явно свидетельствовали о малых размерах центрального ядра и указали на способ определения ядерного заряда. Резерфорд установил, что альфа-частицы приближаются к центру положительного заряда на расстояние примерно 10-¹⁴ м, а это позволило ему сделать вывод, что таков максимально возможный радиус ядра.

На основе таких предположений Бор построил свою квантовую теорию атома, успешно объяснившую дискретные спектральные линии, фотоэффект, рентгеновское излучение и периодическую систему элементов. Однако в теории Бора ядро рассматривалось как положительный точечный заряд.

Ядра большинства атомов оказались не только очень малы - на них никак не действовали такие средства возбуждения оптических явлений, как дуговой искровой разряд, пламя и т.п. Указанием на наличие некой внутренней структуры ядра явилось открытие в 1896 А.Беккерелем радиоактивности. Оказалось, что уран, а затем и радий, полоний, радон и т.п. испускают не только коротковолновое электромагнитное излучение, рентгеновское излучение и электроны (бета-лучи), но и более тяжелые частицы (альфа-лучи), а они могли исходить лишь из массивной части атома. Резерфорд использовал альфа-частицы радия в своих опытах по рассеянию, которые послужили основой формирования представлений о ядерном атоме. (В то время было известно, что альфа-частицы - это атомы гелия, лишенные своих электронов; но на вопрос - почему некоторые тяжелые атомы спонтанно испускают их, ответа еще не было, как не было и точного представления о размерах ядра.)

Открытие изотопов.

Измерения масс «каналовых лучей», проведенные Дж. Томсоном, Ф. Астоном и другими исследователями с помощью более совершенных масс-спектрометров и с большей точностью, дали ключ к строению ядра, а также атома в целом. Например, измерение отношения заряда к массе показало, что заряд ядра водорода, по-видимому, представляет собой единичный положительный заряд, численно равный заряду электрона, а масса m_p = 1837m_e, где m_e - масса электрона. Гелий мог давать ионы с двойным зарядом, но его масса в 4 раза превышала массу водорода. Таким образом, высказанная ранее В. Праутом гипотеза о том, что все атомы построены из атомов водорода, была серьезно поколеблена.

Сравнивая на своем масс-спектрографе массу атома неона с известными массами других элементов, Томсон в 1912 неожиданно обнаружил, что неону вместо одной соответствуют две параболы. Расчеты масс частиц показали, что одна из парабол отвечает частицам с массой 20, а другая - с массой 22. Это явилось первым свидетельством того, что атомы определенного химического элемента могут иметь различные массовые числа. Поскольку измеренное (среднее) массовое число оказалось равным 20,2, Томсон высказал предположение, что неон состоит из атомов двух типов, на 90% с массой 20 и на 10% с массой 22. Поскольку оба типа атомов в природе существуют в виде смеси и их нельзя разделить химическим путем, массовое число неона оказывается равным 20,2.

Наличие двух типов атомов неона наводило на мысль о том, что и другие элементы могут представлять собой смеси атомов. Последующие масс-спектрометрические измерения показали, что большинство природных элементов представляют собой смеси от двух до десяти различных сортов атомов. Атомы одного и того же элемента с различной массой называют изотопами. У некоторых элементов существует только один изотоп, что требовало теоретического объяснения, как и факт разной распространенности элементов, а также существование радиоактивности лишь у определенных веществ.

5. Cатистические и термодинамические свойства макросистем

Развитие представлений в природе тепловых явлений.

Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми. Они играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20-30°С при смене времени года меняет все вокруг нас. С наступлением весны природа преображается, леса и луга зеленеют. От температуры окружающей среды зависит возможность жизни па Земле. Люди добились относительной независимости от окружающей среды, после того как научились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величайших открытий, сделанных на заре развития человечества.[2]

Эволюция представлений о природе тепловых явлений - пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину. Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, ибо было замечено, что при соударении тел или трении их друг о друга они нагреваются.

Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.

Вновь перед наукой встал вопрос: что же такое теплота? Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них - вещественной теории тепла - теплота рассматривалась как особого рода невесомая «жидкость», способная перетекать от одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.

Приверженцы другой точки зрения полагали, что теплота - это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура.

Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках подобных представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной (от слова «корпускула» - частица). Ее придерживались Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сделал великий русский ученый М.В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории ученый объяснил процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной теории теплоты.

И все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того, как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости - теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и с ее помощью построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и доныне.

В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой «жидкости», а с увеличением его энергии. Принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энергии. Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии.

Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус (1822-1888), английский физик-теоретик Дж. Максвелл, австрийский физик Л. Больцман (1844-1906) и другие ученые.

Термодинамическое и статистическое описание свойств макросистем.

Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй - молекулярной физики.

Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул (термометр, манометр и др.). Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Такие тела называют макроскопическими. Они образуют макросистемы. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т. п. - все это примеры макросистем.

Основа термодинамического метода - определение состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. Обычно в качестве термодинамических параметров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем (объем единицы массы).

Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960 г.) в настоящее время рекомендовано применять только две температурные шкалы - термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С). Анализ показывает, что 0 К (абсолютный нуль) недостижим, хотя сколь угодно близкое приближение к нему возможно.

К концу XIX в. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов и молекул - молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Многочисленными опытами была доказана справедливость этой теории.

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода. Он основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик таких частиц (скорости, энергии, давления и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

После создания молекулярной физики термодинамика не утратила своего значения. Она помогает понять многие явления и с успехом применяется при расчетах многих важных механических устройств. Общие законы термодинамики справедливы для всех веществ независимо от их внутреннего строения. Вместе с тем при расчете различных процессов с помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоемкости тел, необходимо определять экспериментально. Статистические же методы позволяют на основе данных о строении вещества определить такие параметры. Однако количественная теория твердого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна, поэтому в ряде случаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимыми.

В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств микросистемы.

Основные положения молекулярно-кинетическик представлений.

В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три положения:

· любое тело - твердое, жидкое или газообразное - состоит из большого числа весьма малых частиц - молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);

· молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении;

· интенсивность, определяемая скоростью движения молекул, зависит от температуры вещества.

Тепловые процессы связаны со строением вещества и его внутренней структурой. Например, нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов превращает его в жидкость, а подобное нагревание металлического стержня не оказывает на него заметного влияния. Такое различное действие нагревания связано с различием во внутреннем строении данных веществ. Поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для выяснения общей картины строения вещества. И, наоборот, определенные представления о строении вещества помогают понять физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое наглядное истолкование.

Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат опытные газовые законы (Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), уравнение Клапейрона-Менделеева (уравнение состояния), основное уравнение кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения молекул и др.

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает важный вывод: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее:

где k - постоянная Больцмана; Т - температура.

Из данного уравнения следует, что при Т = 0 средняя кинетическая энергия равна нулю, т. е. при абсолютном нуле прекращается поступательное движение молекулгаза, а следовательно, его давление равно нулю. Термодинамическая температура - мера кинетической энергии поступательного движения идеального газа, а приведенная формула раскрывает молекулярно-кинетическое толкование температуры.

Первое положение молекулярно-кинетических представлений - любое тело состоит из большого числа весьма малых частиц-молекул - доказано многочисленными опытами, одновременно подтвердившими реальное существование молекул и атомов. Приведем некоторые цифры, показывающие, насколько малы размеры молекул и атомов и как много их содержится в каком-либо макроскопическом теле.

С помощью ионного микроскопа удалось показать, что диаметр атомов вольфрама составляет около 2 ангстрем (1 ангстрем равен 10-8 см). Размер молекулы водорода примерно того же порядка - примерно 2,3 ангстрема. Теперь понятно: при очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. Несложный расчет показывает, что число молекул в капле воды составляет около 3·1022. Такой маленький объект, а содержит такое колоссальное число молекул!



Заключение

Естествознание появилось более 3000 лет назад. Тогда не было разделения на физику, биологию, географию. Науками занимались философы. С развитием торговли и мореплавания началось развитие географии, а с развитием техники -развитие физики, химии.

Естествознание представляет собой весьма разветвленную область научного знания, затрагивающего широкий спектр вопросов о самых разных аспектах жизнедеятельности природы. Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Соответственно это многообразие нашло свое отражение в большом количестве концепций, посвященных практически всем природным процессам и явлениям. Внимательное их изучение показывает, что Вселенная регулярна и предсказуема; материя состоит из атомов и элементарных частиц; свойства материальных объектов зависят от того, какие атомы входят в их состав и как они там расположены; атомы состоят из кварков и лептонов; звезды рождаются и умирают, как и все остальное в мире; Вселенная возникла в далеком прошлом и с тех пор она расширяется; все живое состоит из клеток, а все организмы появились в результате естественного отбора; природные процессы на Земле происходят циклами; на ее поверхности постоянно происходят изменения и нет ничего вечного и др. В целом мир одновременно един и удивительно многообразен, он вечен и бесконечен в беспрестанном процессе взаимопревращения одних систем в другие, при этом каждая его часть относительно самостоятельна, будучи неизбежно зависимой от общих законов бытия.