Физическая картина мира. Фундаментальное строение материи

Естественнонаучная и гуманитарная культуры как два различных направления мышления. Научное познание материального мира и роль модели в данном процессе. Атомно-молекулярное строение вещества. Анализ и оценка основных характеристик элементарных частиц.

Рубрика Биология и естествознание
Вид методичка
Язык русский
Дата добавления 17.06.2018
Размер файла 92,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

43

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физическая картина мира. Фундаментальное строение материи

УДК53

Л.Г. Любутина, В.Б. Нагаев. Физическая картина мира. Фундаментальное строение материи. Методическое пособие. - М: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003.

Методическое пособие по дисциплине «Концепции современного естествознания» содержит разделы: введение в дисциплину; фундаментальное строение материи (раздел общей темы «Физическая картина мира»); вопросы по теме двух уровней сложности.

Для студентов экономического и юридического факультетов.

Пособие может быть использовано студентами всех направлений для изучения раздела «Физика элементарных частиц».

Рецензент: доцент А.И. Светличный

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Предисловие

естественнонаучный молекулярный материя

Данное пособие предназначено, в первую очередь, для студентов экономического и юридического факультетов, которым читается курс «Концепции современного естествознания». Пособие может быть также рекомендовано студентам всех специальностей для изучения раздела «Физика элементарных частиц».

Дисциплина «Концепции современного естествознания» (КСЕ) включена практически во все государственные стандарты высшего профессионального образования для гуманитарных и социально-экономических направлений. Ключевая задача курса дать представление о современной естественнонаучной картине мира, фундаментом которого является физическая картина мира (включающая классическую и квантово-релятивистскую научные картины мира, физику макросистем, эволюционно-синергетические представления о Вселенной).

В основе физической картины мира лежат современные представления о фундаментальном строении материи. Именно этой проблеме и посвящено данное методическое пособие. Во введении рассматриваются традиционные для курса КСЕ вопросы: естественнонаучный метод, гуманитарная и естественнонаучная культуры, роль моделей в процессе познания материального мира и др. При изложении современных представлений о фундаментальном строении материи мы старались осветить самые последние достижения науки, делая акцент на современное состояние проблемы. При этом предпринята попытка дифференцировать материал по степени сложности, выделяя (обычно, звездочкой (*)) разделы, требующие более глубокого изучения. В конце пособия приведены вопросы по теме, которые также разделены на два уровня. Вопросы второго уровня предназначены для студентов, готовых к более углубленному освоению материала.

В заключение хотелось бы ответить на часто задаваемый вопрос: «зачем физика и, вообще, наука гуманитариям?» Фундаментальные идеи современного естествознания представляют огромную общекультурную ценность. Однако, курс КСЕ важен не только для повышения общей культуры студента-гуманитария. В нашу сложную эпоху становления новой информационной цивилизации, делающей неизбежным процесс адаптации к новым экономическим условиям, выработка научного мировоззрения, которое базируется на естественнонаучном кругозоре, становится особенно актуальной. Фундаментальное образование, развивает ум, помогает отличать знание от домыслов и обмана и противостоять псевдонаучным представлениям, без чего невозможно принятие ответственных решений. Это относится, в первую очередь, к тем, кто собирается стать управленцами, экономистами или юристами, ведь от их компетентности зависит будущее страны и мира.

1. Две культуры - два типа мышления. Естественнонаучная и гуманитарная культуры

В современной цивилизации разделение культуры на научно-техническую и гуманитарную достигло своего крайнего выражения. В давнем споре «физиков» и «лириков» то одни, то другие оказываются «в почете» или «в загоне», но победителей в этом противостоянии нет и быть не может, т.к. настоящая культура едина. Отсутствие эстетического воспитания делает человека ущербным, но не менее важно и развитие естественнонаучного мышления, без которого нет полноценного умственного развития. Человек, не имеющий элементарных представлений об окружающем мире, вызывает такое же сожаление, как тот, кто не знаком с великим культурным наследием Древней Греции или не читал Пушкина, Шекспира, Достоевского.

Такое разделение существовало не всегда. Известно, например, что непременным условием для посвящения в ученики Пифагора было требование показать основательные знания в астрономии, геометрии и музыке. Однако дальнейшее накопление и развитие знаний шло по пути их дифференциации и специализации. В результате произошел разрыв не только между наукой и гуманитарной культурой, но и между различными областями внутри науки: специалист по твердому телу с трудом понимает ядерщика, а электрохимик органика. По образному выражению Фейнмана, «каждый молится в своей часовне на своем языке».

Справедливости ради, необходимо сказать, что ученые, как правило, являются прилично образованными людьми, разбирающимися и в поэзии, и в музыке, и в живописи. Эйнштейн прекрасно играл на скрипке, Планк был неплохим пианистом. Первые выставки запрещенных ранее у нас «абстракционистов» устраивались в институте физических проблем, а на музыкальных средах в ФИАНе выступали со своими новыми произведениями Шнитке и Губайдуллина, играли Спиваков и Башмет. И это в то время, когда среди представителей художественно-гуманитарной элиты пугающе распространено научное невежество, граничащее с презрением к науке.

Исторически сложившееся отчуждение между гуманитарным и естественнонаучным знанием в какой-то степени связано с различием в типах мышления. Научное знание есть продукт рационального мышления, в то время как в искусстве отражается образное эмоциональное восприятие мира. Поэзия дает «образ мира, в слове явленный» (Б. Пастернак), музыка - в звуке, живопись - в цвете. Образы естествознания (его модели) не всегда наглядны, но они расширяют наш мир за границы видимого.

Отметим, что существует вполне объективная (материальная) причина различного восприятия и осознания новой информации - это межполушарная асимметрия головного мозга (различные функции левого и правого полушарий). Однако бытовавшее ранее представление о том, что «левополушарное мышление» так называемых «технарей» ответственно за сухое абстрактное мышление, а «правополушарное мышление» гуманитариев обуславливает возникновение образов и эмоциональные реакции, оказалось слишком схематичным.

Было установлено, что межполушарная асимметрия мозга проявляет себя в значительно более тонких сферах, чем только рациональный и эмоциональный планы восприятия действительности и оперирование словами и образами (У. Перри, Нобелевская премия в области физиологии 1982 г.).

Правильнее говорить о двух тенденциях в психологическом восприятии окружающего мира. Правополушарная тенденция - интегрирующая, синтетическая - создает образ природы в целом, но при этом он недостаточно строг и подробен. Левополушарная тенденция - дифференцирующая, аналитическая, она позволяет получать детальную, но более прямолинейную и жестко детерминированную картину действительности. Важно, что оба полушария мозга действуют не раздельно, а как единая система, дополняя друг друга (исключения относятся к клиническим случаям, т.е. к патологии). Именно благодаря гармонии обеих тенденций, становится возможным адекватное познание окружающего мира.

Введение двух циклов: естественнонаучного цикла для гуманитарных специальностей и гуманитарного цикла в технических вузах - это первая робкая попытка сбалансировать образование. Однако устранение разрыва между наукой и гуманитарной культурой пока остается мечтой.

Эта мечта о единении и гармонии духовного мира человека нашла свое великолепное воплощение в образе «игры в бисер» в одноименном романе Германа Гессе. «В основе всякого движения духа к идеальной цели universitas litterarum (совокупность наук), всякой платоновской академии, всякого общения духовной элиты, всякой попытки сближения точных и гуманитарных наук, всякой попытки примирения между искусством и наукой или между наукой и религией лежала все та же вечная идея, которая воплотилась в игре в бисер… Игра в бисер - это игра со всем содержанием и всеми ценностями культуры, которыми Мастер Игры играет как органист на органе, охватывая весь духовный космос, все духовное содержание мира».

1.1 Научное познание материального мира и естествознание

Научное познание - центральная часть современной культуры и цивилизации. Естествознание - это совокупность наук о природе. Естественнонаучные дисциплины, в отличие от гуманитарных, занимаются изучением объектов природы и явлений, не являющихся продуктом деятельности человека или человечества. Дифференциация наук по предметам изучения возникла сравнительно недавно. В древности существовала единая наука о природе. Она называлась натуральная философия (от лат. natura - природа).

Теперешнее деление естественнонаучных знаний на отдельные дисциплины в основном соответствует различным по сложности уровням организации материи: астрономия изучает объекты космического уровня, геология - строение Земли, биология - жизнь (так называемую живую материю), химия - явления химического уровня т.д.

Физика имеет дело с самым фундаментальным уровнем организации материального мира, с самыми глубинными свойствами косной материи. «Физика является царицей среди наук не столько по своему месту и развитию, сколько по своему участию во всех естественных дисциплинах в качестве основной материи науки» (Павел Флоренский).

Естественные науки различных уровней не обособлены друг от друга. Специалисты, работающие на своем уровне, опираются на знания смежных дисциплин. Успешно развиваются такие науки, как биофизика, биохимия, астрофизика, химическая физика, физическая химия и т.д. Каждая из наук, как правило, строит свое собственное изображение природы в виде физической, химической, биологической и др. частных картин мира.

Основной принцип естествознания - знания о природе должны допускать эмпирическую проверку. Именно поэтому математика не включена в структуру естествознания.

У каждой науки есть свой собственный предмет изучения, свой метод исследования, свой язык. Но общим для всех естественных наук является научный метод, суть которого можно кратко сформулировать в виде триады:

наблюдение размышление опыт

Результаты, полученные из наблюдений (эмпирический материал), требуют тщательного анализа, систематизации и объяснения. Создается теория, которая должна не только согласовываться с известными данными, но и правильно предсказывать результаты новых экспериментов. Эксперимент - это тот вопрос, который мы задаем природе и ждем от нее ответа. При этом, по словам Эйнштейна, природа отвечает «нет» на большинство задаваемых ей вопросов и лишь изредка от нее можно услышать более обнадеживающее «может быть». Таким образом, все начинается и кончается опытом. Пробный камень всех наших знаний - это опыт. И опыт же является единственным судьей научной истины. Появление новых данных, противоречащих теории, обычно требует создания новых более совершенных теорий. Однако это не означает, что старая теория полностью отвергается.

В науке существует преемственность, которая нашла свое отражение в так называемом принципе соответствия, сформулированном Нильсом Бором: «Любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применимости, чем старая, должна включать последнюю как предельный случай». Так, релятивистская механика переходит в механику Ньютона, в пределе малых скоростей (v c) а квантовомеханическое описание физических объектов переходит в классическое при h0 (о постоянной Планка см. ниже).

1.2 Язык науки

Все науки суть описания действительности, то есть язык (une sience n'est q'une langue bien baite-фр.). Понимание языка требует знание его словарного запаса (основные понятия и определения) и основ грамматики (законы).

В качестве иллюстрации можно привести несколько примеров.

Квантовые осцилляции магнитной восприимчивости полуметаллов (тема диссертации по физике твердого тела)

Аллельные гены лежат на идентичных локусах гомологичных хромосом (из учебника по биологии)

Алкилирование бензола пропиленом (тема исследования по химии)

Динамическая стадия этногенеза - это антропогенная сукцессия в плане зоогеографии (из книги Л.Н. Гумилева «Этносфера»)

Применение синергетической парадигмы в области эпистемологии позволяет разрешить старую для гештальтпсихологии проблему спонтанного формирования порядка в когнитивных системах (из доклада на семинаре по синергетике)

Феномен синестезии трактуется как систематическое соответствие между стимулами, принадлежащими к различным сенсорным модальностям (учебник по социолингвистике)

Глокая куздра штеко бодлонула бокра и куздрачит куздрёнка (знаменитый лингвистический пример К. Щербы)

Sciencia est potencia. /Crede experto. /Super omnia veritas. / Scio me nihil scire (из словаря латинских выражений)

Тому, кто не знаком с конкретными дисциплинами, смысл высказываний №№16 понятен не более чем латинские выражения №8 (Знания - сила. /Верь опытному. /Правда, прежде всего. /Я знаю, что ничего не знаю).

Математика как универсальный язык природы

Как любая наука, математика - это язык, но не просто другой язык, а язык плюс рассуждения, то есть язык и логика вместе. Математика - орудие размышления, определяющая саму структуру размышления (но не его смысл).

Опыт развития современного естествознания показывает, что на определенном этапе неизбежно происходит математизация естественнонаучных дисциплин, что приводит к и их дальнейшему ускоренному развитию. Еще Кант писал, что «во всяком учении о природе подлинной науки заключается ровно столько, сколько имеется в ней математики».

«Книга Природы написана языком математики» (Галилей). Величайшим открытием было осознание того, что законы Природы можно записать с помощью математического кода. Разгадав код, соответствующий той или иной физической системе, можно читать Природу как раскрытую книгу. «Великий Архитектор, по-видимому, был математиком… И если вы хотите узнать Природу, оценить ее красоту, то нужно понимать язык, на котором она разговаривает» (Р. Фейнман).

К великому сожалению, поэзия математики и музыка Природы скрыты от большинства людей.

Законы природы, по Пуанкаре, - наилучшее выражение гармонии мира. Согласно утверждению ряда методологов науки, в явлениях природы есть формы и ритмы, недоступные глазу созерцателя, но открытые глазу аналитика. Эти формы и ритмы мы называем физическими законами. Законы природы - это любой вид организованности идеальных прообразов вещей. Можно выделить три вида организованности: 1) числовые соотношения; 2) ритмика первого порядка (наиболее полно представляемая математической теорией групп); 3) самый сложный вид высшей организованности - ритмика второго порядка, выражаемая «словом». Два первых вида организованности наполняет Вселенную мерой и гармонией, третий - смыслом.

Любопытно отметить, что в знаменитой библейской фразе «Вначале было слово» (Евангелие от Иоанна) в первоисточнике употребляется не «слово», а «». перевод которого с древнегреческого включает три базовых группы значений: 1) слово (сказанное), договор; 2) число, соотношение, соразмерность; 3) разум, причина, смысл, понятие.

1.3 Роль моделей в процессе познания материального мира

Человеку как существу мыслящему, которое наделено сознанием, изначально присуще стремление познать окружающий его мир. Всякий процесс познания сопровождается созданием мысленного образа воспринимаемого объекта, информация о котором может поступать как непосредственно через наши органы чувств, так и целенаправленно посредством специальных измерительных приборов в процессе эксперимента (естестественнонаучное познание). Во всех случаях, человеческий мозг стремится найти такую форму отражения, чтобы быть в состоянии переработать и использовать поступающую информацию. Естественнонаучный и гуманитарный типы мышления отличаются, прежде всего, способами моделирования действительности (моделирование - это мысленное построение моделей). Если в естественнонаучном мышлении доминирует рациональное интеллектуальное начало, то эмоциональный способ восприятия действительности более близок к интуитивному мышлению. В противоположность художественному моделированию, которое всегда отражает авторское (субъективное) видение мира, научные модели имеют объективное содержание. «Модель в естествознании как идеальный образ является теоретической конструкцией, с помощью которой воссоздаются и интерпретируются объекты и процессы природы» (А.Д. Суханов, О.Н. Голубева «Концепции современного естествознания»).

Окружающий нас мир представляется нам огромным и сложным. Практически все реально наблюдаемые явления содержат такое множество разнообразных процессов, что их исчерпывающее описание оказывается технически невозможным. На практике исследуемая система сознательно упрощается путем ее замены моделью, учитывающей только самые важные ее свойства, которые играют определяющую роль для решения конкретной задачи.

В природе не существует материальных точек, но когда мы рассматриваем траекторию движения Земли вокруг Солнца или электрона в магнитном поле, то и огромная Земля со всем сущим в ее недрах и на ее поверхности, и практически точечный электрон ведут себя одинаково, а именно как материальные точки.

Модель материальной точки, как и другие модели, являются абстракциями, которые никогда не отражают полностью всех свойств реального объекта. Но это и не обязательно, если те свойства реального объекта, которыми мы пренебрегаем, несущественны в условиях данной задачи. По словам Ландау, главное в физике (как и в других точных науках) - это умение пренебрегать. Приступая к изучению тех или иных явлений, мы не знаем достоверно, какие свойства реальных тел играют определяющую роль в данном случае, поэтому выбор адекватной модели это и наука, и искусство одновременно. Физика и здесь выступает как образец науки моделирования. При изучении различных разделов физики мы будем всегда четко определять, какие модели лежат в их основе и какова область их применимости.

История наук о природе это во многом история от простых моделей к все более сложным и обобщенным. При этом более простые модели не отбрасываются полностью, а сохраняют свою ценность в области их применимости. Весь банк используемых моделей можно разделить на фундаментальные, которые имеют практически всеобщую сферу применения, и частные, справедливые для определенных специфических ситуаций. Главную ценность для современного естествознания представляют фундаментальные модели, которые черпаются в основном из таких наук, как физика и биология.

Модели материи в классической физике: модель частицы (корпускулы) и модель сплошной среды (континуума). Основным критерием применимости модели частицы (материальная точка) является возможность в данных условиях пренебречь внутренней структурой объекта. Только в этом случае частица может быть адекватной моделью объекта.

Модель свободной частицы (модель изолированной системы частиц) предполагает, что мы идеализировали ситуацию, считая, что частица как бы вынута из окружения. Влияние окружения на частицу описывается в терминах воздействия (модель силового воздействия в механике). Понятие взаимодействия учитывает взаимное влияние объекта и окружения (их равноправие)

Модели в химии: стехиометрическая (использование химических формул и уравнений), атомно-молекулярная (описание реакций как внутри- и межмолекулярных перегруппировок атомов), геометрическая (язык структурных формул и геометрических молекулярных параметров), электронная (выводит реакционную способность веществ из электронного строения молекул). Эти модели для химии служат как бы разными ступенями целостной фундаментальной модели вещества и его превращений (реакции).

Модели классической биологии: модель клетки играет такую же роль, как атом в физике. Главными структурными уровнями в биологии признаются: молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-биоценотический и биосферный.

2. Фундаментальное строение материи

Бог суров, но не злонамерен. Но поскольку учение наше непосвященным

Эйнштейн (о познаваемости Природы) Всегда представляется слишком суровым,

То хотел я представить это ученье

Тебе в сладкозвучных стихах пиэрийских,

Как бы приправив поэзии сладостным медом.

Может быть, этим путем я сумею твой ум

И вниманье к нашим стихам приковать

До тех пор, пока ты не познаешь

Всей природы вещей и законов ее построения.

Лукреций «О природе вещей»

2.1 Пространственная и временная шкалы в природе

Всякий физический процесс, любое явление протекает в пространстве и времени. Пространство и время являются той своеобразной «ареной», на которой разыгрываются события. Понятие события является наиболее общим понятием в физике.

Событие (x, y, z, t) полностью определяется местом (три пространственные координаты) и временем. Любой физический закон содержит явно или неявно пространственно-временные отношения.

Если в качестве исходных численных характеристик, определяющих расстояния между объектами - l и длительность процессов - t, выбрать соответственно секунду и метр (удар сердца и рост ребенка - антропный подход), то пространственный диапазон в нашей Вселенной будет:

l = (10-15  1026) м

Здесь в качестве lmin= 10-15 м взят характерный размер элементарной частицы (протона). Успехи современной физики высоких энергий уже сейчас позволили проникнуть на значительно меньшие расстояния порядка 10-18 м. Максимальное расстояние lmax=1026 м - это размеры наблюдаемой части Вселенной.

Временной диапазон в нашей Вселенной составляет:

t = (10-24  1018) с

В качестве минимального временного интервала взят интервал tmin=lmin/с = 10-24 с время прохождения светом минимально возможного расстояния (см. сноску2). Максимальным промежутком времени, о котором имеет смысл говорить в нашем мире, по-видимому, является возраст Вселенной, отсчитываемый от момента Большого взрыва (Big Bang), который оценивается приблизительно (14  15) млд. лет или tmax1018 c.

Чтобы получить наглядное представление о различных временных интервалах в «жизни» нашей Вселенной и Земли, сократим временной масштаб, приняв время существования Вселенной за 1 год (одной секунде при этом соответствует 500 лет). Тогда основные вехи в истории нашего мира будут выглядеть следующим образом:

Большой взрыв (Big Bang) 1 января 00 часов 00 минут 00 сек

Образование галактик 10 января

Образование Солнечной системы 9 сентября

Образование Земли 14 сентября

Возникновение жизни на Земле 25 сентября

Океанический планктон 18 декабря

Первые рыбы 19 декабря

Первые динозавры 24 декабря

Первые птицы и млекопитающие 26-27 декабря

Первые приматы 29 декабря

Первые гоминиды 30 декабря

Первые люди Homo sapience 31 декабря 22 часа 30 мин.

В этом временном масштабе сельским хозяйством человечество занимается не более полминуты, а век научно-технического прогресса длится считанные доли секунды. И именно за эти ничтожные в масштабах Вселенной мгновения, так называемый «Homo sapience (Человек разумный)», умудрился поставить под угрозу уничтожения само существование жизни на Земле.

2.2 Иерархия объектов в природе

В окружающем нас мире можно установить следующую иерархию (масштабную) объектов:

элементарные частицы ядра атомы молекулы макротела (кристаллы, жидкости, газы) планеты

звезды галактики Метагалактика (Вселенная)

Микромир

элементарные частицы ядра атомы молекулы

образуют то, что принято называть микромиром. Характерные размеры объектов микромира:

10-10 м - размер атомов

10-15 м - размер ядра атома водорода

10-7 м - размер крупных органических молекул

Размер вирусов немногим более - 10-6 м.

К мегамиру относятся:

звезды галактики Метагалактика

Остальные объекты (от мельчайших пылинок до планет) обычно относят к макротелам.

2.3 Разделы физики

Понятие энергии, пожалуй, самое фундаментальное, самое важное понятие, причем не только в физике. Первоначально понятие энергии выглядело в физике абстрактной идеей, популярность оно приобрело благодаря закону сохранения, согласно которому энергия не возникает из ничего и не уничтожается. В итоге, умозрительное, абстрактное понятие энергии стало настолько привычным, так прочно вошло в наш обыденный лексикон, что мы приписываем ему как бы реальное существование.

Любой объект обладает энергией уже потому, что он существует. Две самые главные (и самые простые) формулы в науке определяют энергию двух типов объектов нашего материального мира (обладающих массой и безмассовых):

Первая формула знаменитая формула Эйнштейна для энергии покоя частиц, обладающих массой, которая фактически позволяет рассматривать вещество как «запертую энергию»:

E0 = mc2

Другая, не менее известная, формула Планка, которая определяет энергию кванта света, или фотона (безмассовой частицы, движущейся со скоростью света):

E = h,

где - частота света (связанная с длиной волны известной зависимостью  = с/).

В эти формулы входят две самые главные константы нашей Вселенной: c - скорость света и h - постоянная Планка.

c = 3 108 м/с, или скорость света, является предельной скоростью движения любых материальных объектов, которая определяет максимальную для нашего мира скорость распространения взаимодействий и передачи информации.

При малых скоростях движения макротел тел (v c) действуют законы ньютоновской механики, при скоростях, соизмеримых со скоростью света законы релятивистской механики (теория относительности Эйнштейна).

h = 6.6  10-34 Джс (вместо h часто используется ) постоянная Планка, или минимальный квант действия. Физический смысл постоянной Планка становится понятен из ее размерности (энергия, умноженная на время). Действительно, степень любого воздействия на тело определяется величиной энергии, передаваемой телу, и длительностью воздействия. Любое воздействие, происходящее в природе, можно охарактеризовать целым числом квантов действия, так что постоянная Планка играет роль минимальной «порции» или своеобразного «атома» воздействия.

Получение информации об изучаемом объекте (то, что мы называем наблюдением или измерением) неизбежно сопровождается каким-то возмущением, вносимым в наблюдаемый объект прибором. Если величиной этого возмущения можно пренебречь, то объект классический. Если величиной возмущения пренебречь нельзя, то мы имеем дело с квантовым объектом. Существует предельная величина возмущения, связанная с существованием кванта действия. Ясно, что к такого рода воздействиям чувствительны микрообъекты, и поэтому физика микромира - это квантовая физика (во всех формулах, описывающих явления микромира, присутствует постоянная Планка h).

2.4 Квантовая лестница природы (лестница Вайскопфа)

Молекулы - атомы - ядра - элементарные частицы образуют своеобразную структурную иерархию объектов микромира. Для каждого структурного уровня существует свой порог энергии: при энергиях ниже этого порога все объекты данного уровня неделимы, и их можно считать бесструктурными, в то время как при энергии, превышающей пороговую, они обнаруживают внутреннюю структуру и, в принципе, могут быть разделены на составляющие их элементы.

Атомные пороги энергии имеют значения порядка нескольких электронвольт, ядерные пороги несколько миллионов электронвольт, (или мэгаэлектонвольт). Это дает две ступени квантовой лестницы: атомную и ядерную.

Молекулярная ступенька отвечает энергиям на порядок меньшим, чем атомный уровень. Вся наша практика в повседневной жизни занимает место в нижней части лестницы в пределах атомного и молекулярного уровней. Все живое состоит из макромолекул. Чем ниже мы спускаемся по квантовой лестнице, тем более яркой становится специфичность структур:

ядро атом молекула макромолекула жизнь.

Квантовая лестница природы

Рис. 1. Квантовая лестница (лестница Вайскопфа)

Самая высокая ступенька квантовой лестницы Природы отвечает энергиям, при которых обнаруживается внутренняя структура протонов и нейтронов. Это мир субъядерных явлений, которые стали нам доступны благодаря новейшим гигантским ускорителям, позволяющим получать энергии выше сотен гигаэлектролнвольт (1ГэВ=109 эВ).

Для того чтобы перейти к температурной шкале, нужно воспользоваться формулой: Е = кТ, где к=1.3610-23Дж/К постоянная Больцмана.

Квантовая лестница позволяет шаг за шагом раскрыть строение окружающего нас мира. Находясь на атомной ступени, мы можем не интересоваться внутренней структурой ядер. Когда мы изучаем поведение газов при нормальных температурах и давлениях, нам не нужно учитывать подробности внутреннего строения атомов, из которых состоит газ. Более тонкая структура вещества не участвует в энергообмене до тех пор, пока средняя энергия не достигнет соответствующей ступеньки квантовой лестницы.

Расстояния между ступеньками квантовой лестницы не произвольны: чем меньше пространственные размеры системы, тем больше отвечающая ей квантовая энергия. Чтобы изменить квантовое состояние большой молекулы, требуется очень малая энергия. Значительно большая энергия нужна для изменения квантового состояния атома и в тысячу раз большая энергия требуется, чтобы произвести изменения внутри атомного ядра. Таким образом, мы имеем характерную последовательность условий, которую и называют квантовой лестницей.

Каждой ступени квантовой лестницы отвечает своя система энергетических уровней, переходам между которыми соответствует свои линейчатые спектры собственных характеристических частот, свойственных этим уровням. Таким образом, можно выделить: молекулярные, атомные и ядерные спектры.

К молекулярным спектрам относятся, например, спектры белковых молекул с характерным миллиметровым диапазоном длин волн и частотами в интервале 1010 1011 (Гц).

Электромагнитное излучение, которое воспринимается нашим глазом как видимый свет, относится к атомным спектрам. Оптический диапазон длин волн, включающий все цвета радуги, от фиолетового до красного включительно, составляет 0.40.75 (мкм); соответствующий частотный диапазон - 1014 1015 (Гц)

Ядерные спектры связаны с излучением - квантов, длины волн которых меньше долей ангстрема (1=10-10 м), а частоты более 1018Гц.

У каждого элемента, атома, молекулы свой неповторимый строго определенный набор линий, что позволяет рассматривать их спектры в качестве своеобразных «отпечатков пальцев» или визитных карточек, определяющих природу частиц.

2.5 Атомно-молекулярное строение вещества

Как все устроено в нашем мире? Из чего все состоит? Какова природа вещей? Вот те фундаментальные проблемы, которые во все времена волновали людей мыслящих. При этом главными вопросами всегда были следующие:

Что служит основными «кирпичиками», из которых все построено? То есть что является самыми элементарными частицами материи?

Что заставляет эти элементарные частицы образовывать связанные состояния? То есть, какова природа сил взаимодействия между ними?

Именно на эти вопросы пытались ответить ученые, начиная с древних времен. В качестве первоосновы всего сущего (имеется в виду материальная основа) сначала выступали: огонь, вода, воздух или земля, а, начиная с Левкиппа и Демокрита, такими простейшими элементами стали считать атомы (атом - неделимый др. греч.).

Если бы в результате мировой катастрофы все накопленные человечеством научные знания были уничтожены, и к грядущим поколениям могла бы перейти только одна единственная фраза, то, какое утверждение принесло бы наибольшую информацию и позволило бы восстановить утерянное самым эффективным образом? Бесспорную пальму первенства получила бы именно атомная (или атомно-молекулярная) гипотеза, которая лежит в основе так называемой молекулярно-кинетической теории (МКТ): все тела состоят из мельчайших частиц - атомов (или молекул), которые находятся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении.

Одним из первых экспериментальных доказательств того, что вещество не является непрерывным, но состоит из атомов, явилось открытие броуновского движения с типичной энергией частиц 3·10-2 эВ. При распространении наблюдений на области все меньших размеров и больших энергий обнаруживаются новые «слои» в структуре вещества.

Рассмотрим, как МКТ объясняет то, что вещество может существовать в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном (хорошо известный пример: вода, лед, водяной пар). Определяющим является соотношение между интенсивностью хаотического движения и степенью упорядоченности, обусловленной взаимодействием между атомами (молекулами) вещества. Мерой интенсивности хаотического движения атомов или молекул может служить их кинетическая энергия Ek, в то время как потенциальная энергия взаимодействия между молекулами (атомами) Ep определяет возможный порядок в их пространственном расположении.

Итак, мы имеем:

твердое тело при Ek Ep

газ при Ek Ep

жидкость при Ek Ep

В первом случае преобладает порядок, во втором беспорядок, в случае жидкости мы имеем самую сложную ситуацию, когда оба вклада соизмеримы. Обычно считают, что в жидкости имеется некая упорядоченность в ближайшем окружении молекул (так называемый ближний порядок), при отсутствии дальнего порядка.

Главное, что необходимо иметь в виду при использовании МКТ, обоснование возможности рассматривать атомы и молекулы в качестве неделимых частиц, лишенных внутренней структуры. Как мы уже знаем, это предполагает, что мы имеем дело с энергиями ниже атомного (молекулярного) порога энергий, то есть, находимся ниже атомной и молекулярной ступенек квантовой лестницы.

2.6 Строение атома

При энергиях, соответствующих атомной ступеньке квантовой лестницы (энергии порядка нескольких электронвольт), атомы уже нельзя считать элементарными, начинает проявляться их внутреннее строение.

Впервые внутренняя структура атома была исследована в знаменитых опытах Резерфорда по рассеянию альфа частиц (ядра гелия) на тонких металлических пластинках. Оказалось, что большинство частиц проходят через слой металла, практически не отклоняясь от первоначального направления, и лишь одна из приблизительно 20000 частиц испытывает отклонения на большие углы. На основе тщательного анализа полученных экспериментальных данных была предложена так называемая ядерная модель атома (модель атома Резерфорда).

Согласно модели атома Резерфорда, в центре атома находится массивное ядро с размерами порядка 10-1510-14 (м), вокруг которого вращаются практически точечные электроны. Чтобы наглядно сопоставить размер ядра с размером атома (10 -10 м), представим, что мы хотим сделать макет атома водорода, увеличив размеры ядра до размера яблока. Если электрон взять такого же размера (на самом деле электрон практически точечный), то нашему макету потребуется столько же места, сколько большому городу. В таком атоме в основном царит пустота. Теперь становятся понятными результаты опыта Резерфорда: частицы пролетают через тонкие пластинки металла, как через дырявый забор, лишь изредка испытывая сильные отклонения при встрече с тяжелыми ядрами.

2.7 Строение атомного ядра

В свою очередь было найдено, что атомные ядра состоят из нуклонов (общее название для протонов и нейтронов), которые удерживаются вместе ядерными силами с энергией связи порядка 106 эВ (МэВ).

Обычно для обозначения атомных ядер различных элементов используют следующий символ: ZXA. Здесь X - обозначение элемента, Z - зарядовое число (порядковый, или атомный номер элемента в периодической таблице Менделеева), A - массовое число (округленное до целого значение атомного веса). Например, для ядра гелия имеем 2He4, для ядра кислорода - 8О16, для свинца - 82Pb207 и т.д.

Протон (ядро атома водорода 1H1) имеет положительный заряд, равный элементарному (элементарный заряд численно равен заряду электрона e=1.6·10-19Кл), нейтрон не имеет электрического заряда. Массовые числа протона и нейтрона одинаковы (А=1). Соответственно обозначения протона и нейтрона - 1p1 и 0n1.

Таким образом, число протонов в ядре равно его зарядовому числу Z=Np, а массовое число равно числу нуклонов A= Np+Nn.

Нуклоны на три порядка тяжелее электрона (mp1836me), притом, что нейтрон несколько тяжелее протона (mn mp2.5me).

Если сравнить массу свободных нуклонов с массой ядра, составленного из этих нуклонов, то окажется, что они различны: масса ядра всегда меньше массы нуклонов. Разница в суммарной массе всех нуклонов, составляющих ядро, и массой ядра носит название дефект масс ядра:

m = [mpZ + mn(A-Z)] - mя

С дефектом масс связана так называемая энергия связи ядра минимальная энергия, необходимая для того, чтобы «развалить» ядро на составляющие его нуклоны:

Eсв.= c2m

Энергия связи, отнесенная к одному нуклону, называется удельной энергией связи.

На рис. 2 изображен график зависимости удельной энергии связи от массового числа А. Увеличение энергии связи с ростом А для легких ядер и ее уменьшение для тяжелых элементов делает энергетически выгодным два процесса: 1) деление тяжелых ядер и 2) слияние (синтез) легких ядер.

Рис. 2. Зависимость удельной энергии связи от массового числа

Именно ядерный синтез, связанный с превращением водорода в гелий, является тем источником энергии, которая обуславливает свечение звезд, в том числе и нашего Солнца.

2.8 Нейтрино. Частицы и античастицы

Итак, претендентами на элементарные «кирпичики», из которых построено все вещество, теперь выступают протоны и нейтроны (образующие ядра) и электроны. Электрон и протон являются стабильными частицами, в то время как нейтрон в свободном состоянии нестабилен (его среднее время жизни порядка 15 минут). При этом, так как масса протона меньше массы нейтрона, энергетически выгодно превращение нейтрона в протон. Принцип «экономии энергии» (стремление системы к состоянию с минимальной энергией) является универсальным принципом, действующим в нашем материальном мире. Превращение нейтрона в протон происходит по схеме:

Этот процесс может происходить внутри ядра, тогда его называют - - распад. Обратный процесс, требующий затрат энергии, связан с превращением протона в нейтрон (так называемый + - распад). Схема + - распада:

Частица, аналогичная электрону, но с противоположным по знаку электрическим зарядом, получила название позитрон (+1e0).

Помимо электрона (или позитрона) в распадах участвует еще одна элементарная частица, получившая название нейтрино 00 (частица, появляющаяся вместе с позитроном) и антинейтрино (частица, сопровождающая - распад).

Нейтрино безмассовые, нейтральные частицы с колоссальной проникающей способностью. Нейтрино настолько «бестелесны», что легко пронизывают толщу Земли и способны пройти слой свинца толщиной в несколько световых лет. Между тем, нейтрино, наряду с фотонами, самые распространенные частицы в нашем мире. Если все вещество, включая все галактики и межгалактическую пыль, равномерно размешать по всему объему Вселенной, то на каждый кубический метр пространства придется по одному протону и одному электрону. Фотонов же и нейтрино в миллиарды раз больше: в каждом кубическом сантиметре около 500 частиц.

Существование электрона и позитрона наводит на мысль, что и другие элементарные частицы могут иметь своих «двойников». Действительно, практически у каждой частицы есть своя античастица, масса которой строго равна массе частицы, а знак заряда противоположен. Существует и достаточно редкий тип истинно нейтральных частиц, у которых нет двойников. К ним относится, в частности, фотон и, возможно, нейтрино (см. сноску 7). В принципе, могут существовать антиатом, ядро которого состоит из антипротонов и антинейтронов, а электроны заменены антиэлектронами (позитронами), антимолекула и, наконец, антивещество, свойства которого ничем не будут отличаться от свойств обычного вещества.

Важнейшее свойство частиц и античастиц это их способность к аннигиляции. Аннигиляция пары частица - античастица (от лат. annihilatio - уничтожение, исчезновение) один из видов взаимопревращения элементарных частиц, сопровождающееся выделением энергии, например, превращение электрона и позитрона при их столкновении в фотоны (электромагнитное излучение):

-1e0 + +1e0 2

Возможен и обратный эффект - образование электрон-позитронной пары при столкновении двух фотонов. Понятно, что энергия фотонов должна быть не меньше удвоенной энергии покоя электрона E > 2mec2 (немного более 1МэВ).

Наш мир состоит из вещества. На Земле, в Солнечной системе и в непосредственно окружающем Солнечную систему космическом пространстве отсутствует сколько-нибудь заметное количество антивещества, так как из-за реакций аннигиляции тесное сосуществование частиц и античастиц невозможно. Те немногие античастицы, которые удается произвести в лабораторных условиях, рано или поздно гибнут. Длительное существование стабильных античастиц (например, антипротонов или позитронов) возможно только при низкой плотности вещества в специальных накопителях заряженных частиц или в космическом пространстве. Вопросы о том, почему наш мир состоит из вещества, когда и почему возникла асимметрия нашей Вселенной, имеют принципиальное значение и продолжают привлекать внимание физиков-теоретиков.

2.9 Проблема элементарных частиц

На различных этапах продвижения «в глубь» вещества элементарными (бесструктурными) назывались различные частицы. В поисках основных «кирпичиков» мироздания человек первоначально установил, что все соединения состоят из «элементарных» молекул. Затем оказалось, что молекулы построены из «элементарных» атомов. Спустя столетия было обнаружено, что «элементарные» атомы построены из «элементарных» ядер и вращающихся вокруг них по орбитам электронов. Наконец, было открыто, что сами ядра построены из протонов и нейтронов, которые еще сравнительно недавно считались элементарными частицами, не обладающими внутренней структурой. После открытия в 1932 г. нейтрона казалось, что установлены основные строительные блоки, из которых построено обычное вещество, это протоны, нейтроны, электроны и фотоны.

Но, начиная с 1933 года, число обнаруженных элементарных частиц стремительно растет. Когда их число перевалило за сотню, стало ясно, что такое огромное количество частиц не может выступать в качестве элементарных слагающих материи.

Вновь открытые элементарные частицы пытались классифицировать, в первую очередь, по массе. Так, появилось деление элементарных частиц на лептоны (легкие) и барионы (тяжелые). Известные нам электрон, позитрон и нейтрино относятся к лептонам, а протон и нейтрон к барионам. Существует еще одна группа элементарных частиц - мезоны (промежуточные).

Барионы и мезоны как частицы, участвующие в так называемом сильном взаимодействии (см. дальше) часто объединяют в группу адронов.

Проблема элементарных частиц, число которых перевалило за три с половиной сотни, долгое время казалась неразрешимой. Прорыв произошел, когда в 60-е годы была предложена кварковая модель, в основе которой лежала гипотеза о существовании новых истинно элементарных частиц, которые были названы кварками. В рамках кварковой модели все барионы рассматриваются как комбинации трех кварков, а мезоны - комбинации кварка и антикварка.

2.10 Основные характеристики элементарных частиц

Главные характеристики элементарных частиц:

Масса - m

Время жизни -

Электрический заряд - q

Барионное и лептонное числа (заряды) - B, L

Спин - s

Важнейшей характеристикой субатомных частиц служит масса, определяющая энергию покоя частицы. Среди частиц с нулевой массой наиболее известны фотоны. Масса нейтрино, возможно, также равна нулю. Электрон - самая легкая из стабильных частиц с ненулевой массой (me=0.911·10-30кг). Протон обладает минимальной массой среди барионов (mp=1.672·10-27кг). Масса нейтрона несколько больше массы протона:

mn mp 2.5me.

Время жизни. Электрон и протон - стабильные частицы. Время жизни свободного нейтрона порядка 900 секунд. Большинство элементарных частиц в высшей степени нестабильны, их времена жизни колеблются в пределах от нескольких микросекунд до 10-23с. Итак, стабильными в нашем мире можно считать только электроны, протоны, фотоны и нейтрино.

Электрический заряд. Электрические заряды всех изученных элементарных частиц (кроме кварков) являются целыми кратными величины e=1.6·10-19 Кл (e  элементарный заряд, численно равный заряду электрона, или протона). В нашем мире действует универсальный закон сохранения электрического заряда: суммарный электрический заряд изолированной системы сохраняется.

Кроме закона сохранения электрического заряда, в микромире большую роль играют законы сохранения барионного и лептонного зарядов, которые (наряду с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса) определяют возможные превращения элементарных частиц.

Барионное (B) и лептонное (L) числа (заряды) характеризуют принадлежность частицы к классу барионов или лептонов. У барионов нет лептонного заряда (L=0), для частиц-барионов B = 1, для античастиц B = -1. У лептонов отсутствует барионный заряд, а их лептонный заряд равен L = 1 - для частиц (электрон, нейтрино) и соответственно L = -1 - для античастиц (позитрон, антинейтрино). Строго говоря, L=Le+L+L, где Le, L, L - лептонные числа, связанные с различными видами лептонов.

Основное свойство элементарных частиц - это их способность к взаимопревращениям, которые протекают только при условии, что сохраняются все виды рассмотренных выше зарядов: электрический, барионный, лептонный (плюс законы сохранения энергии, импульса и момента импульса).

Спин (s) - особая внутренняя характеристика элементарных частиц, связанная с их собственным (спиновым) моментом, который измеряется в единицах h.

Существуют две разновидности частиц: частицы с полуцелым спином, которые называют фермионами, и частицы с целочисленным спином, называемые бозонами. Спин нуклонов, электрона, нейтрино равен s =Ѕ, спин фотона равен s =1.

Все частицы с полуцелым спином подчиняются принципу запрета Паули, согласно которому две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии. Бозоны, наоборот, все стремятся попасть в одно и то же состояние. Таким образом, фермионы выступают как «сугубые индивидуалисты», в то время как бозоны являются самыми настоящими «коллективистами».

Подчеркнем еще раз, что причина принципиального различия в поведении бозонов и фермионов связана с новым квантовым числом - спином.

2.11 Фундаментальные фермионы - лептоны и кварки

Со времен Аристотеля и по сей день, сохранился такой подход к строению Вселенной, когда все делится на вещество и силы. В настоящее время истинно элементарными частицами, из которых построено все вещество в нашем мире, считаются лептоны и кварки, спин которых равен Ѕ. Таким образом, элементарными «строительными блоками» являются так называемые фундаментальные фермионы: кварки и лептоны.


Подобные документы

  • Всестороннее изучение и анализ микро-, макро- и мегамиров. Изучение материального мира. Представление об иерархичности физических явлений в настоящее время. Становление теории атомно-молекулярного строения мира. Научное познание мира "вглубь" и "вширь".

    реферат [53,3 K], добавлен 26.07.2010

  • Научные картины мира и научные революции в истории естествознания. Изучение физической картины мира в ее развитии. Явления электричества и магнетизма. Квантово-релятивистская физическая картина мира, законы электродинамики. Общая теория относительности.

    реферат [30,1 K], добавлен 11.02.2011

  • Объект и предмет изучения естествознания как научного направления. Три основных уровня организации материи, подходы в познании. Естественнонаучная и гуманитарная культуры, их соотношение. Роль субъективного фактора в социально-гуманитарном познании.

    контрольная работа [35,4 K], добавлен 09.04.2015

  • Естественнонаучная картина мира как целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания. Эволюция естественнонаучной картины мира в истории человечества. Предпосылки, влияющие на развитие новых научных представлений.

    реферат [21,5 K], добавлен 17.04.2011

  • Цель и предмет курса "Концепции современного естествознания", основные термины и понятия. Специфические черты науки, виды культуры. История становления научных знаний. Естественнонаучная картина мира. Внутреннее строение Земли. Законы химии и биологии.

    шпаргалка [136,9 K], добавлен 12.02.2011

  • Современная научная картина мира. Фундаментальные воздействия и фундаментальные законы в материальном мире. Геофизическое строение и эволюция Земли. Уникальность планеты Земля в ряду других планет Солнечной системы. Концепция устойчивого развития.

    контрольная работа [23,4 K], добавлен 10.06.2015

  • Естествознание в Европе и в России. Механическая картина мира (классическая и универсальная). Электромагнитная картина мира. Развитие теории электромагнитного поля Д. Максвелла. Квантово-полевая картина мира. Дифференцированное изучение природы.

    контрольная работа [23,8 K], добавлен 16.06.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.