Концепция естествознания

протонов, нейтронов, атомов, и т.д.) является то, что им присущи как

волновые так и корпускулярные свойства, те проявление дуализма. Вследствие

этого невозможно применение понятий и принципов классической физики.

Попытки описать и объяснить объекты микромира привели к появлению квантовой

механики, т.к. классическая физика не в силах была объяснить дуализм волны

и частицы. Кроме того особенностью микромира является то, что при

экспериментах неизбежно макроприборы и инструменты исследователей влияют на

микрообъекты. Подобное воздействие не учитывается в классической физике.

Принципиальное отличие описания законов микромира заключается в

вероятностном характере этих описаний. Это означает, что нельзя точно

предсказать место нахождения, например, электрона. Можно оценить лишь его

шансы попадания в определенную точку. Поэтому применяются методы и понятия

теории вероятности. В квантовой механике любое состояние описывается с

помощью «волновой функции» ((), но в отличие от классической физики эта

функция определяет параметры будущего состояния не достоверно, а с

определенной степенью вероятности. Например, говорят о вероятностном

распределении значений, а не о конкретных значениях. Значение волновой

функции становиться ясным из утверждения: вероятность нахождения электрона

в определенном месте равно квадрату модуля волновой функции. В основе

квантовой механики лежит принцип неопределенности.

Суть принципа неопределенности заключается в следующем: если мы

стремимся определить одну из сопряженных величин, например, координату x,

то значение другой величины, нельзя определить с такой же точностью.

Принцип неопределенности выражается формулой (x (p =h, где произведение

приращения координаты и приращение импульса равно постоянной Планка. Или

словами: невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и

импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не должно превышать

постоянную Планка.

В силу кажущейся противоречивости корпускулярных и волновых свойств

датский физик Нильс Бор выдвинул принцип дополнительности для квантово-

механического описания микрообъектов, согласно которому корпускулярная

картина такого описания должна быть дополнена волновым альтернативным

описанием. Опираясь на этот принцип возможно понять и объяснить многие

явления, например дифракцию электрона на никелевом кристалле.

Принцип суперпозиций заключается в следующем: в каждой точке результат

от действия нескольких источников (например, волн) в любой момент равен

сумме результатов действий каждого источника в отдельности.

9. Виды взаимодействий. Вещество и поле. Виртуальные частицы

Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном

строении материи, т.е. материя состоит из мельчайших частиц, которые на

определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими

частицами считались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки.

Между элементарными частицами существуют взаимодействия. По

интенсивности это взаимодействие подразделяется на сильное,

электромагнитное, слабое и гравитационное.

1. Сильное взаимодействие наиболее интенсивно и обуславливает связь между

протонами и нейтронами в атомных ядрах.

2. Электромагнитное взаимодействие менее интенсивное и определяет связь

между электронами и ядрами в атоме, и между атомами в молекуле.

3. Слабое взаимодействие наименее интенсивно, оно вызывает медленно

протекающие процессы с элементарными частицами, например, распад

квазичастиц.

4. Гравитационное взаимодействие происходит на чрезвычайно коротких

расстояниях и определяется малыми массами частиц, что дает малый эффект,

который возрастает с увеличением массы.

В квантовой механике каждой частице вещества соответствует волна, т.е.

каждой частице можно сопоставить свое поле. А если этих частиц много,

например, электронов с одинаковыми энергиями и импульсами, то и волны

одинаковы. И это значит, что эта среда является полем. Это поле можно

описать математически с помощью функции координат и времени. Например фотон

описывается электрическим полем Е(x, y, z, t) и магнитным полем H(x, y, z,

t). Фотон — это квант электромагнитного поля, а электрон и позитрон —

электрон-позитронного поля. Эти поля переменные, но существуют и постоянные

(статические) электрические и магнитные поля, например магнитное поле

Земли. Но все это разные формы проявления электромагнитного поля. Кроме

того в природе существует гравитационное поле, создаваемое материальными

телами. Гравитационное поле пропорционально массе. Гравитационные волны

пока не обнаружены.

Элементарные частицы (кроме фотонов) могут подразделяться по типам

взаимодействия: на адроны, для которых характерно сильное взаимодействие и

лептоны, для которых характерно слабое и электромагнитное взаимодействие.

По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени

жизни они делятся на стабильные (электрон, фотон, протон и нейтрино),

квазистабильные и нестабильные частицы.

По теории относительности энергия может переходить в массу, такие

переходы называются виртуальными. Таким виртуальным переходам сопутствует

рождение виртуальных частиц на короткое время. Эти процессы происходят в

физическом вакууме — состоянии с наименьшей энергией и отсутствием

вещества. Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать

частицы, т.к. энергия может переходить в поле, а поле — в частицы.

Поскольку Е=mс2, то частица с массой m рождается на время h/mс2. Для

протона это составляет около 10-34 с. Воздействие виртуальных частиц не

велико, но чем меньше исследуемые частицы, тем значительней воздействие на

них виртуальных частиц.

10. Связанные системы микрообъектов. Ядро, атом, молекула

Характер связанной системы микрообъекта, как и любой системы, зависит

не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия.

Именно такое взаимодействие определяет связанность и целостность системы. С

уровнем достигнутых знаний менялось и представления о структуре вещества. В

качестве первичной системы микрообъектов сначала рассматривались молекулы

как наименьшие единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы

постепенно совершенствовались и уточнялись. Существовало мнение, что

структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно

заряженных атомов или групп атомов. Но это было не совершенное суждение. В

дальнейшем исследователи установили, что при образовании структур различные

атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг

друга, так в результате получается целостность или связанная система.

Позднее структуру молекул стали связывать с понятием валентности элемента.

Дальнейшим шагом в этом направлении было изучение того, какую роль в

образовании молекул из атомов играет степень напряженности и энергии с

которой они связываются друг с другом. Из всего этого необходимо уяснить

главное: структура с точки зрения системного подхода представляет собой

упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря

которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической

системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия атомов

определяет новые целостные свойства молекулы.

Резерфорд положил основу ядерной модели атома как целостной системы.

Она заключается во взаимодействии ядра атома, находящегося в центре атома и

электронов, вращающихся вокруг ядра. Ядро состоит из положительно

заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме

равно числу протонов в ядре. Т.к. масса электронов в 2000 раз меньше массы

протонов или нейтронов, поэтому вся масса атома сосредоточена в ядре.

Разные электроны связаны с ядром в разной степени, некоторые из них атом

легко теряет, при этом система переходит в другое состояние, атом

становиться положительным ионом. Приобретая дополнительный электрон, атом

превращается в отрицательный ион. При поглощении электромагнитного

излучения, например света, атом возбуждается и совершает квантовый переход

с нижнего уровня на более высокий. В связи с этим говорят об энергетических

уровнях атома, которые определяют состояние атома как системы.

Атомное ядро как целостная система существует благодаря сил

притяжения, связывающих протоны и нейтроны в атомном ядре. Эти силы

называются ядерными или сильным взаимодействием. Так как по способности к

сильному взаимодействию протон и нейтрон не отличаются друг от друга,

поэтому их рассматривают как одну частицу — нуклон. Сильное взаимодействие

действует на малых расстояниях (10-15 м) и превосходит электромагнитное и

гравитационное, но оно уменьшается с увеличением расстояния.

11. Достижения атомной и ядерной физики

Атомная физика возникла на рубеже 19-20 вв. на основе исследований

оптических спектров. Она занималась изучением строения атома и изучением

его свойств. Была разработана количественная теория атома. Последующие

исследования свойств атомов и электронов завершились созданием квантовой

механики — физической теории, описывающей законы микромира. Квантовая

механика является теоретическим фундаментом атомной физики, а она в свою

очередь выступает опытным полигоном. Атомной физикой установлены оптические

спектры атомов различных химических элементов, связь закономерностей

спектров с системой энергетических уровней, подтвердила то, что внутренняя

энергия атома квантуется и изменяется дискретно. Вследствие изучения

радиоактивности произошло выделение ядерной физики, изучающей

взаимопревращение элементарных частиц — физика элементарных частиц. Атомная

физика добилась огромных успехов в изучении процессов, происходящих в

атомных ядрах и взаимопревращение элементарных частиц. Но эта дисциплина

изучает ту часть, в которой не происходит изменение с самим ядром, а только

с электронной оболочкой. Ядерная физика изучает превращения атомных ядер,

происходящие как в результате радиоактивных распадов, так и в результате

различных ядерных реакций. Достижения ядерной физики немыслимы без

использования достижений физики и техники ускорителей заряженных частиц.

Именно создание различных ускорителей элементарных частиц помогли

исследователям во многих проблемах изучения атомных ядер и их превращений.

Важной частью ядерной физики является нейтронная физика, занимающаяся

ядерными реакциями, происходящими под действием нейтронов. Современная

ядерная физика распадается на две взаимосвязанные ветви — теоретическую и

экспериментальную ядерную физику. Теоретическая работает с моделями атомных

ядер и ядерных реакций. Экспериментальная ядерная физика использует богатый

арсенал современных исследовательских средств, включая ядерные реакторы

(как источники мощных пучков нейтронов), ускорители заряженных частиц (как

источник ускоренных электронов, протонов, ионов, мезонов и т.д.),

разнообразные детекторы частиц. Ядерно-физические исследования имеют

огромное чисто научное значение, позволяя глубже проникать в тайны природы.

В то же время эти исследования важны и для практического использования в

ядерной энергетике, медицине, в ядерных реакторах на ледоколах, для

изучения ядерных реакций для использования в мирных целях, для синтеза

материалов.

13. Статистические системы и характеристики их законов. Средние величины.

Понятие энтропии. Флуктуации

Законы классической механики имеют универсальный характер, т.е. они

относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Их особенностью

является то, что их предсказания достоверны и однозначны. Но законы,

действующие для статистических систем (систем с множеством объектов) не

являются однозначными, а только вероятностными. Но это не является

свидетельством недостоверности, т.к. квантовая механика показала, что

существование неопределенности корениться в самом фундаменте материи (см.

8). По этой причине эти законы носят название вероятностных, или —

статистических, т.к. информация носит статистический характер. Эта исходная

информация об объектах исследования собирается, например, методом

длительных наблюдений, затем анализируется методами статистики и выводиться

какое-то среднее значение определяемой величины. Статистические методы

используются для изучения свойств сложных систем — газов, жидкостей,

твердых тел и их связь со свойствами отдельных частиц — атомов, молекул.

Для описания больших статистических систем используются

среднестатистические значения параметров, отвлекаясь от конкретных значений

этих параметров для каждой частицы, например определяется средняя энергия

для данной системы, вместо определения энергий каждой молекулы. Большое

значение для статистической физики имели работы американского физика

Гиббса, который дал общий метод вычисления усредненных величин для

произвольной системы. Но на практике исследователи, использующие

усредненные величины какого-либо параметра, имеют дело с флуктуациями.

Флуктуации это — небольшие нерегулярные, хаотические изменения какой-либо

физической величины. Обычно эти отклонения в физике связывают с тепловыми

или квантовыми явлениями. Например, в квантовой механике температура

одноатомного газа определяется кинетической энергией атомов. Но из-за

столкновений атомов энергия каждого из них не остается постоянной, а все

время меняется. Если взять большой объем, то энергия, усредненная по всем

атомам, будет практически постоянна. Если же газа в этом объеме мало, то

флуктуации энергии будут значительны. Величина флуктуации обратно

пропорциональна корню квадратному из числа частиц N.

Если статистическая физика рассматривает теплоту как беспорядочное

движение огромного числа молекул, то термодинамика не анализирует

внутреннее строение систем, а исследует физические процессы преобразования

тепловой энергии. Так первый закон термодинамики утверждает, что всякое

тело обладает внутренней энергией U, причем она может уменьшиться, если

тело совершило работу А, и увеличиться, если ему сообщают теплоту Q: (U = Q-

А.

При формулировании второго закона термодинамики была введена

специальная функция S, которую назвали энтропией. Сформулирован он так: при

самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия

всегда возрастает. Физический смысл энтропии по мнению австрийского физика

Больцман — мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму

энтропии, любой беспорядок ее увеличивает. Максимальная энтропия

соответствует полному хаосу. Третий закон термодинамики гласит о том, что

энтропия стремиться к нулю, при стремлении температуры к нулю. Эти три

закона термодинамики справедливы для любых систем и веществ: твердых,

жидких, газообразных, плазмы, металлов, полупроводников, диэлектриков и

т.д.

14. Развитие взглядов на строение солнечной системы от Птолемея до Кеплера.

Планета Земля

15. Мега мир. Космологические модели Вселенной. Стандартные модели эволюции

Вселенной. Реликтовое излучение

Если атомистические взгляды на развитие систем сводят все к свойствам

мельчайших частиц материи из которых состоит систем, то системные и

эволюционные взгляды обращают большее внимание на характер взаимодействий

элементов. Существуют различные гипотезы эволюции Вселенной. Вселенную как

единое целое изучает наука космология.

Космологическая модель Вселенной базируется на общей теории

относительности (уделяя внимание кривизне четырехмерного

пространства—времени), на важнейших открытиях внегалактической астрономии

(таких как явление «разбегания» галактик), на теоретических доказательствах

того, что Вселенная, заполнена тяготеющим веществом, не может быть

стационарной и периодически сжимается и расширяется.

Существуют различные модели Вселенной, но общим для них является

представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее модели.

Нестационарность означает, что Вселенная либо расширяется, либо сжимается,

но не может находиться в стационарном положении. «Разбегание» галактик по-

видимому свидетельствует о расширении, хотя существуют модели где это

свидетельствует о «пульсации» Вселенной. Изотропность указывает на

независимость ее свойств от направлений. Однородность характеризует

распределение вещества во Вселенной.

Существуют открытая модель, в которой кривизна отрицательна или равна

нулю, и замкнутая модель с положительной кривизной. В открытой модели

Вселенная непрерывно увеличивается, что соответствует бесконечной

Вселенной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же

неограниченной, т.к. двигаясь по ней нельзя достичь какой-либо границы.

Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальная

температура превышала 1013 градусов по Кельвину (0о по К=-273оС) гигантская

плотность материи достигала 1093 г/см2. В этих условиях был неизбежен

взрыв, поэтому эту теорию называют теорией «большого взрыва».

Предположительно это произошло 15-20млрд лет назад и сопровождалось сначала

быстрым, потом умеренным расширением и постепенным охлаждением Вселенной.

Когда температура упала до 6млрд градусов по Кельвину, первые 8 секунд

после взрыва там существовала в основном смесь электронов и позитронов.

Пока эта смесь находилась в тепловом равновесии, между частицами

происходили столкновения, в результате чего происходило непрерывное

превращение вещества в излучение и наоборот, излучения в вещество.

Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.

Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и

понижения температуры. На этой стадии возникли более тяжелые ядерные

частицы — протоны и нейтроны. Но самое гласное было нарушение симметрии —

произошел перевес вещества над излучением (один протон на миллиард

фотонов). Это послужило основой для дальнейшей эволюции и возникновения

разнообразных материальных образований, начиная от атомов, молекул,

кристаллов, и кончая планетами, звездами и галактиками.

В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество

сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое

пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде

реликтового излучения. Это явление находится в полном соответствии с

моделью «горячей» Вселенной.

16. Химические элементы. Состав вещества и химические системы

Для определения свойств вещества необходимо установить состав

вещества, т.е. из каких элементов оно состоит. Свойства простых веществ и

химических соединений зависят от их носителей, которые называют элементами.

В современном представлении химические элементы представляют собой

разновидности изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и

отличающимися по массе. Здесь мы видим аналогию с концепцией атомизма. Т.е.

свойства вещества зависят от его мельчайших составных частей — атомов. Но

это первый концептуальный уровень исследования химических свойств веществ.

Второй уровень связан с изучением структуры вещества, т.е. взаимодействия

элементов. (Например, химический элемент углерод может существовать как

алмаз и как графит.) Третий уровень исследований химических веществ —

исследование внутренних условий протекания химических процессов

(температура, давление, скорость реакции и т.д.).

Великая заслуга Менделеева состоит в том, что открыв периодический

закон, он заложил фундамент для научных химических знаний. Он показал, что

химические св-ва находятся в периодической зависимости от атомного веса.

Дальнейшее развитие науки позволило уточнить эту зависимость от атомного

номера, определяемого зарядом ядра. Наука позволила определить различие

между химической смесью и химическим соединением, которое должно обладать

постоянным составом, в отличие от смеси. Наименьшей частицей, обладающей

свойствами какого-либо вещества являются молекулы. Например молекула

простого вещества кислорода О2 образована из двух атомов и имеет все

свойства кислорода как химического вещества (атомы кислорода имеют

несколько другие св-ва). Каким бы путем любое вещество не было получено,

оно имеет постоянные св-ва. Долгое время закон постоянства химического

состава казался истиной, но потом были открыты химические соединения

переменного состава в форме растворов и сплавов. Это и соединения

полученные в разных условиях. Это связано с характером связей атомов в

молекулах. К молекулам можно отнести различные квантово-механические

системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и др. макромолекулы) Таким

образом химическое соединение — это не только сложное вещество, состоящее

из нескольких элементов, но оно может состоять и из одного элемента.

Рассматривая химические системы необходимо знать, что ее свойства

зависят не только от состава и строения элементов, но и от их

взаимодействия. Поэтому при изучении химических систем ученым приходиться

изучать и их структуру. Например, в такой химической системе, как молекула,

именно характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет св-ва

молекулы.

С другой стороны часто свойства химической системы зависят от условий

получения. Условия могут оказать влияние на характер и результат химических

реакций. Это и термодинамические факторы (температура, давление) и

использование катализаторов.

17. Особенности биологического уровня организации материи. Молекулярно-

генетическое строение биологических структур

Особенностью организации живой материи является ее многоуровневая

структура, в которой первый уровень — организменный уровень, занимают живые

организмы, одноклеточные и многоклеточные. Этот уровень называется

организменным, т.к. рассматриваются отдельные организмы, без учета их

связей и взаимодействий с другими. Минимальной живой системой на этом

уровне является клетка.

Остальные уровни организации живого являются надорганизменными, т.е.

они включают не только организмы, но и связи и взаимодействия между собой и

окружающей средой:

1. Первый надорганизменный уровень — популяционный уровень. Этот уровень

включает в себя совокупность особей одного вида, которые имеют единый

генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности или системы

живых организмов составляют единую популяцию. Популяция рассматривается

как единая система, в которой идут непрерывные взаимодействия между собой

и окружающей средой. Благодаря этому появляется способность популяции к

трансформациям и развитию.

2. Второй надорганизменный уровень составляют различные системы популяций,

которые называют биоценозами. Они являются более обширными объединениями

живых существ и в значительно большей степени зависят от небиологических

факторов развития.

3. Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве

Страницы: 1, 2, 3