Читать онлайн «Концепции современного естествознания. Шпаргалки». Страница 14

В квантовой картине мира пространственно-временные и энергетически импульсные понятия не могут использоваться независимо друг от друга, они дополняют друг друга, то есть пространство, время и причинность существуют комплексно, но параметры существования каждой частицы не могут быть точно определены, для частиц в квантовом мире существуют статистические законы, которые рассматривают поведение частицы как поведение совокупности частиц.

Движение частиц описывается волновыми функциями, которые базируются на уравнении Шредингера , позволяющем применить законы вероятности к максимально возможному числу траекторий частицы. Для определения вероятности каждого случая проводится дополнительная операция (редукция, коллапс) волнового пакета, связанная с проведением измерений.

Квантовая картина мира включает четыре типа взаимосвязи на уровне частиц: сильное (ядерное), слабое (распад частиц), электромагнитное, гравитационное.

Структурно материальный мир разделяется на три уровня – микромир, макромир, мегамир.

Микромир составляют мельчайшие объекты – элементарные частицы, атомы, молекулы. Основные наблюдения ведутся над элементарными частицами, среди которых появляются новые и новые. Первым был открыт отрицательно заряженный электрон, затем – положительно заряженный позитрон, нейтральный к взаимодействиям нейтрон и т. п. Некоторые частицы были теоретически предсказаны и только потом открыты. В микромире в силу его корпускулярно-волнового характера действуют законы квантовой физики.

Макромир является привычным для человека окружающим миром. В нем заключены объекты, равновеликие человеку. Мельчайшие объекты макромира – гиганты микромира, это крупные молекулы и соединения молекул, вещества (во всех агрегатных состояниях), живые существа (начиная с живой клетки и завершая венцом творения – человеком), а также природные формирования и продукты жизнедеятельности человека. С развитием космонавтики макромир не ограничивается Землей, но включает материальный мир планет, хотя сами планеты относятся к другому уровню организации материи. В макромире действуют законы классической механики, которая является частным случаем квантовой механики. Макромир изучается помимо физики всей совокупностью естественных наук (биология, геология, география и т. п.).

Мегамир составляют объекты, многократно превосходящие человека по величине. Для мегамира макромир находится на том же уровне, что микромир для макромира. Объекты мегамира включают в себя планеты, звезды, галактики и их скопления, расположенные в безвоздушном космическом пространстве. В силу искривленности пространства законы макромира в мегамире не работают. Мегамир подчиняется теории относительности и постулатам релятивистской механики.

Границ, точно определяющих принадлежность объектов к одному из трех уровней, не существует. Обычно для этого оперируют средним размером и массой. Большого значения деление на мега-, макро и микромир тоже не имеет, но это удобно с точки зрения понимания, какие из существующих физических законов можно применить.

Элементарными частицами называются мельчайшие частицы: 1) входящие в состав атома; 2) получаемые его дроблением с помощью ускорителей частиц; 3) образованные в результате прохождения через атмосферу космических лучей и существующие миллионные доли секунды, порождая при распаде другие частицы или энергию.

Самыми известными элементарными частицами являются: электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. Существует ряд частиц, способных превращаться в другие частицы. Одними из наиболее элементарных являются предсказанные и затем зарегистрированные экспериментально кварки.

К элементарным частицам относятся входящие в состав атома протон и нейтрон. Для частиц, имеющих более сложную структуру, введено понятие фундаментальных частиц.

Элементарные частицы классифицируют по свойствам и характеру взаимодействия на фермионы и бозоны. Друг от друга они отличаются выполняемыми функциями: фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Фермионы делятся на адроны (сильные) и лептоны (легкие). В состав адронов входят кварки. Лептоны могут: 1) иметь отрицательный электрический заряд (тогда они вращаются вокруг ядра атома); 2) быть нейтральными (тогда они обладают способностью проходить сквозь вещество без взаимодействия с ним).

Каждая частица имеет противоположную по заряду античастицу. Античастицы были предсказаны Полом Дюраком.

Бозоны включают в себя глюоны, фотоны, вионы, гравитоны, которые образуют четыре типа взаимодействия. Фотон (квант) переносит электромагнитное взаимодействие, глюон – сильные ядерные взаимодействия, вион (векторный бозон) – слабые взаимодействия, возникающие при распаде частиц, гравитон должен переносить гравитационное взаимодействие, но пока он существует чисто теоретически. На сегодняшний день известно 12 фундаментальных частиц и античастиц, то есть 6 лептонов (электрон, мюон, Тау-лептон, ν e, ν µ, ντ) и 6 кварков.

Во всех видах взаимодействий элементарные частицы представляют собой единое целое. Их характеристиками являются такие: масса покоя, электрический заряд, спин, квантовые характеристики – барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т. д.

Ядром атома называют его центральную часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. В состав ядра входят протоны и нейтроны, которые обобщенно называют нуклонами. Протоны положительно заряжены, нейтроны – нейтральны. Но масса ядра не соответствует сложению масс нуклонов. Расчет числа протонов исходит из числа электронов (оно равно числу электронов), количество нейтронов определяется по формуле NP = A – Z, где А – массовое число, то есть целое число, ближайшее к атомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (число протонов).

Ядра атомов принято обозначать буквами ZXA, где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра с равным значением Z, но различными значениями А именуются изотопами , их существует более трехсот в устойчивой форме и более тысячи в неустойчивой. Изотопы неустойчивого типа способны к слабым взаимодействиям, то есть ядерному распаду и обладают радиоактивностью.

По типу строения модели ядро может быть оболочечным, оптическим, капельным. Оболочечное ядро характерно для легких атомов и выглядит как оболочка самого атома, а нуклоны «размазаны» по оболочке атомного ядра. Физиком Паули для нуклонов выведен такой принцип: на одной орбите не может быть двух нуклонов с одним и тем же спином. Оптическое ядро характерно для средних и тяжелых ядер: ядро окружают частицы с дуальными корпускулярно-волновыми свойствами, при равенстве длины волн возникают дифракция и интерференция. Капельное строение характерно для тяжелых ядер с естественной радиоактивностью: начиная с висмута, радиоактивность имеют все элементы. Тип ядра сравнивается с каплями жидкости, плотность которой при одной температуре и давлении постоянна и не зависит от числа молекул. Применительно к ядру, плотность ядерного вещества постоянна и не зависит от числа нуклонов, имеющих волновые свойства и заряд. Ядро является устойчивым, нуклоны удерживаются ядерными силами сильного взаимодействия со следующими свойствами: 1) они короткодействующие; 2) имеют зарядовую независимость; 3) обладают свойствами насыщения; 4) ориентация спинов определяет их величину. Для разрушения ядра необходимо приложить энергию, разрушение ядер тоже сопровождается выбросом энергии.

Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Существование молекул при помощи броуновского движения доказал в XIX в. Жан Батист Перрен. Молекулы делят на простые и сложные, к простым относят молекулы, состоящие из одинаковых атомов, к сложным – из разных атомов.

В одноатомном состоянии находятся инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон); имеются соединения, макромолекулы которых насчитывают тысячи атомов (искусственные полимеры, белки, целлюлоза).

Молекулярные взаимодействия изучает химия. Молекулярные взаимодействия могут происходить в процессе соединения и превращения веществ или при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи, то есть новые конфигурации атомов, отличающиеся от исходных типов молекул. Существует два основных типа связей: ионная и ковалентная, включающая свою разновидность – водородную связь.