Niveles estructurales básicos de la materia. Niveles estructurales de organización de la materia.
Hasta ahora, nos hemos basado principalmente en signos de desarrollo, cambio y movimiento, como suele hacer la física. Al mismo tiempo, se destacó la función de los objetos o fenómenos. Para no pecar contra la verdad, también se debe utilizar una categoría combinada con la categoría “función”. Se llama "estructura". Al considerar la estructura, el concepto de clasificación es fundamental.
Casi cualquier ciencia en las etapas iniciales de su desarrollo tiene que organizar los hechos experimentales acumulados. Precisamente con este fin se desarrolló el concepto de clasificación. Durante muchos años, este concepto formó la base de la biología. La biología era una ciencia descriptiva y su atención principal se centraba en la clasificación de los seres vivos. La clasificación también se utilizó ampliamente en química. Un ejemplo es la tabla periódica de elementos. En su forma final, el concepto de clasificación fue formulado por las matemáticas.
Se pueden clasificar elementos de cualquier conjunto. Estos se denominan objetos de clasificación. Clasificados según criterios de clasificación. Con esta función, los objetos se agrupan en clases.
Dependiendo del criterio de clasificación elegido, los objetos se pueden agrupar de diferentes maneras. Así, la población de nuestro país se puede agrupar según nacionalidad o según propiedad. Entonces, por ejemplo, personas de diferentes nacionalidades entrarán en la clase de los pobres.
Las clases tienen una estructura jerárquica.. Habiendo dividido el conjunto en clases, puede dividir cualquiera de ellas en subclases utilizando un criterio de clasificación diferente. Las subclases, a su vez, se pueden dividir nuevamente en subclases. Esta división puede realizarse de forma ilimitada. Como resultado, obtenemos un árbol de clases. Se muestra esquemáticamente en la Fig. 6. Así, una clase de rusos formada sobre una base nacional puede dividirse según la propiedad en subclases de pobres, ricos y personas de ingresos moderados. La subclase de ricos, a su vez, se puede dividir por género en subclases de hombres y mujeres, etc.
Lo esencial en la clasificación es que la clase debe incluir todos los objetos que tengan un atributo de clasificación determinado. Esta propiedad de clase se llama "encapsulación". Se dice que una clase encapsula todos los elementos que tienen una característica determinada. Habiendo formado la clase "rusos", debemos estar seguros de que ninguno de los rusos fue clasificado, por ejemplo, en la clase "alemanes" y viceversa.
Además, cada clase debe estar relacionada con todas sus subclases para que cada subclase tenga las propiedades de la clase que la generó. Esta relación se llama herencia de propiedades de la clase padre. En nuestro ejemplo anterior, los objetos de la subclase “mujeres”, subclase “ricos” y clase “rusos” heredan todas las características de las clases que los generaron. En otras palabras, son mujeres rusas ricas.
Los objetos de cualquier clase o subclase son iguales en relación al criterio de clasificación. Sin embargo, esto no excluye sus diferencias individuales. Por lo tanto, todos los objetos de la clase "rusa" tienen la misma nacionalidad (rasgo de clasificación), pero difieren en altura, peso, color de ojos y mucho más. La presencia de diferencias individuales entre objetos de una clase se llama polimorfismo.
La idea de clasificación ha recibido una aplicación inesperada en el campo de la tecnología de la información. Como saben, las modernas tecnologías de la información desarrollan proyectos a gran escala. Así, los costes laborales para la creación de Windows 95 (el proyecto de Chicago) ascendieron a unos 500 años-hombre. Los paquetes de software son creados por grandes equipos de programadores. Esto plantea la cuestión de la compatibilidad del código de programa escrito por diferentes programadores dentro del mismo proyecto. Para ello se utilizan métodos de clasificación. Su implementación de software fueron los llamados lenguajes de programación orientados a objetos.
Categoría de estructura en las ciencias naturales modernas.
El objeto de estudio de la mayoría de las ciencias naturales son los sistemas materiales. Un sistema material es una parte relativamente aislada del mundo material, que tiene sus propias leyes internas de existencia y desarrollo. Ejemplos de sistema material son el sistema solar, una colonia de microorganismos, un átomo individual, la humanidad, etc.
El número de sistemas materiales estudiados por las ciencias naturales es enorme. El signo más simple de su clasificación puede ser el tamaño de estos sistemas.
Las más pequeñas que se conocen hoy en día son las llamadas partículas elementales. La palabra "elemental" implica la simplicidad de estas partículas, su indescomponibilidad en componentes. Actualmente, se discute activamente la posición sobre la naturaleza elemental de cualquier objeto natural. Por lo tanto, cada vez más, tanto en la literatura popular como en la científica, se puede encontrar el término “partículas fundamentales” para designar los objetos naturales más pequeños. Para no crear confusión, continuaremos usando el término ahora común “partículas elementales”, implicando su posible naturaleza no elemental.
Durante mucho tiempo, la ciencia sólo conoció una partícula elemental: el electrón. Hasta la fecha ya se han abierto decenas de ellos. Esta situación requirió la clasificación de partículas elementales conocidas. Las dificultades para elegir un criterio de clasificación adecuado resultaron casi insuperables. Se eligió la masa de las partículas elementales como criterio de clasificación más simple, por analogía con la forma en que se hacía en el sistema periódico de los elementos. Esta clasificación resultó no ser del todo exitosa, sin embargo, a pesar de sus imperfecciones, se utiliza a menudo hasta el día de hoy.
Según su masa, las partículas elementales se dividen en cinco clases: fotones, leptones, mesones, bariones e hiperones.Fotones- las partículas ligeras no tienen masa en reposo y se clasifican según su energía. De baja energía: constituyen emisiones de radio. Los fotones de energía media se consideran ligeros. Y finalmente, los fotones de alta energía se denominan cuantos gamma.
La clase de leptones incluye partículas ligeras. Su representante típico es el electrón. La masa de un leptón es del orden de 10 a 30 kg.
Los representantes de la clase de los mesones son aproximadamente 200 veces más pesados que los leptones. Entre ellos, los más conocidos son los mesones pi, que son responsables de las interacciones intranucleares.
Los bariones son partículas pesadas miles de veces más pesadas que los leptones. Los representantes típicos de los bariones son el protón y el neutrón, las unidades estructurales básicas que forman el núcleo atómico.
La última de las clases son los hiperones. Se trata de partículas superpesadas con vidas cortas. Hoy en día interesan principalmente a los especialistas en el campo de la física de altas energías.
El nivel estructural junto a las partículas elementales lo ocupan los núcleos atómicos. Es difícil exagerar el papel de estos sistemas materiales imperceptiblemente pequeños en la vida de la sociedad moderna, por lo que dedicaremos una atención especial a los núcleos atómicos y los problemas relacionados.
Los núcleos atómicos se incluyen como componentes en los elementos del siguiente nivel estructural de organización de la materia. Se llamó atómico. Los átomos son los elementos estructurales básicos considerados por la química moderna. Se les conoce como elementos químicos.
La idea de los elementos primarios, los átomos, no es nueva en las ciencias naturales. Fue ampliamente discutido por los filósofos antiguos. Sin embargo, en el pasado, los átomos eran llamados las partes constituyentes mínimas cualitativamente inalteradas de la materia. Ahora llamamos moléculas a esas partes. La idea de la estructura atómica de la materia ha calado tan profundamente en nuestras vidas que parece increíble que hace sólo doscientos o trescientos años estuviera luchando por abrirse camino en la comunidad científica.
El conjunto de átomos es muy vasto. Se han hecho numerosos intentos de clasificarlos. Uno de ellos, realizado por D.I. Mendeleev, resultó especialmente exitoso. Descubrió que las propiedades químicas de los elementos dependen periódicamente de su peso atómico. Sin exagerar, podemos decir que su descubrimiento sentó las bases de la química moderna.
Los átomos se combinan en el siguiente nivel de sistemas materiales llamados moléculas. El mundo de las moléculas es muy diverso y no tiene fronteras claras. Esto incluye tanto las moléculas inorgánicas más simples como las macromoléculas orgánicas.
El concepto de leyes estructurales es especialmente evidente en la química orgánica. Se ha descubierto la existencia de compuestos orgánicos que tienen la misma composición química pero diferentes propiedades. Esta diferencia se debe a las características estructurales de dichos compuestos. Por ejemplo, existen dos tipos de moléculas de azúcar sintéticas. Estas moléculas son copias especulares unas de otras. Debido a la diferencia estructural, sus propiedades ópticas difieren.
Es de destacar que el azúcar natural, así como las moléculas de otros compuestos orgánicos naturales, contiene moléculas de sólo uno de dos tipos simétricos. El motivo de esto aún no se ha aclarado.
Las partículas elementales, los átomos y las moléculas forman un sistema material especial. Se le llamó "micromundo" en contraste con el macrocosmos. El macromundo es el mundo de los objetos entre los que vivimos.
Dentro del macrocosmos también se pueden distinguir varios sistemas materiales. Se estudian principalmente en biología y ciencias sociales.
Los planetas individuales, debido a su relativo aislamiento, también pueden considerarse sistemas materiales. Los sistemas planetarios y estelares tienen un nivel superior. Se unen en sistemas de un nivel superior: las galaxias. Y, finalmente, las galaxias que conocemos se consideran parte del sistema material del más alto nivel: las metagalaxias. El mundo de los planetas, las estrellas y las galaxias se llama "megamundo".
Así, entre los sistemas materiales considerados por las ciencias naturales modernas, se destacan los micro, macro y megamundos.
Macromundo- este es el mundo en el que vivimos. Este es el mundo de los objetos que nos rodean. Incluye desde microorganismos hasta pliegues de la corteza terrestre.
micromundo- incluye partículas, átomos y moléculas fundamentales (elementales). En los problemas del micromundo, la ciencia moderna busca pistas sobre los secretos del macromundo. Parece que el determinismo de Laplace está siendo reemplazado gradualmente por el determinismo cuántico: la creencia de que todos los fenómenos del macromundo pueden explicarse basándose en una comprensión correcta de las leyes del micromundo. Aquí vale la pena señalar que los micro y macrocosmos son, aunque interconectados, sistemas macroscópicos relativamente independientes.
Megamundo— cubre la parte del Universo accesible a nosotros. Sus objetos son galaxias, estrellas, planetas, nebulosas. Estos son objetos de estudio no sólo de la astronomía moderna, sino también de las ciencias naturales de reciente aparición: astrofísica, astrobiología, cosmología y, curiosamente, la física de altas energías (como ahora se llama física de partículas elementales). Observe cómo los problemas de las partículas elementales grandes y pequeñas y las galaxias majestuosas se cruzan de la manera más sorprendente.
El cuerpo humano es parte del macrocosmos. Con su conciencia es capaz de abarcar los tres mundos, desde una partícula insignificante hasta una galaxia majestuosa. En este sentido, podemos decir con confianza que una persona vive simultáneamente en tres mundos.
Características del nivel biológico de desarrollo de la materia.
El estudio del nivel biológico de desarrollo de la materia plantea, en primer lugar, la cuestión de la esencia de los seres vivos. La Gran Enciclopedia Soviética define la vida como una forma superior de existencia de la materia en comparación con la forma de existencia física y química, que surge naturalmente bajo ciertas condiciones en el proceso de su desarrollo. Aunque es correcta en esencia, esta definición no proporciona enfoques constructivos para distinguir lo vivo de lo no vivo. Con base en esta definición, es imposible, digamos, determinar si nuestro planeta es un ser vivo, como creía el famoso escritor de ciencia ficción Conan Doyle, o si es un trozo de materia inerte que corre por el espacio.
La biología clásica identifica seis características, cuyo conjunto completo distingue a los vivos de los no vivos.- Características de la composición química. Los seres vivos deben incluir necesariamente proteínas y ácidos nucleicos.
- Intercambio de materia e información con el medio ambiente. Los organismos vivos son sistemas abiertos.
- La capacidad de reproducirse, la presencia de rasgos que se heredan.
- Sostenibilidad. Capacidad de desarrollo y evolución.
- Capacidad de autorregulación y, como resultado, adaptabilidad al entorno externo.
- Irritabilidad. La capacidad de interactuar con el medio ambiente.
Cabe señalar que los signos enumerados, a pesar de su popularidad, son controvertidos. Por tanto, durante muchos años se ha debatido la posibilidad de que existan formas de vida sin carbono. K. E. Tsiolkovsky asumió la posibilidad de vida basada en el silicio. Sin embargo, aún no se han descubierto muestras de vida distinta del carbono.
La naturaleza de los virus también es controvertida. Mientras está dentro de la célula huésped, el virus presenta todas las características de estar vivo. Sin embargo, fuera de esta célula el virus no es capaz de reproducirse y, por tanto, no puede considerarse vivo.
Un rasgo característico de los seres vivos es una estructura jerárquica. Se basa en ácidos nucleicos. El papel más importante entre ellos lo desempeña el ácido desoxirribonucleico (ADN), considerado el portador de información hereditaria. Las moléculas de ADN están incluidas en estructuras que, debido a su capacidad de tinción específica, se denominan “cromosomas”. Un conjunto completo de cromosomas ingresa al núcleo celular y sorprendentemente se asocia con los rasgos que hereda.
La célula representa el siguiente nivel jerárquico de los seres vivos. En el caso más sencillo, todo el organismo puede estar formado por una célula viva.
La mayoría de los organismos vivos están formados por muchas células. Sin embargo, existen diferencias significativas entre un organismo y un simple conglomerado de células. Las células de un organismo vivo tienen especialización. Entonces, las células de sus huesos, las osteonas, tanto en apariencia como en función, son significativamente diferentes de las células nerviosas, las neuronas. Además de la especialización, las células de un organismo vivo están interconectadas, lo que le proporciona la capacidad de adaptarse al medio ambiente y la capacidad de autorregulación y autocuración.
Los organismos de una misma especie forman un sistema biológico llamado población. Las poblaciones individuales pueden apoyarse mutuamente en el curso de su actividad vital. Un conjunto de poblaciones que se apoyan mutuamente forma comunidades biológicas. Las grandes comunidades biológicas junto con su hábitat forman biogeocenosis. La totalidad de todos los seres vivos que viven en la Tierra forman la biosfera.
La población humana a su vez está dividida en sistemas sociales. Cuando se clasifica según la territorialidad, se divide en estados. Si realizamos la clasificación según las relaciones de producción, entonces se pueden distinguir varias clases sociales en la población. Ésta es, por ejemplo, la clase de los propietarios de los medios de producción: los capitalistas y la clase de los pobres: el proletariado. Sin embargo, la clasificación social no se limita a esto.
Las peculiaridades de la organización social de las comunidades humanas llevaron al destacado científico ruso V.I. Vernadsky a resaltar otro sistema material, llamado "noosfera", la esfera de la mente.
La biología moderna no se limita a la identificación de unidades estructurales y clasificación. Un éxito significativo de la ciencia biológica fue la creación de la teoría de la evolución, que ofreció una interpretación satisfactoria de la variabilidad de las especies. El mecanismo de la evolución es propuesto por la genética moderna, que hasta la fecha ha logrado un éxito significativo.
1. Niveles estructurales de organización de la materia.
En su forma más general, la materia es un conjunto infinito de todos los objetos y sistemas que coexisten en el mundo, la totalidad de sus propiedades, conexiones, relaciones y formas de movimiento. Además, incluye no sólo todos los objetos y cuerpos de la naturaleza directamente observables, sino también todo lo que no se nos da en las sensaciones. El mundo entero que nos rodea está moviendo materia en sus infinitamente variadas formas y manifestaciones, con todas sus propiedades, conexiones y relaciones. En este mundo, todos los objetos tienen orden interno y organización sistémica. El orden se manifiesta en el movimiento regular y la interacción de todos los elementos de la materia, por lo que se combinan en sistemas. El mundo entero, por tanto, aparece como un conjunto de sistemas organizados jerárquicamente, donde cualquier objeto es al mismo tiempo un sistema independiente y un elemento de otro sistema más complejo.
Según la imagen científica natural moderna del mundo, todos los objetos naturales también son sistemas ordenados, estructurados y organizados jerárquicamente. Basado en un enfoque sistemático de la naturaleza, toda la materia se divide en dos grandes clases de sistemas materiales: la naturaleza inanimada y la viva. En un sistema de naturaleza inanimada, los elementos estructurales son: partículas elementales, átomos, moléculas, campos, cuerpos macroscópicos, planetas y sistemas planetarios, estrellas y sistemas estelares, galaxias, metagalaxias y el Universo en su conjunto. En consecuencia, en la naturaleza viva los elementos principales son proteínas y ácidos nucleicos, células, organismos, órganos y tejidos unicelulares y multicelulares, poblaciones, biocenosis y materia viva del planeta.
Al mismo tiempo, tanto la materia viva como la inanimada incluyen una serie de niveles estructurales interconectados. La estructura es un conjunto de conexiones entre elementos de un sistema. Por tanto, cualquier sistema consta no sólo de subsistemas y elementos, sino también de diversas conexiones entre ellos. Dentro de estos niveles, las principales son las conexiones horizontales (coordinación), y entre niveles, las verticales (subordinación). El conjunto de conexiones horizontales y verticales permite crear una estructura jerárquica del Universo, en la que el principal rasgo calificativo es el tamaño del objeto y su masa, así como su relación con el hombre. Con base en este criterio se distinguen los siguientes niveles de materia: micromundo, macromundo y megamundo.
Microworld es una región de microobjetos materiales extremadamente pequeños y directamente no observables, cuya dimensión espacial se calcula en el rango de 10 -8 a 10 -16 cm, y la vida útil es de infinito a 10 -24 s. Esto incluye campos, partículas elementales, núcleos, átomos y moléculas.
El macromundo es el mundo de los objetos materiales acordes en escala con una persona y sus parámetros físicos. En este nivel, las cantidades espaciales se expresan en milímetros, centímetros, metros y kilómetros, y el tiempo, en segundos, minutos, horas, días y años. En la realidad práctica, el macrocosmos está representado por macromoléculas, sustancias en diversos estados de agregación, organismos vivos, humanos y los productos de sus actividades, es decir. macrocuerpos.
El Megamundo es una esfera de enormes escalas y velocidades cósmicas, cuya distancia se mide en unidades astronómicas, años luz y pársecs, y la vida útil de los objetos espaciales se mide en millones y miles de millones de años. Este nivel de materia incluye los objetos materiales más grandes: estrellas, galaxias y sus cúmulos.
Cada uno de estos niveles tiene sus propias leyes específicas que son irreductibles entre sí. Aunque estas tres esferas del mundo están estrechamente relacionadas entre sí.
Estructura del megamundo
Los principales elementos estructurales del megamundo son los planetas y los sistemas planetarios; estrellas y sistemas estelares que forman galaxias; Sistemas de galaxias que forman metagalaxias.
Los planetas son cuerpos celestes no autoluminosos, de forma parecida a una bola, que giran alrededor de las estrellas y reflejan su luz. Debido a su proximidad a la Tierra, los planetas del Sistema Solar más estudiados son los que se mueven alrededor del Sol en órbitas elípticas. Nuestra Tierra, situada a una distancia de 150 millones de kilómetros del Sol, también pertenece a este grupo de planetas.
Las estrellas son objetos espaciales luminosos (gas) formados a partir de un entorno de gas y polvo (principalmente hidrógeno y helio) como resultado de la condensación gravitacional. Las estrellas se encuentran a grandes distancias unas de otras y, por tanto, están aisladas entre sí. Esto significa que las estrellas prácticamente no chocan entre sí, aunque el movimiento de cada una de ellas está determinado por la fuerza gravitacional creada por todas las estrellas de la Galaxia. El número de estrellas en la Galaxia es de aproximadamente un billón. Los más numerosos son los enanos, cuyas masas son aproximadamente 10 veces menores que la masa del Sol. Dependiendo de su masa, las estrellas evolucionan hacia enanas blancas, estrellas de neutrones o agujeros negros.
Una enana blanca es una postestrella de electrones que se forma cuando una estrella en la etapa final de su evolución tiene una masa inferior a 1,2 masas solares. El diámetro de la enana blanca es igual al diámetro de nuestra Tierra, la temperatura alcanza alrededor de mil millones de grados y la densidad es de 10 t/cm 3, es decir. cientos de veces mayor que la densidad de la Tierra.
Las estrellas de neutrones surgen en la etapa final de la evolución de las estrellas con una masa de 1,2 a 2 masas solares. Las altas temperaturas y presiones en ellos crean las condiciones para la formación de una gran cantidad de neutrones. En este caso, se produce una compresión muy rápida de la estrella, durante la cual comienzan rápidas reacciones nucleares en sus capas externas. En este caso, se libera tanta energía que se produce una explosión que dispersa la capa exterior de la estrella. Sus regiones internas se están reduciendo rápidamente. El objeto restante se llama estrella de neutrones porque está formado por protones y neutrones. Las estrellas de neutrones también se llaman púlsares.
Los agujeros negros son estrellas en las etapas finales de su desarrollo, cuya masa supera las 2 masas solares, y tienen un diámetro de 10 a 20 km. Los cálculos teóricos demostraron que tienen una masa gigantesca (10 15 g) y un campo gravitacional anormalmente fuerte. Obtuvieron su nombre porque no tienen brillo y, debido a su campo gravitacional, capturan del espacio todos los cuerpos cósmicos y la radiación que no puede salir de ellos, parecen caer dentro de ellos (siendo atraídos hacia adentro, como en un agujero). ). Debido a la fuerte gravedad, ningún cuerpo material capturado puede moverse más allá del radio gravitacional del objeto y, por lo tanto, al observador le parecen "negros".
Los sistemas estelares (cúmulos de estrellas) son grupos de estrellas interconectadas por fuerzas gravitacionales, que tienen un origen común, una composición química similar e incluyen hasta cientos de miles de estrellas individuales. Hay sistemas estelares dispersos, como las Pléyades en la constelación de Tauro. Estos sistemas no tienen la forma correcta. Actualmente se conocen más de mil
sistemas estelares. Además, los sistemas estelares incluyen cúmulos estelares globulares, que contienen cientos de miles de estrellas. Las fuerzas gravitacionales mantienen a las estrellas en esos cúmulos durante miles de millones de años. Actualmente, los científicos conocen alrededor de 150 cúmulos globulares.
Las galaxias son conjuntos de cúmulos de estrellas. El concepto de "galaxia" en su interpretación moderna significa enormes sistemas estelares. Este término (del griego “leche, lechoso”) se acuñó para referirse a nuestro sistema estelar, que es una franja clara con un tinte lechoso que se extiende por todo el cielo y por eso se llama Vía Láctea.
Convencionalmente, según su apariencia, las galaxias se pueden dividir en tres tipos. El primero (alrededor del 80%) incluye galaxias espirales. En esta especie se observan claramente el núcleo y las “mangas” espirales. El segundo tipo (alrededor del 17%) incluye galaxias elípticas, es decir. los que tienen forma de elipse. El tercer tipo (aproximadamente el 3%) incluye galaxias de forma irregular que no tienen un núcleo claramente definido. Además, las galaxias difieren en tamaño, número de estrellas que contienen y luminosidad. Todas las galaxias están en estado de movimiento y la distancia entre ellas aumenta constantemente, es decir. hay un alejamiento mutuo (dispersión) de galaxias entre sí.
Nuestro sistema solar pertenece a la Vía Láctea, que incluye al menos 100 mil millones de estrellas y, por tanto, pertenece a la categoría de galaxias gigantes. Tiene una forma aplanada, en cuyo centro hay un núcleo del que salen “mangas” en espiral. El diámetro de nuestra galaxia es de unos 100 mil años luz y el espesor es de 10 mil años luz. Nuestra galaxia vecina es la Nebulosa de Andrómeda.
Una metagalaxia es un sistema de galaxias que incluye todos los objetos cósmicos conocidos.
Dado que el megamundo se ocupa de grandes distancias, se han desarrollado las siguientes unidades especiales para medir estas distancias:
año luz - la distancia que recorre un rayo de luz durante un año a una velocidad de 300.000 km/s, es decir un año luz son 10 billones de kilómetros;
Una unidad astronómica es la distancia promedio de la Tierra al Sol, 1 UA. igual a 8,3 minutos luz. Esto significa que los rayos del sol, habiendo salido del Sol, llegan a la Tierra en 8,3 minutos;
parsec es una unidad de medida de distancias cósmicas dentro y entre sistemas estelares. 1 pieza - 206 265 AU, es decir aproximadamente igual a 30 billones de kilómetros, o 3,3 años luz.
Estructura del macrocosmos
Cada nivel estructural de la materia en su desarrollo está sujeto a leyes específicas, pero al mismo tiempo no existen límites estrictos y rígidos entre estos niveles, todos están estrechamente interconectados; Los límites del micro y macrocosmos son móviles, no hay un microcosmos ni un macrocosmos separados. Naturalmente, los macroobjetos y megaobjetos se construyen a partir de microobjetos. Sin embargo, resaltemos los objetos más importantes del macrocosmos.
El concepto central del macrocosmos es el concepto de materia, que en la física clásica, que es la física del macrocosmos, está separada del campo. La sustancia es un tipo de materia que tiene masa en reposo. Existe para nosotros en forma de cuerpos físicos que tienen algunos parámetros comunes: gravedad específica, temperatura, capacidad calorífica, resistencia o elasticidad mecánica, conductividad térmica y eléctrica, propiedades magnéticas, etc. Todos estos parámetros pueden variar ampliamente, tanto de una sustancia a otra, como para una misma sustancia, dependiendo de las condiciones externas.
Estructura del micromundo.
A principios de los siglos XIX-XX. Se han producido cambios radicales en la imagen científica natural del mundo, provocados por los últimos descubrimientos científicos en el campo de la física y que afectan sus ideas y actitudes fundamentales. Como resultado de los descubrimientos científicos, las ideas tradicionales de la física clásica sobre la estructura atómica de la materia fueron refutadas. El descubrimiento del electrón significó la pérdida del estatus del átomo como elemento estructuralmente indivisible de la materia y, por tanto, una transformación radical de las ideas clásicas sobre la realidad objetiva. Nuevos descubrimientos han permitido:
revelar la existencia en la realidad objetiva no sólo del macromundo, sino también del micromundo;
confirmar la idea de la relatividad de la verdad, que es sólo un paso en el camino hacia el conocimiento de las propiedades fundamentales de la naturaleza;
demostrar que la materia no consiste en un “elemento primario indivisible” (átomo), sino en una variedad infinita de fenómenos, tipos y formas de materia y sus interrelaciones.
Concepto de partículas elementales. La transición del conocimiento de las ciencias naturales del nivel atómico al nivel de las partículas elementales ha llevado a los científicos a la conclusión de que los conceptos y principios de la física clásica son inaplicables al estudio de las propiedades físicas de las partículas más pequeñas de la materia (microobjetos), como como electrones, protones, neutrones, átomos que forman el microcosmos invisible de nosotros. Debido a indicadores físicos especiales, las propiedades de los objetos en el micromundo son completamente diferentes de las propiedades de los objetos en el macromundo al que estamos acostumbrados y del megamundo distante. De ahí surgió la necesidad de abandonar las ideas habituales que nos imponen los objetos y fenómenos del macromundo. La búsqueda de nuevas formas de describir microobjetos contribuyó a la creación del concepto de partículas elementales.
Según este concepto, los principales elementos de la estructura del micromundo son las micropartículas de materia, que no son átomos ni núcleos atómicos, no contienen ningún otro elemento y tienen las propiedades más simples. Estas partículas se denominaron elementales, es decir. el más simple, al no tener componentes.
Después de que se estableció que el átomo no es el último "ladrillo" del universo, sino que está construido a partir de partículas elementales más simples, su búsqueda ocupó el lugar principal en la investigación de los físicos. La historia del descubrimiento de las partículas fundamentales comenzó a finales del siglo XIX, cuando en 1897 el físico inglés J. Thomson descubrió la primera partícula elemental: el electrón. La historia del descubrimiento de todas las partículas elementales conocidas hoy incluye dos etapas.
La primera etapa cae entre los 30 y los 50 años. Siglo XX A principios de la década de 1930. Se descubrieron el protón y el fotón, en 1932 el neutrón y cuatro años después la primera antipartícula, el positrón, que tiene la misma masa que el electrón, pero tiene carga positiva. Al final de este período, se conocían 32 partículas elementales y cada nueva partícula se asoció con el descubrimiento de una gama fundamentalmente nueva de fenómenos físicos.
La segunda etapa tuvo lugar en la década de 1960, cuando el número total de partículas conocidas superó las 200. En esta etapa, los aceleradores de partículas cargadas se convirtieron en el principal medio de descubrimiento e investigación de partículas elementales. En los años 1970-80. El flujo de descubrimientos de nuevas partículas elementales se intensificó y los científicos empezaron a hablar de familias de partículas elementales. Actualmente, la ciencia conoce más de 350 partículas elementales, que se diferencian en masa, carga, espín, vida útil y otras características físicas.
Todas las partículas elementales tienen algunas propiedades comunes. Uno de ellos es la propiedad de la dualidad onda-partícula, es decir la presencia tanto de propiedades ondulatorias como de sustancias en todos los microobjetos.
Otra propiedad común es que casi todas las partículas (excepto el fotón y dos mesones) tienen sus propias antipartículas. Las antipartículas son partículas elementales similares a las partículas en todos los aspectos, pero que se diferencian en los signos opuestos de carga eléctrica y momento magnético. Después del descubrimiento de una gran cantidad de antipartículas, los científicos comenzaron a hablar de la posibilidad de la existencia de antimateria e incluso de antimundo. Cuando la materia entra en contacto con la antimateria, se produce el proceso de aniquilación: la transformación de partículas y antipartículas en fotones y mesones de alta energía (la materia se convierte en radiación).
Otra propiedad importante de las partículas elementales es su interconvertibilidad universal. Esta propiedad no existe ni en el macromundo ni en el megamundo.
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El concepto de materia (hyle) fue encontrado por primera vez en Platón. La materia, en su opinión, es un determinado sustrato (material) desprovisto de cualidades, a partir del cual se forman cuerpos de diversos tamaños y formas; es informe, indefinido, pasivo. Posteriormente, la materia, por regla general, se identificó con una sustancia o átomos específicos. A medida que la ciencia y la filosofía se desarrollan, el concepto de materia pierde gradualmente sus características sensualmente concretas y se vuelve cada vez más abstracto. Se pretende abarcar la infinita variedad de todo lo que realmente existe y no es reducible a la conciencia.
En la filosofía dialéctico-materialista, la materia se define como una realidad objetiva, que se nos da en sensaciones, que existe independientemente de la conciencia humana y se refleja en ella. Esta definición es la más aceptada en la literatura filosófica rusa moderna. La materia es la única sustancia que existe. Es eterno e infinito, increado e indestructible, inagotable y en constante movimiento, capaz de autoorganizarse y reflexionar. Existe - causa sui, la causa de sí mismo (B. Spinoza). Todas estas propiedades (sustancialidad, inagotabilidad, indestructibilidad, movimiento, eternidad) son inseparables de la materia y por eso se denominan sus atributos. Inseparables de la materia son sus formas: el espacio y el tiempo.
La materia es una organización sistémica compleja. Según datos científicos modernos, se pueden distinguir dos grandes niveles básicos en la estructura de la materia (el principio de división es la presencia de vida): materia inorgánica (naturaleza inanimada) y materia orgánica (naturaleza viva).
La naturaleza inorgánica incluye los siguientes niveles estructurales:
1. Las partículas elementales son las partículas más pequeñas de materia física (fotones, protones, neutrinos, etc.), cada una de las cuales tiene su propia antipartícula. Actualmente se conocen más de 300 partículas elementales (incluidas antipartículas), incluidas las llamadas “partículas virtuales”, que existen en estados intermedios durante muy poco tiempo. Un rasgo característico de las partículas elementales.
- capacidad de transformaciones mutuas.
2. Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento químico que conserva sus propiedades. Consta de un núcleo y una capa de electrones. El núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones.
3. Un elemento químico es un conjunto de átomos con la misma carga nuclear. Hay 107 elementos químicos conocidos (19 obtenidos artificialmente), a partir de los cuales se componen todas las sustancias de la naturaleza viva e inanimada.
4. Una molécula es la partícula más pequeña de una sustancia que tiene todas sus propiedades químicas. Está formado por átomos conectados por enlaces químicos.
5. Los planetas son los cuerpos más masivos del Sistema Solar y se mueven en órbitas elípticas alrededor del Sol.
6. Sistemas planetarios.
7. Las estrellas son bolas luminosas de gas (plasma), similares al Sol: contienen la mayor parte de la materia del Universo. Se forman a partir de un entorno de gas y polvo (principalmente de hidrógeno y helio).
8. Galaxias: sistemas estelares gigantes de hasta cientos de miles de millones de estrellas, en particular nuestra galaxia (Vía Láctea), que contiene más de 100 mil millones de estrellas.
9. Sistema de galaxias.
La naturaleza orgánica (biosfera, vida) tiene los siguientes niveles (tipos de autoorganización):
1. Nivel precelular: ácidos desonucleicos, ácidos ribonucleicos, proteínas. Estas últimas, sustancias orgánicas de alto peso molecular formadas a partir de 20 aminoácidos, constituyen (junto con los ácidos nucleicos) la base de la actividad vital de todos los organismos.
2. La célula es un sistema vivo elemental, base de la estructura y actividad vital de todas las plantas y animales.
3. Organismos multicelulares de flora y fauna.
- individuos o su conjunto.
4. Una población es un conjunto de individuos de una misma especie que ocupa un espacio determinado durante mucho tiempo y se reproduce a lo largo de un gran número de generaciones.
5. Biocenosis: un conjunto de plantas, animales y microorganismos que habitan un área determinada de tierra o masa de agua.
6. Biogeocenosis (ecosistema): un área homogénea de la superficie terrestre, un único complejo natural formado por organismos vivos y su hábitat.
Por tamaño, la materia se divide en tres niveles:
1. Macromundo: un conjunto de objetos cuyas dimensiones son comparables a la escala de la experiencia humana: las cantidades espaciales se expresan en milímetros, centímetros, kilómetros y el tiempo, en segundos, minutos, horas, años.
2. Micromundo: el mundo de microobjetos extremadamente pequeños, no directamente observables, cuya dimensión espacial se calcula hasta 10 (-8) - hasta 16 (-16) cm, y la vida útil desde el infinito hasta 10 (- 24) segundos.
3. Megaworld es un mundo de enormes escalas y velocidades cósmicas, cuya distancia se mide en años luz (y la velocidad de la luz es 3.000.000 km/s), y la vida útil de los objetos espaciales se mide en millones y miles de millones de años.
Éste es el punto de vista del materialismo. A diferencia de los materialistas, los idealistas niegan la materia como una realidad objetiva. Para los idealistas subjetivos (Berkeley, Mach), la materia es un “complejo de sensaciones”; para los idealistas objetivos (Platón, Hegel) es un producto del espíritu, el “otro ser” de una idea.
3. El movimiento y sus principales formas. Espacio y tiempo.
En el sentido más amplio, el movimiento aplicado a la materia es "cambio en general"; incluye todos los cambios que ocurren en el mundo. Las ideas sobre el movimiento como cambio se originaron en la filosofía antigua y se desarrollaron según dos líneas principales: materialista e idealista.
Los idealistas entienden el movimiento no como cambios en la realidad objetiva, sino como cambios en las percepciones sensoriales, ideas y pensamientos. Se intenta así pensar el movimiento sin materia. El materialismo enfatiza la naturaleza atributiva del movimiento en relación con la materia (su inseparabilidad de ella) y la primacía del movimiento de la materia en relación con los cambios en el espíritu. Así, F. Bacon defendió la idea de que la materia está llena de actividad y está íntimamente relacionada con el movimiento como propiedad innata.
El movimiento es un atributo, una propiedad integral de la materia; están estrechamente relacionados y no existen el uno sin el otro. Sin embargo, en la historia del conocimiento ha habido intentos de arrancarle este atributo a la materia. Por lo tanto, los partidarios del "energetismo", una tendencia en la filosofía y las ciencias naturales que surgió a finales del siglo XIX. - principios del siglo 20 Intentaron reducir todos los fenómenos naturales a modificaciones de energía desprovistas de base material, es decir. separar el movimiento (y la energía es una medida cuantitativa general de diversas formas de movimiento de la materia) de la materia. La energía se interpretó como un fenómeno puramente espiritual y se proclamó que esta "sustancia espiritual" era la base de todo lo que existe.
Este concepto es incompatible con la ley de conservación de la transformación de la energía, según la cual la energía en la naturaleza no surge de la nada ni desaparece; sólo puede cambiar de una forma a otra. Por tanto, el movimiento es indestructible e inseparable de la materia.
La materia está estrechamente relacionada con el movimiento y existe en la forma de sus formas específicas. Los principales son: mecánico, físico, químico, biológico y social. Esta clasificación fue propuesta por primera vez por F. Engels, pero actualmente ha sido objeto de cierta especificación y aclaración. Así, hoy existe la opinión de que las formas independientes de movimiento son geológicas, ambientales, planetarias, informáticas, etc.
La ciencia moderna está desarrollando la idea de que el movimiento mecánico no está asociado con ningún nivel estructural particular de organización de la materia. Es más bien un aspecto, una cierta sección transversal que caracteriza la interacción de varios de esos niveles. También se ha hecho necesario distinguir entre el movimiento mecánico cuántico, que caracteriza la interacción de partículas elementales y átomos, y el movimiento macromecánico de los macrocuerpos.
Las ideas sobre la forma biológica del movimiento de la materia se han enriquecido significativamente. Se aclararon las ideas sobre sus principales soportes materiales. Además de las moléculas de proteínas, se aislaron ácidos de ADN y ARN como portadores moleculares de vida.
Al caracterizar las formas de movimiento de la materia y su interrelación, es necesario tener en cuenta lo siguiente:
1. Cada forma es cualitativamente específica, pero todas están indisolublemente ligadas y, en las condiciones adecuadas, pueden convertirse repentinamente en rivales.
2. Las formas simples (inferiores) son la base de formas superiores y más complejas.
3. Las formas superiores de movimiento incluyen formas inferiores en una forma transformada. Estos últimos son secundarios en relación con la forma superior, que tiene sus propias leyes.
4. Es inaceptable reducir las formas superiores a inferiores. Así, los partidarios del mecanicismo (siglos XVII-XIX) intentaron explicar todos los fenómenos de la naturaleza y la sociedad sólo con la ayuda de las leyes de la mecánica clásica. El mecanicismo es una forma de reduccionismo, según el cual las formas superiores de organización (por ejemplo, biológica y social) pueden reducirse a formas inferiores (por ejemplo, físicas o químicas) y explicarse completamente sólo por las leyes de estas últimas (por ejemplo, darwinismo social).
El movimiento como “cambio en general” se divide no sólo por sus formas principales, sino también por tipos. La cantidad es la certeza externa de un objeto (su tamaño, volumen, tamaño, ritmo, etc.);
se trata de un cambio que se produce con un objeto sin transformarlo radicalmente (por ejemplo, una persona que camina). La calidad es una transformación radical de la estructura interna de un objeto, su esencia (por ejemplo, una muñeca mariposa, masa-pan). Un tipo especial de movimiento es el desarrollo. Se entiende por desarrollo un cambio irreversible, progresivo, cuantitativo y cualitativo en un objeto o fenómeno (por ejemplo, la vida humana, el movimiento de la historia, el desarrollo de la ciencia). Puede haber una complicación de la estructura, un aumento en el nivel de organización de un objeto o fenómeno, lo que suele caracterizarse como progreso. Si el movimiento ocurre en la dirección opuesta, de formas más perfectas a formas menos perfectas, entonces esto es regresión. La ciencia del desarrollo en su forma completa es la dialéctica.
Espacio y tiempo. El espacio es una forma de existencia de la materia, que expresa la extensión, estructura, orden de convivencia y yuxtaposición de los objetos materiales.
El tiempo es una forma de existencia de la materia, que expresa la duración de la existencia de los objetos materiales y la secuencia de cambios que ocurren con los objetos.
El tiempo y el espacio están estrechamente entrelazados. Lo que sucede en el espacio sucede simultáneamente en el tiempo, y lo que sucede en el tiempo sucede en el espacio.
En la historia de la filosofía y la ciencia han surgido dos conceptos principales de espacio y tiempo:
1. El concepto sustancial considera el espacio y el tiempo como entidades especiales e independientes que existen junto a los objetos materiales e independientemente de ellos. El espacio quedó reducido a un vacío infinito (“una caja sin paredes”) que contenía todos los cuerpos, el tiempo a una duración “pura”. Esta idea, formulada en forma general por Demócrito, recibió su conclusión lógica en el concepto de espacio y tiempo absolutos de Newton, quien creía que sus propiedades no dependen de la naturaleza de los procesos materiales que ocurren en el mundo.
2. El concepto relacional considera el espacio y el tiempo no como entidades especiales independientes de la materia, sino como formas de existencia de las cosas y sin ellas no existen en sí mismas (Aristóteles, Leibniz, Hegel).
Los conceptos sustanciales y relacionales no están asociados únicamente con una interpretación materialista o idealista del mundo; ambos se desarrollaron sobre una base u otra. El concepto materialista dialéctico de espacio y tiempo fue
formulado en el marco del enfoque relacional.
El espacio y el tiempo, como formas de existencia de la materia, tienen tanto propiedades comunes como características características de cada una de estas formas. Sus propiedades universales incluyen: objetividad e independencia de la conciencia humana, su conexión inextricable entre sí y con la materia en movimiento, el infinito cuantitativo y cualitativo, la eternidad. El espacio caracteriza la extensión de la materia, su estructura y la interacción de los elementos en los sistemas materiales. Es una condición indispensable para la existencia de cualquier objeto material. El espacio de la existencia real es tridimensional, homogéneo e isotrópico. La homogeneidad del espacio está asociada a la ausencia de puntos “seleccionados” en él de alguna forma. La isotropía del espacio significa la igualdad de cualquiera de las direcciones posibles en él.
El tiempo caracteriza la existencia material como eterna e indestructible en su totalidad. El tiempo es unidimensional (del presente al futuro), asimétrico e irreversible.
La manifestación del tiempo y el espacio es diferente en diferentes formas de movimiento, por lo que recientemente se han distinguido espacios y tiempo biológicos, psicológicos, sociales y otros.
Así, por ejemplo, el tiempo psicológico está asociado a sus estados mentales, actitudes, etc. El tiempo en una situación dada puede “ralentizarse” o, por el contrario, “acelerarse”; “vuela” o “se estira”. Esta es una sensación subjetiva del tiempo.
El tiempo biológico está asociado a los biorritmos de los organismos vivos, al ciclo del día y la noche, a las estaciones y ciclos de actividad solar. También se cree que existen muchos espacios biológicos (por ejemplo, áreas de distribución de determinados organismos o sus poblaciones).
El tiempo social, asociado al desarrollo de la humanidad, a la historia, también puede acelerar y ralentizar su ritmo. Esta aceleración es especialmente característica del siglo XX en relación con el progreso científico y tecnológico. La revolución científica y tecnológica comprimió literalmente el espacio social y aceleró increíblemente el paso del tiempo, dando un carácter explosivo al desarrollo de los procesos socioeconómicos. El planeta se ha vuelto pequeño y estrecho para la humanidad en su conjunto, y el tiempo para pasar de un extremo al otro ahora se mide en horas, lo que era simplemente impensable incluso en el siglo pasado.
En el siglo XX, a partir de descubrimientos en las ciencias naturales y exactas, se resolvió la disputa entre estos dos conceptos. Ganó el relacional. Así, N. Lobachevsky llegó a la conclusión en su geometría no euclidiana de que las propiedades del espacio no son siempre y en todas partes iguales y sin cambios, sino que cambian según las propiedades más generales de la materia. Según la teoría de la relatividad.
A. Einstein, las propiedades espaciotemporales de los cuerpos dependen de la velocidad de su movimiento (es decir, de los indicadores de materia). Las dimensiones espaciales se reducen en la dirección del movimiento a medida que la velocidad del cuerpo se acerca a la velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/s), y los procesos temporales en los sistemas que se mueven rápidamente se ralentizan. También demostró que el tiempo se ralentiza cerca de los cuerpos masivos, tal como ocurre en el centro de los planetas. Este efecto es más notorio cuanto mayor es la masa de los cuerpos celestes.
Así, la teoría de la relatividad de A. Einstein mostró una conexión inextricable entre la materia, el espacio y el tiempo.
Asunto. estructura y organización sistémica de la materia. La organización sistémica como atributo de la materia. Estructura de la materia. Niveles estructurales de organización de la materia. niveles estructurales de diversas esferas.
Asunto
Celular: organismos unicelulares que existen independientemente;
Multicelular: órganos y tejidos, sistemas funcionales (nervioso, circulatorio), organismos: plantas y animales;
El cuerpo en su conjunto;
Poblaciones (biotopo): comunidades de individuos de la misma especie que están conectados por un acervo genético común (pueden cruzarse y reproducirse en su propia especie): una manada de lobos en un bosque, un banco de peces en un lago, un hormiguero, un arbusto;
- biocenosis: un conjunto de poblaciones de organismos en las que los productos de desecho de algunos se convierten en las condiciones para la vida y existencia de otros organismos que habitan un área de tierra o agua. Por ejemplo, un bosque: las poblaciones de plantas que viven en él, así como animales, hongos, líquenes y microorganismos interactúan entre sí formando un sistema integral;
- biosfera: un sistema global de vida, esa parte del entorno geográfico (parte inferior de la atmósfera, parte superior de la litosfera y la hidrosfera), que es el hábitat de los organismos vivos y proporciona las condiciones necesarias para su supervivencia (temperatura, suelo , etc.), formado como resultado de interacciones de biocenosis.
La base general de la vida a nivel biológico es el metabolismo orgánico (intercambio de materia, energía, información con el medio ambiente), que se manifiesta en cualquiera de los subniveles identificados:
A nivel de organismos, metabolismo significa asimilación y disimilación a través de transformaciones intracelulares;
A nivel de biocenosis, consiste en una cadena de transformaciones de una sustancia inicialmente asimilada por organismos productores a través de organismos consumidores y organismos destructores pertenecientes a diferentes especies;
A nivel de la biosfera se produce una circulación global de materia y energía con la participación directa de factores a escala cósmica.
Dentro de la biosfera, comienza a desarrollarse un tipo especial de sistema material, que se forma gracias a la capacidad de trabajo de poblaciones especiales de seres vivos: la sociedad humana. La realidad social incluye subniveles: individuo, familia, grupo, colectivo, grupo social, clases, naciones, estado, sistemas de estados, sociedad en su conjunto. La sociedad existe sólo gracias a las actividades de las personas.
El nivel estructural de la realidad social se encuentra en relaciones lineales ambiguas entre sí (por ejemplo, el nivel de la nación y el nivel del Estado). El entrelazamiento de diferentes niveles de la estructura de la sociedad no significa la ausencia de orden y estructura en la sociedad. En la sociedad, podemos distinguir estructuras fundamentales, las principales esferas de la vida social: material y productiva, social, política, espiritual, etc., que tienen sus propias leyes y estructuras. Todos ellos están, en cierto sentido, subordinados, estructurados y determinan la unidad genética del desarrollo de la sociedad en su conjunto.
Así, cualquiera de las áreas de la realidad objetiva se forma a partir de una serie de niveles estructurales específicos, que se encuentran en estricto orden dentro de un área particular de la realidad. La transición de un área a otra está asociada con la complicación y el aumento en el número de factores formados que aseguran la integridad de los sistemas, es decir. la evolución de los sistemas materiales se produce en la dirección de lo simple a lo complejo, de lo inferior a lo superior.
Dentro de cada uno de los niveles estructurales existen relaciones de subordinación (el nivel molecular incluye al nivel atómico, y no al revés). Toda forma superior surge sobre la base de una inferior y la incluye en su forma superada. Esto significa, en esencia, que la especificidad de las formas superiores sólo puede conocerse sobre la base de un análisis de las estructuras de las formas inferiores. Y viceversa, la esencia de una forma de orden superior sólo puede conocerse sobre la base del contenido de una forma superior de materia en relación con ella.
Los patrones de nuevos niveles no son reducibles a los patrones de los niveles a partir de los cuales surgieron y son conducentes a un nivel dado de organización de la materia. Además, es ilegal transferir las propiedades de niveles superiores de materia a niveles inferiores. Cada nivel de materia tiene su propia especificidad cualitativa. En el nivel más alto de la materia, sus formas inferiores no se presentan en forma "pura", sino en forma sintetizada ("superada"). Por ejemplo, es imposible trasladar las leyes del mundo animal a la sociedad, aunque a primera vista parezca que en ella prevalece la “ley de la jungla”. Aunque la crueldad humana puede ser incomparablemente mayor que la crueldad de los depredadores, éstos no están familiarizados con sentimientos humanos como el amor y la compasión.
Por otro lado, los intentos de encontrar elementos de niveles superiores en niveles inferiores son infundados. Por ejemplo, un adoquín pensante. Esto es una hipérbole. Pero hubo intentos de biólogos de crear condiciones "humanas" para los monos, con la esperanza de descubrir en cien o doscientos años un antropoide (hombre primitivo) en su descendencia.
Los niveles estructurales de la materia interactúan entre sí como parte y como todo. La interacción de la parte y el todo es que uno presupone al otro, están unidos y no pueden existir el uno sin el otro. No hay todo sin una parte ni partes fuera del todo. Una parte adquiere su significado sólo a través del todo, así como el todo es la interacción de las partes.
En la interacción entre la parte y el todo, el papel determinante pertenece al todo. Sin embargo, esto no significa que las partes carezcan de su especificidad. El papel determinante del todo presupone no un papel pasivo, sino activo de las partes, destinado a garantizar la vida normal del universo en su conjunto. Al someterse al sistema general del todo, las partes conservan su relativa independencia y autonomía. Por un lado, actúan como componentes de un todo y, por otro, ellos mismos son estructuras y sistemas integrales únicos. Por ejemplo, los factores que garantizan la integridad de los sistemas en la naturaleza inanimada son las fuerzas nucleares, electromagnéticas y de otro tipo, en la sociedad: relaciones industriales, políticas, nacionales, etc.
Organización estructural, es decir la sistematicidad es la forma de existencia de la materia.
Literatura
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5. Shklovsky I.S. Estrellas, su nacimiento y muerte. M., 1975.
6. Problemas filosóficos de las ciencias naturales. M., 1985.
Actualmente, por conveniencia, se acostumbra dividir la Naturaleza unificada en tres niveles estructurales: micro, macro y megamundo. Los signos de división naturales, aunque en parte subjetivos, son los tamaños y masas de los objetos en estudio.
micromundo– el mundo de los microsistemas extremadamente pequeños, no directamente observables, con un tamaño característico de 10 a 8 cm o menos (átomos, núcleos atómicos, partículas elementales).
Macromundo– el mundo de los macrocuerpos, desde las macromoléculas (de 10 a 6 cm de tamaño y más) hasta objetos cuyas dimensiones son comparables a la escala de la experiencia humana directa: milímetros, centímetros, kilómetros, hasta el tamaño de la Tierra (la longitud de el ecuador de la Tierra es ~ 10 9 cm).
Megamundo– el mundo de los objetos de escala cósmica desde 10,9 cm hasta 10,28 cm. Este rango incluye los tamaños de la Tierra, el Sistema Solar, la Galaxia y la Metagalaxia.
Aunque los micro, macro y megamundos están estrechamente interconectados y forman un todo único, cada uno de estos niveles estructurales tiene sus propias leyes específicas: en el micromundo, las leyes de la física cuántica, en el macromundo - las leyes de las ciencias naturales clásicas, especialmente de la física clásica: mecánica, termodinámica, electrodinámica. Las leyes del megamundo se basan principalmente en la teoría general de la relatividad.
micromundo
Física atómica Incluso los antiguos griegos Leucipo y Demócrito propusieron una suposición brillante de que la materia está formada por partículas diminutas: los átomos.
Las bases científicas de la ciencia atómico-molecular se sentaron mucho más tarde en los trabajos del científico ruso. MV Lomonosov, químicos franceses L. Lavoisier Y J.Proust, químico inglés J. Dalton, físico italiano A. Avogadro y otros investigadores.
Ley periódica D.I. Mendeleev demostró la existencia de una relación natural entre todos los elementos químicos. Quedó claro que todos los átomos tenían algo en común en su núcleo. Hasta finales del siglo XIX. En química, la creencia predominante era que un átomo es la partícula indivisible más pequeña de una sustancia simple. Se creía que durante todas las transformaciones químicas, solo se destruyen y crean moléculas, mientras que los átomos permanecen sin cambios y no se pueden dividir en partes. Y finalmente, a finales del siglo XIX. Se hicieron descubrimientos que mostraron la complejidad de la estructura del átomo y la posibilidad de transformar unos átomos en otros.
Los científicos alemanes fueron los primeros en señalar la compleja estructura del átomo. GRAMO. Kirchhoff Y R.V. bunsen, estudiando los espectros de emisión y absorción de diversas sustancias. La compleja estructura del átomo fue confirmada también por experimentos sobre el estudio de la ionización, el descubrimiento y estudio de los llamados rayos catódicos y el fenómeno de la radiactividad.
GRAMO. Kirchhoff y R.V. Bunsen descubrió que cada elemento químico tiene un conjunto único y característico de líneas espectrales en sus espectros de emisión y absorción. Esto significaba que la luz era emitida y absorbida por átomos individuales y el átomo, a su vez, era un sistema complejo capaz de interactuar con un campo electromagnético.
Esto también se evidencia en el fenómeno de la ionización de los átomos, descubierto durante los estudios de electrólisis y descarga de gas. Este fenómeno sólo podría explicarse suponiendo que el átomo, durante el proceso de ionización, pierde algunas de sus cargas o adquiere otras nuevas.
La evidencia de la compleja estructura del átomo fue proporcionada por experimentos sobre el estudio de los rayos catódicos generados durante una descarga eléctrica en gases muy enrarecidos. Para observar estos rayos, se bombea la mayor cantidad de aire posible desde un tubo de vidrio en el que se sueldan dos electrodos metálicos y luego se pasa a través de él una corriente de alto voltaje. En tales condiciones, los rayos catódicos "invisibles" se propagan desde el cátodo del tubo perpendicular a su superficie, provocando un brillo verde brillante en el lugar donde inciden. Los rayos catódicos tienen la capacidad de poner en movimiento cuerpos que se mueven fácilmente y desviarse de su trayectoria original en campos magnéticos y eléctricos.
El estudio de las propiedades de los rayos catódicos llevó a la conclusión de que están formados por partículas diminutas con carga negativa. Posteriormente fue posible determinar la masa y magnitud de su carga. Resultó que la masa de las partículas y el valor de su carga no dependen ni de la naturaleza del gas que queda en el tubo, ni de la sustancia de la que están hechos los electrodos, ni de otras condiciones experimentales. Además, las partículas catódicas se conocen sólo en un estado cargado y no pueden existir sin sus cargas, no pueden convertirse en partículas eléctricamente neutras: la carga eléctrica es la esencia misma de su naturaleza. Estas partículas se llaman electrones.
En los tubos catódicos, los electrones se separan del cátodo bajo la influencia de un campo eléctrico. Pero también pueden surgir sin conexión alguna con el campo eléctrico. Por ejemplo, durante la emisión de electrones, los metales emiten electrones; durante el efecto fotoeléctrico, muchas sustancias también emiten electrones. La liberación de electrones por una amplia variedad de sustancias indicó que estas partículas forman parte de todos los átomos sin excepción. Esto llevó a la conclusión de que los átomos son formaciones complejas construidas a partir de componentes más pequeños.
En 1896, mientras estudiaba la luminiscencia de diversas sustancias, AUTOMÓVIL CLUB BRITÁNICO. Becquerel Descubrió accidentalmente que las sales de uranio se emiten sin iluminación previa. Esta radiación, que tiene un gran poder de penetración y incide sobre una placa fotográfica envuelta en papel negro, recibió el nombre de radiación radiactiva. Más tarde se descubrió que se compone de partículas α pesadas cargadas positivamente, partículas β ligeras negativas (electrones) y radiación γ eléctricamente neutra.
El descubrimiento del electrón puede considerarse el comienzo del nacimiento de la física atómica, que llevó a intentos de construir modelos atómicos. Dado que el electrón tiene una carga negativa y el átomo en su conjunto es estable y eléctricamente neutro, era natural suponer la presencia de partículas cargadas positivamente en el átomo.
Los primeros modelos del átomo basados en los conceptos de la mecánica clásica y la electrodinámica aparecieron en 1904: el autor de uno de ellos fue un físico japonés. Hantaro Nagaoka, el otro pertenecía al físico inglés J. Thomson- el autor del descubrimiento del electrón.
X. Nagaoka presentó la estructura del átomo como similar a la estructura del sistema solar: el papel del Sol lo desempeña la parte central del átomo cargada positivamente, alrededor de la cual los "planetas", los electrones, se mueven en forma de anillo establecida. órbitas. Con ligeros desplazamientos, los electrones excitan ondas electromagnéticas.
En el modelo del átomo de J. Thomson, la electricidad positiva se "distribuye" sobre una esfera en la que están incrustados electrones. En el átomo de hidrógeno más simple, el electrón se encuentra en el centro de una esfera cargada positivamente. En los átomos multielectrónicos, los electrones están dispuestos en configuraciones estables calculadas por J. Thomson. Thomson creía que cada configuración determina ciertas propiedades químicas de los átomos. Intentó explicar teóricamente el sistema periódico de elementos de D.I.
Pero pronto resultó que nuevos hechos experimentales refutan el modelo de Thomson y, por el contrario, dan testimonio a favor del modelo planetario. Estos hechos han sido establecidos E. Rutherford en 1912. En primer lugar, cabe señalar que descubrió el núcleo atómico. Para revelar la estructura del átomo, Rutherford sondeó el átomo utilizando partículas alfa, que surgen durante la desintegración del radio y algunos otros elementos radiactivos. Su masa es aproximadamente 8000 veces la masa de un electrón y su carga positiva es igual en magnitud al doble de la carga del electrón.
En los experimentos de Rutherford, un haz de partículas α cayó sobre una fina lámina hecha del material en estudio (oro, cobre, etc.). Después de atravesar la lámina, las partículas α chocan contra una pantalla recubierta con sulfuro de zinc. La colisión de cada partícula con la pantalla estuvo acompañada de centelleo(destello de luz) que se pudo observar. En ausencia de lámina, apareció en la pantalla un círculo brillante formado por centelleos causados por el haz de partículas. Pero cuando se colocó una lámina en el camino del haz, contrariamente a lo esperado, las partículas α experimentaron muy poca dispersión sobre los átomos de la lámina y se distribuyeron en la pantalla dentro de un círculo de un área ligeramente mayor.
También resultó completamente inesperado que un pequeño número de partículas α (aproximadamente una entre veinte mil) se desviaran en ángulos superiores a 90°, es decir, prácticamente volviendo. Rutherford se dio cuenta de que una partícula α cargada positivamente podía ser lanzada hacia atrás sólo si la carga positiva del átomo y su masa se concentraban en una región muy pequeña del espacio en los átomos objetivo. Entonces a Rutherford se le ocurrió la idea. núcleo atómico- un cuerpo de pequeño tamaño en el que se concentra casi toda la masa y toda la carga positiva del átomo.
Contando el número de partículas α dispersas en ángulos grandes, Rutherford pudo estimar el tamaño del núcleo. Resultó que el núcleo tiene un diámetro del orden de
10 –12 –10 –13 cm (para diferentes núcleos). El tamaño del átomo en sí es de aproximadamente 10 a 8 cm, es decir. 10 - 100 mil veces más grande que el tamaño del núcleo. Posteriormente, fue posible determinar con precisión la carga del núcleo. Si tomamos la carga de un electrón como una, entonces la carga del núcleo resulta ser exactamente igual al número de este elemento químico en la tabla periódica de elementos D.I. Mendeleev.
Los experimentos de Rutherford dieron como resultado directo el modelo planetario del átomo con un núcleo atómico cargado positivamente. Teniendo en cuenta que el átomo en su conjunto debe ser eléctricamente neutro, se debe concluir que el número de electrones intraatómicos, al igual que la carga del núcleo, es igual al número ordinal del elemento en la tabla periódica. También es obvio que los electrones no pueden estar en reposo dentro de un átomo, ya que caerían sobre él debido a la atracción del núcleo positivo. Por lo tanto, deberían moverse alrededor del núcleo como los planetas alrededor del Sol. Esta naturaleza del movimiento de los electrones está determinada por la acción de las fuerzas eléctricas de Coulomb por parte del núcleo.
En un átomo de hidrógeno, sólo un electrón orbita alrededor del núcleo. El núcleo de un átomo de hidrógeno tiene una carga positiva igual en magnitud a la carga de un electrón y una masa aproximadamente 1836 veces mayor que la masa del electrón. Este núcleo fue nombrado por Rutherford. protón y comenzó a ser considerada como una partícula elemental.
El tamaño de un átomo está determinado por el radio orbital de sus electrones. Un modelo planetario del átomo bastante claro, como ya se mencionó, es una consecuencia directa de los resultados experimentales de Rutherford sobre la dispersión de partículas alfa en átomos de materia.
Sin embargo, pronto quedó claro que un modelo tan simple contradice las leyes de la electrodinámica, de lo que se deduce que el modelo del átomo de Rutherford es un sistema inestable y un átomo del diseño especificado no puede existir durante mucho tiempo. El hecho es que el movimiento de los electrones en órbitas circulares se produce con aceleración, y una carga acelerada, de acuerdo con las leyes de la electrodinámica de Maxwell, debe emitir ondas electromagnéticas (ω, una frecuencia igual a la frecuencia de su revolución alrededor del núcleo). La radiación va acompañada de una pérdida de energía. Al perder energía, los electrones deben acercarse al núcleo, del mismo modo que un satélite se acerca a la Tierra al frenar en la atmósfera superior.
En realidad, sin embargo, esto no sucede. Los átomos son estables y pueden existir indefinidamente sin emitir ninguna onda electromagnética.
El científico danés N. Bohr encontró una salida a esta situación. Llegó a la radical conclusión de que las leyes de la mecánica y la electrodinámica clásicas no son aplicables en absoluto en el microcosmos y, en particular, en el átomo. Sin embargo, para preservar el modelo planetario del átomo de Rutherford, formuló dos postulados (los postulados de Bohr) que iban en contra tanto de la mecánica clásica como de la electrodinámica clásica. Estos postulados sentaron las bases para teorías fundamentalmente nuevas del micromundo: la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica (teoría cuántica del campo electromagnético). Al fundamentar sus postulados, Bohr se basó en la idea de la existencia de cuantos de campo electromagnético, propuesta en 1900 por M. Planck y luego desarrollada por A. Einstein (para explicar el efecto fotoeléctrico).
Los postulados de Bohr son los siguientes: un electrón puede moverse alrededor del núcleo no en ninguna órbita, sino sólo en aquellas que satisfacen determinadas condiciones derivadas de la teoría cuántica. Estas órbitas se llaman sostenible, o cuántico, orbita. Cuando un electrón se mueve a lo largo de una de las órbitas estables que le son posibles, no irradia. La transición de un electrón de una órbita distante a una órbita más cercana va acompañada de una pérdida de energía.
La energía perdida por el átomo durante cada transición se convierte en un cuanto de energía radiante. La frecuencia de la luz emitida en este caso está determinada por los radios de las dos órbitas entre las que se produce la transición electrónica. Cuanto mayor es la distancia desde la órbita en la que se encuentra el electrón a la órbita a la que se mueve, mayor será la frecuencia de la radiación.
El átomo más simple es el átomo de hidrógeno: sólo un electrón gira alrededor del núcleo. Con base en los postulados anteriores, Bohr calculó los radios de las posibles órbitas de este electrón y encontró que están relacionados como los cuadrados de los números naturales: 1: 2: : 3: ... : PAG. Magnitud PAG tengo el nombre número cuántico principal. El radio de la órbita más cercana al núcleo en un átomo de hidrógeno es de 0,53 angstroms. Las frecuencias de las radiaciones calculadas a partir de esto, que acompañan las transiciones de un electrón de una órbita a otra, resultaron ser exactamente las mismas que las frecuencias encontradas experimentalmente para las líneas del espectro del hidrógeno. De este modo se demostró la exactitud del cálculo de las órbitas estables (estacionarias) del átomo de hidrógeno y, al mismo tiempo, la aplicabilidad de los postulados de Bohr para tales cálculos.
Posteriormente, la teoría de Bohr se amplió a la estructura atómica de otros elementos. Sin embargo, la ampliación de la teoría a átomos y moléculas multielectrónicos encontró dificultades. Cuanto más intentaban los teóricos describir el movimiento de los electrones en un átomo multielectrónico y determinar sus órbitas, mayores eran las discrepancias entre los resultados y los datos experimentales. Durante el desarrollo de la teoría cuántica, quedó claro que estas discrepancias son de naturaleza fundamental y están asociadas con las llamadas propiedades ondulatorias del electrón.
El caso es que en 1924 Louis de Broglie extendió el dualismo onda-partícula del campo electromagnético, conocido entonces, a las partículas materiales del micromundo (átomos, electrones, protones, etc.). Recordemos que según su idea las partículas que tienen masa, carga, etc. también tienen propiedades ondulatorias. En este caso, la longitud de onda de De Broglie (λ) está relacionada con el momento de la partícula. R y es igual a
λ = h/ð, Dónde h- Constante de Planck.
La idea de De Broglie encontró una brillante confirmación en los experimentos de K. Davisson y L. Germer (1927), en los que se observó el fenómeno de la difracción de electrones. – un ejemplo clásico de fenómeno ondulatorio.
Desarrollando ideas ondulatorias de partículas del micromundo, E. Schrödinger Creó un modelo matemático de ondas del átomo en la forma de la ahora famosa ecuación diferencial de ondas de Schrödinger:
El análisis de la ecuación de onda de Schrödinger demostró que se puede utilizar para determinar todas las energías discretas posibles. mi p en un átomo. Además, se descubrió que la función de onda no permite determinar con absoluta precisión la posición de los electrones en los átomos, que se extienden formando una especie de “nube”; Por tanto, solo podemos hablar de la probabilidad de encontrar electrones en un lugar u otro del átomo, que se caracteriza por el cuadrado de la amplitud de la onda.
Teniendo en cuenta las leyes de la mecánica ondulatoria cuántica, queda claro por qué era imposible describir con precisión la estructura de un átomo basándose en ideas sobre las órbitas de Bohr de los electrones en un átomo. Tales órbitas localizadas con precisión en los átomos simplemente no existen, y la buena concordancia entre el cálculo de las órbitas de los electrones en el átomo de hidrógeno, de acuerdo con la teoría de Bohr y los datos experimentales, se debe al hecho de que solo para el átomo de hidrógeno las órbitas de los electrones de Bohr coincidieron bien. con las curvas de densidad de carga media calculadas según la teoría cuántica de Schrödinger. Para átomos multielectrónicos no se observa tal coincidencia.
Actualmente, se basa en la mecánica cuántica, así como en la electrodinámica cuántica, la teoría cuántica del campo electromagnético, desarrollada en 1927. PENSILVANIA. Dirac, fue posible explicar muchas características del comportamiento de los sistemas atómico-moleculares multielectrónicos. En particular, fue posible resolver la cuestión más importante sobre la estructura de los átomos de varios elementos y establecer la dependencia de las propiedades de los elementos de la estructura de las capas electrónicas de sus átomos. Actualmente se han desarrollado esquemas para la estructura de los átomos de todos los elementos químicos, que permiten explicar muchas de las propiedades físicas y químicas de los elementos.
Recordemos que el número de electrones que giran alrededor del núcleo de un átomo corresponde al número ordinal del elemento en la tabla periódica de D.I. Mendeleev. Los electrones están dispuestos en capas. Cada capa tiene una cierta cantidad de electrones que la llenan o, por así decirlo, la saturan. Los electrones de la misma capa se caracterizan por valores de energía cercanos, es decir están aproximadamente al mismo nivel de energía. Toda la capa de un átomo se desintegra en varios niveles de energía ( norte). Los electrones de cada capa posterior tienen un nivel de energía más alto que los electrones de la capa anterior. Número máximo de electrones ( norte), que puede estar en un nivel de energía dado (n), está determinado por la fórmula N = 2n 2, es decir en el primer nivel (n=1) puede haber dos electrones, el segundo (norte = 2)– ocho electrones, en el tercero (n= 3)- dieciocho.
Los electrones de la capa exterior, al ser los más alejados del núcleo y, por tanto, menos unidos al núcleo, pueden desprenderse del átomo y unirse a otros átomos, pasando a formar parte de la capa exterior de este último. Los átomos que han perdido uno o más electrones quedan cargados positivamente porque la carga del núcleo atómico excede la suma de las cargas de los electrones restantes. Por el contrario, los átomos que han ganado electrones quedan cargados negativamente. Las partículas cargadas producidas se llaman iones. Muchos iones, a su vez, pueden perder o ganar electrones, convirtiéndose en átomos eléctricamente neutros o nuevos iones con diferente carga.
Resumiendo la consideración de los principales resultados de los enfoques de la mecánica cuántica a la estructura y estructura de los átomos, observamos lo siguiente . El estado de cada electrón en un átomo se caracteriza por cuatro números cuánticos: norte, l, t, s:
1) norte – Lo esencial El número cuántico caracteriza la energía de un electrón en la órbita correspondiente ( norte);
2)yo – orbital número cuántico, caracteriza la forma de la órbita (nube de electrones) y puede variar en un átomo de 0 a norte = 1;
3)t– magnético número cuántico, caracteriza la orientación de las órbitas (nubes de electrones) en el espacio y puede tomar valores de +1 a –1;
4)s–girar El número cuántico caracteriza la rotación de un electrón alrededor de su propio eje y solo puede tomar dos valores: s= ±1/2.
Según uno de los principios más importantes de la mecánica cuántica, el principio de Pauli, un átomo no puede tener electrones para los cuales los cuatro números cuánticos sean iguales. En el marco de la mecánica cuántica, D.I. explicó completamente tanto la estructura de los átomos como los cambios en las propiedades de los elementos químicos en la tabla periódica. Mendeleev.
La aplicación de la mecánica cuántica a los campos físicos también resultó fructífera. Se construyó una teoría cuántica del campo electromagnético: la electrodinámica cuántica, que reveló una serie de leyes fundamentales del micromundo. Entre ellas se encuentran las leyes más importantes de la transformación mutua de dos tipos de sustancias materiales (material y materia de campo) entre sí.
tomó su lugar en las filas de las partículas elementales fotón– una partícula de un campo electromagnético que no tiene masa en reposo. La síntesis de la mecánica cuántica y la relatividad especial llevó a la predicción de la existencia antipartículas. Resultó que cada partícula debe tener su propio "doble". – otra partícula con la misma masa pero con carga eléctrica o de otro tipo opuesta. El físico inglés P.A. Dirac – fundador de la teoría relativista del campo de astas – predijo la existencia del positrón y la posibilidad de convertir un fotón en un par electrón-positrón y viceversa. El positrón, la antipartícula del electrón, fue descubierto experimentalmente en 1934. K.D. anderson en rayos cósmicos.
Física nuclear.Según los conceptos modernos, los núcleos atómicos de los elementos están formados por protones y neutrones. Los primeros indicios de que la composición de los núcleos incluye protones (núcleos de átomos de hidrógeno) fueron obtenidos por Rutherford en 1919 como resultado de su nuevo (después del descubrimiento de la estructura del átomo) sensacional descubrimiento: la división del núcleo atómico bajo la Influencia de las partículas α y la producción de nuevos elementos químicos como resultado de la primera reacción nuclear artificial.
En una de sus versiones de experimentos utilizando una cámara de niebla llena de nitrógeno, dentro de la cual había una fuente radiactiva de radiación, Rutherford obtuvo fotografías de pistas de partículas α, al final de las cuales había una ramificación característica: una "bifurcación". ”. De un lado de la “bifurcación” daba un camino corto y del otro, uno largo. La larga pista tenía las mismas características que las huellas observadas anteriormente por Rutherford durante el bombardeo de átomos de hidrógeno con partículas alfa.
Esta fue la primera vez que se expresó la idea de que los núcleos de hidrógeno son parte integral de los núcleos de otros átomos. Posteriormente, Rutherford propuso el término “protón” para este componente del núcleo.
El esquema de reacción de Rutherford se puede representar de la siguiente manera: una partícula α ingresa al núcleo atómico de nitrógeno y es absorbida por él. El núcleo intermedio del isótopo de flúor que se forma en este caso resulta inestable: expulsa un protón de sí mismo, convirtiéndose en el núcleo del isótopo de oxígeno.
En 1932 D.D. Ivanenko publicó una nota en la que sugería que, junto con el protón, el neutrón es también un elemento estructural del núcleo. En 1933, fundamentó el modelo protón-neutrón del núcleo y formuló la tesis principal de que el núcleo contiene sólo partículas pesadas: protones y neutrones. En este caso, ambas partículas pueden transformarse entre sí. Más protón Y neutrón Comenzaron a ser considerados como dos estados de una partícula. nucleón.
Y en el mismo 1933. J. Chadwick Probó experimentalmente la existencia de neutrones en los núcleos atómicos. Irradió una placa de berilio con partículas alfa y estudió la reacción de transformación del berilio (Be) en carbono (C) con la emisión de un neutrón n).
Los neutrones emitidos por el berilio se dirigieron a una cámara de niebla llena de nitrógeno (N), y cuando un neutrón golpeó un protón de un átomo de nitrógeno, se formaron un núcleo de boro (B) y partículas α.
El neutrón en sí no produce una huella en la cámara de niebla, pero a partir de las huellas del núcleo de boro y la partícula α se puede calcular que esta reacción es causada por una partícula neutra con una masa de una unidad de masa atómica, es decir, neutrón. Tenga en cuenta que un neutrón libre no existe por mucho tiempo, es radiactivo, su vida media es de aproximadamente 8 minutos, después de lo cual se convierte en un protón, emitiendo una partícula β (electrón) y un neutrino. Después del descubrimiento del neutrón, el modelo protón-neutrón de la estructura de los núcleos atómicos de D.D. Ivanenko se ha vuelto universalmente reconocido.
Todas las reacciones nucleares van acompañadas de la emisión de determinadas partículas elementales. Los productos de las reacciones nucleares resultan radiactivos, se llaman isótopos artificialmente radiactivos. El fenómeno de la radiactividad artificial fue descubierto en 1934 por famosos físicos franceses. Federico Y Irene Joliot-Curie.
Al igual que las sustancias radiactivas naturales, los isótopos radiactivos producidos artificialmente emiten radiaciones conocidas α, β y γ. Pero además de las radiaciones enumeradas, Frederic e Irene Joliot-Curie descubrieron un nuevo tipo de radiactividad: la emisión de electrones positrones positivos.
Esto se demostró por primera vez utilizando una cámara de niebla al bombardear ciertos elementos ligeros (berilio, boro, aluminio) con partículas alfa, como resultado de lo cual se creó artificialmente toda una serie de nuevos isótopos radiactivos, nunca antes observados en la naturaleza. Un ejemplo de formación de un isótopo radiactivo de positrones es la reacción de bombardeo de aluminio con partículas α. Y en este caso, el núcleo de aluminio emite un neutrón y se convierte en el núcleo de un isótopo radiactivo de fósforo, que a su vez emite un positrón. β + , se convierte en un isótopo estable de silicio.
A escala industrial, los isótopos radiactivos artificiales suelen producirse mediante irradiación (principalmente neutrones) de los elementos químicos correspondientes en reactores nucleares.
Después de que se estableció que los núcleos de los átomos están formados tanto por protones como por neutrones, la teoría del núcleo atómico se desarrolló aún más en la dirección de estudiar las interacciones de las partículas dentro del núcleo, así como la estructura de los núcleos atómicos de varios elementos. .
Debajo están Información básica sobre las propiedades y estructura de los núcleos.
1. Centro Llamada parte central del átomo, en la que se concentra casi toda la masa del átomo y su carga eléctrica positiva. Todos los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones, que se consideran dos estados de carga de una partícula: el nucleón.
Protón tiene una carga eléctrica positiva igual en valor absoluto a la carga del electrón mi=1,6 –19 C y masa en reposo t r ~ 1,6726 10 – 27 kilogramos.
Neutrón no tiene carga eléctrica, su masa es ligeramente mayor que la masa de un protón - tp= 1,6749 10 –27 kg.
La masa de los núcleos de partículas elementales suele expresarse en unidades de masa atómica (uma). La unidad de masa atómica se considera 1/12 de la masa del isótopo de carbono: 1 uma. = 1,66 · 10 –27 kg. Por eso, t r= 1,00728 uma, a tp= 1,00866 uma
2. Depósito se llama cantidad Ze, Dónde mi– la magnitud de la carga del protón; Z es el número de serie de un elemento químico en la tabla periódica de Mendeleev, igual al número de protones en el núcleo.
Actualmente, se conocen núcleos con números de serie Z = 1 a Z = 114. Para los núcleos ligeros, se conoce la relación del número de neutrones. (NORTE) al número de protones (Z) cercano o igual a la unidad. Para los núcleos de elementos químicos ubicados al final de la tabla periódica, la relación N/Z = 1,6.
3. Número total de nucleones en el núcleo. A= norte+ z llamado número de masa. A los nucleones (protones y neutrones) se les asigna un número másico igual a uno. Núcleos con el mismo z, pero diferente A son llamados isótopos. Núcleos que, con el mismo A tienen Z diferentes, se llaman isobaras. Los núcleos de los elementos químicos suelen indicarse con el símbolo. .X, A, Z donde X– símbolo de un elemento químico; A- número de masa; Z – número atómico.
En total, se conocen unos 300 isótopos estables de elementos químicos y más de 2.000 isótopos radiactivos producidos de forma natural y artificial.
Todos los isótopos de un elemento químico tienen la misma estructura de capas de electrones. Por tanto, los isótopos de un elemento determinado tienen las mismas propiedades químicas. Ahora se ha establecido que la mayoría de los elementos químicos que se encuentran en la naturaleza son una mezcla de isótopos. Por lo tanto, las masas atómicas de los elementos indicados en la tabla periódica a menudo difieren significativamente de los números enteros.
4. El tamaño del núcleo se caracteriza por el radio del núcleo, que tiene un significado convencional debido a la difuminación de los límites del núcleo. Fórmula empírica para el radio del núcleo. R= RA, Dónde R=(1,3/1,7)10 –15 m, puede interpretarse como la proporcionalidad del volumen del núcleo al número de nucleones que contiene.
5. Las partículas nucleares tienen sus propios momentos magnéticos, que determinan el momento magnético del núcleo. (Rtt) generalmente. La unidad de medida de los momentos magnéticos de los núcleos es magnetón nuclear μ I = eh,/2tp, Dónde mi– valor absoluto de la carga del electrón; h- Constante de Planck; t r– masa de protones. magnetón nuclear μ el veneno es 1836,5 veces menor que el momento magnético de un electrón en un átomo, lo que significa que las propiedades magnéticas de un átomo están determinadas por las propiedades magnéticas de sus electrones.
6. La distribución de la carga eléctrica de los protones sobre el núcleo es generalmente asimétrica. La medida de la desviación de esta distribución esféricamente simétrica es Momento eléctrico cuadripolar del núcleo Q. Si se supone que la densidad del núcleo es la misma en todas partes, entonces q determinado únicamente por la forma del núcleo.
Los nucleones que forman el núcleo están conectados entre sí mediante fuerzas especiales de atracción: las fuerzas nucleares. La estabilidad de los núcleos atómicos de la mayoría de los elementos indica que las fuerzas nucleares son excepcionalmente fuertes: deben exceder las importantes fuerzas repulsivas de Coulomb que actúan entre protones ubicados a distancias del orden de 10 a 13 cm (del orden del tamaño del núcleo). ). Las fuerzas nucleares son fuerzas de un tipo especial asociadas con la existencia de un tipo especial de materia dentro del núcleo: campo nuclear.
Actualmente, se ha aceptado la teoría del mesón de las fuerzas nucleares, según la cual los nucleones interactúan entre sí mediante el intercambio de partículas elementales especiales, mesones π, cuantos del campo nuclear.
La presencia de partículas de intercambio en el núcleo, los mesones, fue predicha teóricamente por primera vez por un científico japonés. Hidoki Yukawa en 1936, y luego descubierto en rayos cósmicos en 1947.
Características generales de las fuerzas nucleares. se reduce a lo siguiente.
1. Las fuerzas nucleares son fuerzas de corto alcance. Aparecen sólo a distancias muy pequeñas entre los nucleones del núcleo del orden de 10 – 15 m. La longitud (1,5 ÷ 2,2) –10 – 15 m se llama. gama de fuerzas nucleares.
2. Las fuerzas nucleares exhiben independencia de carga: la atracción entre dos nucleones es la misma independientemente del estado de carga de los nucleones: protón o nucleón. La independencia de carga de las fuerzas nucleares es visible al comparar las energías en núcleos especulares (este es el nombre que se les da a los núcleos en los que el número total de nucleones es el mismo, pero el número de protones en uno es igual al número de neutrones en el otro).
3. Las fuerzas nucleares tienen una propiedad de saturación, que se manifiesta en el hecho de que un nucleón en un núcleo interactúa sólo con un número limitado de nucleones vecinos más cercanos a él. Por eso existe una dependencia lineal de las energías de enlace de los núcleos con respecto a su número de masa. A. En la partícula α, que es una formación muy estable, se logra una saturación casi completa de las fuerzas nucleares.
Los nucleones están fuertemente unidos al núcleo por fuerzas nucleares. Para romper esta conexión, es decir. Para una separación completa de los nucleones, se debe realizar un trabajo importante. La energía necesaria para separar los nucleones que forman el núcleo se llama Energía de enlace nuclear. La magnitud de la energía de enlace se puede determinar basándose en la ley de conservación de la energía y la ley de proporcionalidad de la masa y la energía de acuerdo con la fórmula de Einstein. mi = ts 2.
Según la ley de conservación de la energía, la energía de los nucleones unidos en un núcleo debe ser menor que la energía de los nucleones separados por la cantidad de energía de enlace ε 0. Por otro lado, según la ley de proporcionalidad de masa y energía, el cambio en la energía del sistema ΔW debe ir acompañado de un cambio proporcional en la masa del sistema por Δm, aquellos. ΔW = Δmc2, Dónde Con– velocidad de la luz en el vacío.
Ya que en este caso ΔW es la energía de enlace del núcleo, entonces la masa del núcleo atómico debe ser menor que la suma de las masas de los nucleones que componen el núcleo por la cantidad Δm, Lo que es llamado defecto de masa central. De la relación ΔW = Δmc 2 Es posible calcular la energía de enlace de un núcleo si se conoce el defecto de masa de este núcleo. Δm.
Como ejemplo, calculemos la energía de enlace del núcleo de un átomo de helio. Está formado por dos protones y dos neutrones. masa de protones t r= 1,0073 uma, masa de neutrones – tp= 1,0087 uma Por tanto, la masa de nucleones que forman el núcleo es igual a 2tr + 2tp = 4,0320 uma La masa del núcleo de un átomo de helio es t i = 4.0016 uma Por tanto, el defecto de masa del núcleo atómico de helio es igual a Δm= 4,0320 – 4,0016 = 0,03 uma, o Δmetro = 0,03 1,66 10~ 27 = 5 10~ 29 kg. Entonces la energía de enlace del núcleo de helio.
ΔW = Δmc 2=510-29 9-10 16 J=28 MeV.
La fórmula general para calcular la energía de enlace de cualquier núcleo (en julios) será:
ΔW = c 2 (- t yo),
donde Z es el número atómico; A - número de masa.
La energía de enlace de un núcleo por nucleón se llama energía de enlace específica (ε ). Por lo tanto, ε= ΔW/A(energía de enlace específica) caracteriza la estabilidad de los núcleos atómicos. Cuanto mayor es s, más estable es el núcleo.
En la Fig. La Figura 1 presenta los resultados de los cálculos de energías de enlace específicas para diferentes átomos (dependiendo de los números de masa). A).
Del gráfico de la Fig. 2.2 se deduce que la energía de enlace específica es máxima (8,65 MeV) para núcleos con números de masa del orden de 100. Para núcleos pesados y ligeros es algo menor (por ejemplo, 7,5 MeV para uranio y 7 MeV para helio), para En el núcleo atómico del hidrógeno, la energía de enlace específica es cero, lo cual es comprensible, porque en este núcleo no hay nada que separar: consta de un solo nucleón (protón).
a.e.m.
Arroz. 1. Dependencia de energías de enlace específicas de los números de masa
Toda reacción nuclear va acompañada de la liberación o absorción de energía. Al fisionar núcleos pesados con números másicos. A Se liberan alrededor de 100 (o más) energía nuclear.
La liberación de energía nuclear también ocurre durante tipos de reacciones nucleares, cuando varios núcleos ligeros se combinan (síntesis) en un solo núcleo. Por tanto, la liberación de energía nuclear se produce tanto durante las reacciones de fisión de núcleos pesados como durante las reacciones de fusión de núcleos ligeros. Cantidad de energía nuclear Δ ε liberado por cada núcleo reaccionado es igual a la diferencia entre la energía de enlace ε del producto de reacción y la energía de enlace del material nuclear original.
Relación ∆E∆t>ħ/2 significa que la conversión de energía con precisión ∆E debe tomar un intervalo de tiempo igual a al menos ∆t~ ħ/∆E. Esta relación es responsable del ancho natural de las líneas espectrales de átomos e iones. La vida útil del estado excitado de los átomos es del orden t~10 -8 ÷10 -9 s. En consecuencia, la incertidumbre en la energía de tales estados es ∆E~ ħ/t, que corresponde al ancho natural de las líneas espectrales. Si la incertidumbre energética ∆E ~ ħ/∆t corresponde a la energía de alguna partícula ( mс 2, hv), a esta partícula, habiendo surgido de la “nada”, puede estar en un estado virtual durante el tiempo ∆t sin violar la ley de conservación de la energía. En la teoría cuántica de campos moderna, la interacción de partículas y sus transformaciones mutuas se consideran como el nacimiento o la absorción de partículas virtuales por cada partícula real. Cualquier partícula emite o absorbe continuamente partículas virtuales de diferentes tipos. Así, por ejemplo, la interacción electromagnética es el resultado de un intercambio fotones virtuales, gravitacional – gravitones. El campo de fuerza nuclear está determinado por virtual π–mesones. Se crea una interacción débil. bosones vectoriales(descubierto en 1983 en el CERN, Suiza-Francia). Y el portador de una interacción fuerte es gluones(de la palabra inglesa que significa "pegamento"). La relación de incertidumbre limita la aplicabilidad de la mecánica clásica a los microobjetos. Provocó numerosas discusiones filosóficas. Las coordenadas de una partícula y su impulso, el cambio de energía y el tiempo durante el cual ocurrió este cambio se denominan cantidades mutuamente complementarias. La obtención de información experimental sobre algunas cantidades físicas que describen una micropartícula está inevitablemente asociada a la pérdida de información sobre otras cantidades, adicionales a la primera. Esta afirmación, formulada por primera vez por el físico danés N. Bohr, se llama El principio de complementariedad. Bohr explicó el principio de complementariedad mediante la influencia de un dispositivo de medición, que siempre es un dispositivo macroscópico, sobre el estado de un microobjeto. Sin embargo, desde el punto de vista de la teoría cuántica moderna, los estados en los que cantidades mutuamente complementarias tendrían simultáneamente valores definidos con precisión son fundamentalmente imposibles. El principio de complementariedad refleja las propiedades objetivas de los sistemas cuánticos que no están relacionadas con la existencia de un observador, y la función del dispositivo de medición es "preparar" un determinado estado del sistema. Cualquier nueva teoría que pretenda proporcionar una descripción más profunda de la realidad física y un rango de aplicación más amplio que la antigua debe incluir la anterior como caso limitante. Así, la mecánica relativista (teoría especial de la relatividad) en el límite de bajas velocidades se convierte en mecánica newtoniana. En mecánica cuántica principio de correspondencia Requiere que sus consecuencias físicas en el caso límite coincidan con los resultados de la teoría clásica. El principio de correspondencia revela que los efectos cuánticos sólo son significativos cuando se consideran microobjetos, cuando las dimensiones de la acción son comparables a la constante de Planck. Desde un punto de vista formal, el principio de correspondencia significa que, en el límite ħ → 0 descripción de la mecánica cuántica de los objetos físicos debe ser equivalente a la clásica. La importancia del principio de correspondencia va más allá de la mecánica cuántica– será una parte integral de cualquier nuevo esquema teórico. En la física moderna, el término "partículas elementales" generalmente no se usa en su significado exacto, sino de manera menos estricta para nombrar un gran grupo de pequeñas partículas de materia que no son átomos ni núcleos atómicos (la excepción es el protón). La propiedad más importante de todas las partículas elementales es la capacidad de nacer y destruirse (emitida y absorbida) al interactuar con otras partículas. Ahora el número total de partículas elementales conocidas por la ciencia (junto con las antipartículas) se acerca a 400. Algunas de ellas son estables y existen en la naturaleza en estado libre o débilmente ligadas. Se trata de electrones, protones, neutrones, fotones y varios tipos de neutrinos.
Todas las demás partículas elementales son extremadamente inestables y se forman en rayos cósmicos secundarios o se obtienen en el laboratorio. El método principal de su generación son las colisiones de partículas rápidas y estables, durante las cuales parte de la energía cinética inicial se convierte en energía en reposo de las partículas resultantes. (por regla general, no coincidentes con los que chocan).
Las características comunes de todas las partículas elementales son la masa. metro, toda la vida t, girar j y carga eléctrica Q.
Según su vida útil, las partículas elementales se dividen en estables, cuasi estables e inestables (resonancias). Estables dentro de la precisión de las mediciones modernas son el electrón (t > 5 10 21 años), el protón (t > 5 10 31 años), el fotón y el neutrino. Las partículas cuasi estables incluyen partículas que se desintegran debido a interacciones electromagnéticas y débiles; sus vidas son t > 5 · 10 -20 s. Un ejemplo de partícula cuasi estable es el neutrón.
Se desintegra debido a interacciones débiles, la vida media es de 15,3 minutos: 
.
Las resonancias son partículas elementales que se desintegran debido a fuertes interacciones; sus tiempos de vida característicos son t~ 10 -22 - 10 -24 s.
Las cargas eléctricas de las partículas elementales son múltiplos enteros de mi≈1,6-10 -19 C, llamada carga eléctrica elemental (carga electrónica). Para partículas elementales conocidas Q = 0, ±1, ±2.
El espín de las partículas elementales es un múltiplo entero o semientero de la constante de Planck. ħ.
Las partículas con espín semientero se llaman fermiones. Los fermiones incluyen leptones (como electrones y neutrinos) y bariones, que consiste en quarks (por ejemplo, protones y neutrones). Los sistemas de fermiones se describen. Estadística cuántica de Fermi-Dirac. Los fermiones obedecen al principio de exclusión de Pauli y en un estado cuántico determinado un sistema de fermiones no puede contener más de una partícula. Los fermiones forman estructuras materiales.
Las partículas con espín entero o cero se llaman bosones. Los bosones incluyen partículas con masa en reposo cero (fotón, gravitón), así como mesones, formado por quarks (por ejemplo, mesones π). Se describen sistemas de tales partículas. Estadísticas de Bose-Einstein. Los bosones no obedecen el principio de exclusión de Pauli y no existen restricciones sobre el número de partículas que pueden estar en un determinado estado cuántico. Forman un campo de interacción (según la teoría cuántica de campos) entre fermiones.
Por ejemplo, las estructuras materiales están formadas por electrones y nucleones (protones y neutrones que forman los núcleos de los átomos), y el campo electromagnético de interacción entre ellos está formado por fotones (más precisamente, fotones virtuales) (Fig. 2).
Fig. 2. Clasificación de partículas elementales.
Los mesones y bariones están formados por quarks y, por tanto, tienen un nombre común: hadrones. Todos los hadrones conocidos constan de un par quark-antiquark (mesones) o de tres quarks (bariones). Los quarks y antiquarks se mantienen dentro de los hadrones mediante el campo de gluones. Los quarks se diferencian en "sabor" y "color". Cada quark puede estar en uno de tres estados de color: rojo, azul y amarillo. En cuanto a los “sabores”, se conocen 5 y se supone la presencia de un sexto. Los sabores de los quarks se indican con letras. u, d, s, c, b, t, que corresponden a palabras en inglés arriba, abajo, extraño, encantado, hermoso Y verdad. Además, cada quark tiene su correspondiente antiquark. A pesar de muchos años de búsqueda, nunca se ha registrado un solo quark de forma libre. Los quarks sólo se pueden observar dentro de los hadrones.
La física de partículas se basa en el concepto de interacciones fundamentales: gravitacional, electromagnética, fuerte y débil.
La interacción electromagnética se debe al intercambio de fotones, que están mejor estudiados que otros bosones. La fuente de fotones es una carga eléctrica. La interacción gravitacional está asociada con partículas aún hipotéticas: gravitones. Los bosones neutros (Z 0) y cargados (W + ,W –) son portadores de la interacción débil entre electrones, protones, neutrones y neutrinos. Los portadores de la interacción fuerte son gluones . Parecen unir quarks en hadrones. Las fuentes de los gluones son las llamadas cargas "de color". No tienen nada que ver con los colores comunes y se denominan así para facilitar la descripción. Cada uno de los seis sabores de quarks se presenta en tres variedades de colores: amarillo, azul o rojo. (f, s, k respectivamente). Las antigüedades también llevan anti-cargas de colores. Es importante destacar que las tres cargas y las tres anticargas son completamente independientes de los sabores de los quarks. Así, en la actualidad, el número total de quarks y antiquarks (incluidos tres colores y seis sabores) ha llegado a 36. Además, hay nueve gluones más, como los quarks, que no se observan en estado libre.
La existencia de quarks y gluones conduce al surgimiento de un nuevo estado de la materia, que se llama plasma de quarks-gluones.
Se trata de un plasma que no consta de electrones e iones, como el plasma ordinario, sino de quarks y gluones, que interactúan débilmente entre sí o no interactúan en absoluto.
Una de las principales tareas de la microfísica, cuya solución soñaba A. Einstein, es la creación de una teoría de campo unificada que uniría todas las interacciones fundamentales conocidas. La creación de tal teoría significaría un avance fundamental en todas las áreas de la ciencia.
Hasta la fecha, se ha creado y reconocido una teoría que combina dos interacciones fundamentales: débil y electromagnética. Se llama una teoría unificada de la interacción débil y electromagnética (electrodébil) y afirma que existen partículas especiales: portadoras de interacción entre electrones, protones, neutrones y neutrinos. Estas partículas, llamadas bosones W + , W – y Z°, fueron predichos teóricamente en los años 70. el siglo pasado y descubierto experimentalmente en 1983.
La teoría de la interacción fuerte se llama Cromodinámica cuántica. Esta teoría, que describe la interacción de quarks y gluones, sigue el modelo de la electrodinámica cuántica, que, a su vez, describe las interacciones electromagnéticas causadas por el intercambio de fotones. A diferencia de los fotones eléctricamente neutros, los gluones son portadores de cargas de “color”. Esto lleva al hecho de que al intentar separarlos en el espacio, aumenta la energía de interacción. Como resultado, los gluones y los quarks no existen en estado libre: están “autoencerrados” dentro de los hadrones.
La teoría moderna de las partículas elementales, que consta de las teorías de la interacción electrodébil y la cromodinámica cuántica, suele denominarse modelo estandar. Esta teoría fenomenológica compleja, pero casi completa, es la principal herramienta teórica con la que se resuelven los problemas de la microfísica.
“Gran Unificación” es el nombre que se le da a los modelos teóricos basados en la idea de la naturaleza unificada de las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. Está diseñado para unir todas las partículas existentes: fermiones, bosones y partículas escalares. En el marco de la teoría de la Gran Unificación, se explican bien muchos fenómenos muy importantes, en particular, como la asimetría de gluones observada en el Universo, la pequeña masa en reposo de los neutrinos distinta de cero, la cuantificación de la carga eléctrica y la existencia de soluciones como como monopolos magnéticos de Dirac. Según los últimos datos, la vida media de los protones es de más de 1,6 10 33 años. Demostrar que el protón es inestable sería un descubrimiento de fundamental importancia. Sin embargo, esta decadencia aún no se ha registrado. Los científicos esperan que un mayor desarrollo de los modelos de "Gran Unificación" conduzca a la unificación de todas las interacciones, incluidas las gravitacionales (superunificación). Pero esto es una cuestión para el futuro.
En microfísica, se conoce una cierta longitud fundamental que juega un papel importante, llamada longitud de Planck o gravitacional. l g= 1,6 –33 cm. Se cree que en la naturaleza no existen longitudes inferiores a la de Planck. Junto con el tiempo de Planck t g ~ 1,6 10 –43 s constituyen cuantos de espacio-tiempo, que deben formar la base de la futura teoría cuántica de la gravedad. Según el académico V.L. Ginzburg, significado físico de la longitud l g es que a escalas más pequeñas ya no es posible utilizar la teoría relativista clásica de la gravedad y, en particular, la teoría de la relatividad general (GR), cuya construcción fue completada por Einstein en 1915.
Actualmente, el “parámetro de impacto” más pequeño logrado con los aceleradores modernos es l f ~ 10 –17 cm Por tanto, podemos concluir que hasta las distancias. l f ~ 10–17 cm y veces l f /c ~ 10 –27 s las coordenadas espacio-temporales existentes son válidas. Significado l f diferente del valor l g en hasta 16 órdenes de magnitud, por lo que la cuestión de la longitud fundamental sigue siendo relevante para la ciencia.
En la primera mitad del siglo XX, cuando los objetos de estudio de la microfísica eran el átomo y luego el núcleo atómico, para comprender el comportamiento de los electrones en los átomos era necesario hacer una verdadera revolución en la ciencia: crear la tecnología cuántica. mecánica. La microfísica ocupó entonces un lugar muy especial en las ciencias naturales. Gracias a sus éxitos, pudimos comprender la estructura de la materia. La microfísica es la base de la ciencia física moderna.
Macromundo
Del micromundo al macrocosmos. La teoría de la estructura atómica dio a la química la clave para comprender la esencia de las reacciones químicas y el mecanismo de formación de compuestos químicos: un nivel molecular más complejo de organización de la materia material en comparación con la forma atómica elemental.
La mecánica cuántica hizo posible resolver la cuestión muy importante de la disposición de los electrones en un átomo y establecer la dependencia de las propiedades de los elementos de la estructura de las capas de electrones. Actualmente se han desarrollado esquemas para la estructura de los átomos de todos los elementos químicos. Al construirlos, los científicos partieron de consideraciones generales sobre la estabilidad de diversas combinaciones de electrones. Y, naturalmente, la ley periódica de D.I. Mendeleev.
Al desarrollar diagramas de la estructura de los átomos de los elementos, se tuvo en cuenta lo siguiente:
1) se asumió que el número de electrones en un átomo es igual a la carga del núcleo atómico, es decir el número de serie del elemento en la tabla periódica;
2) toda la capa de electrones se desintegra en varias capas correspondientes a ciertos niveles de energía (n = 1, 2,3,4,...);
3)en todos los niveles PAG no puede haber más norte electrones, donde norte= 2п 2 ;
4) el estado de cada electrón en un átomo está determinado por un conjunto de cuatro números cuánticos pag, l, t Y s.
Según el principio de Pauli, todos los electrones de un átomo se diferencian entre sí en al menos un número cuántico. En un átomo no hay dos electrones cuyos números cuánticos sean todos iguales; de acuerdo con estos supuestos, se construyeron diagramas simplificados de la estructura de los átomos para los tres primeros períodos de la tabla periódica.
A pesar de la convencionalidad y simplicidad de estos esquemas, son suficientes para explicar las propiedades más importantes de elementos y compuestos.
Entonces, por ejemplo, en el primer nivel de energía ( n = 1, l = 0, t = 0) sólo puede haber dos electrones, que difieren en sus números cuánticos de espín (s= ±1/2). Otros electrones en norte = No puede haber 1. Esto corresponde al hecho de que si hay un electrón en el primer nivel, entonces se trata de un átomo de hidrógeno; si hay dos electrones, entonces es un átomo de helio. Ambos elementos ocupan la primera fila de la tabla periódica.
La segunda fila de la tabla periódica está ocupada por elementos cuyos electrones se encuentran en el segundo nivel de energía ( PAG= 2). Puede haber un total de ocho electrones en el segundo nivel de energía. (N=2· 2 2).
De hecho, cuando PAG= 2 pueden ocurrir los siguientes estados de los electrones: si l = 0 y t= 0, entonces puede haber dos electrones con espines opuestos; Si l = 1, entonces t puede tomar tres valores (t= –1; 0; +1), y cada valor t También corresponde a dos electrones con espines diferentes. Por tanto, habrá ocho electrones en total.
La segunda fila de elementos de la tabla periódica, en la que se agrega secuencialmente un electrón en el segundo nivel de energía, es litio, berilio, boro, carbono, nitrógeno, oxígeno, flúor y neón.
En el número cuántico principal PAG= 3 yo puede tomar tres valores ( yo=0; 1; 2), y todos yo coincide con múltiples valores T. en yo= 0 t= 0; en yo~ 1 t= –1; 0; +1; en l=2t=–2; -1; 0; yo 1; +2 (figura 2.4).
Ya que puede haber nueve valores en total T, y a cada estado t Corresponde a dos electrones con valores diferentes. s =±1/2, pero sólo en el tercer nivel de energía (norte = 3) tal vez 18 electrones (N=2· Z2).
La tercera fila de la tabla periódica corresponde al llenado secuencial del nivel de energía exterior de los elementos desde el sodio hasta el argón (sodio, magnesio, aluminio, silicio, fósforo, azufre, cloro, argón) con electrones.
Niveles de energía y posibles estados de los electrones en un átomo: las posibles órbitas en las que un electrón en un átomo se mueve alrededor del núcleo se pueden representar en forma de círculos (A), cada uno de los cuales se ajusta exactamente a un número entero de longitudes de onda de luz igual a la número cuántico principal PAG. Un análogo bidimensional de un átomo puede describirse mediante dos números cuánticos, mientras que un átomo real se caracteriza por tres números cuánticos.
Las siguientes filas de la tabla periódica corresponden a reglas más complejas para llenar los niveles externos de los átomos con electrones, ya que a medida que aumenta el número total de electrones, comienzan a aparecer en los átomos interacciones colectivas entre diferentes grupos de electrones ubicados en diferentes niveles de energía. Esto lleva a la necesidad de tener en cuenta una serie de efectos más sutiles.
El esclarecimiento de la estructura de las capas electrónicas de los átomos también influyó en la estructura del propio sistema periódico, cambiando algo la división de los elementos en períodos que existía hasta entonces. En las tablas anteriores, cada período comenzaba con un gas inerte, quedando el hidrógeno fuera de los períodos. Pero ahora ha quedado claro que el nuevo período debe comenzar con el elemento en cuyo átomo aparece por primera vez una nueva capa de electrones en forma de un electrón de valencia (hidrógeno y metales alcalinos) y terminar con el elemento en cuyo átomo esta capa tiene ocho. electrones, formando una estructura electrónica muy fuerte característica de los gases inertes.
La teoría de la estructura atómica también resolvió la cuestión de la posición de las tierras raras en la tabla periódica, que, debido a su gran similitud entre sí, no podían distribuirse en diferentes grupos. Los átomos de estos elementos se diferencian entre sí en la estructura de una de las capas electrónicas internas, mientras que el número de electrones en la capa externa, de la que dependen principalmente las propiedades químicas del elemento, es el mismo. Por esta razón, todos los elementos de tierras raras (lantánidos) ahora se colocan fuera de la tabla general.
Sin embargo, el significado principal de la teoría de la estructura atómica fue revelar el significado físico de la ley periódica, que, en la época de Mendeleev, aún no estaba claro. Basta mirar la tabla de disposición de los electrones en los átomos de elementos químicos para convencerse de que con cargas crecientes núcleos atómicos Las mismas combinaciones de electrones en la capa exterior del átomo se repiten constantemente. Por tanto, se producen cambios periódicos en las propiedades de los elementos químicos debido a retornos periódicos a las mismas configuraciones electrónicas.
Intentemos establecer con mayor precisión cómo dependen las propiedades químicas de los átomos de la estructura de las capas de electrones.
Consideremos primero el cambio en las propiedades a lo largo de los períodos. Dentro de cada período (excepto el primero), las propiedades metálicas, más pronunciadas en el primer período del período, se debilitan gradualmente durante la transición a los períodos posteriores y dan paso a propiedades metaloides: al comienzo del período hay un metal típico, en al final, un metaloide típico (no metal) y después, un gas inerte.
El cambio regular en las propiedades de los elementos a lo largo de los períodos se puede explicar de la siguiente manera. La propiedad más característica de los metales desde un punto de vista químico es la capacidad de sus átomos para ceder fácilmente electrones externos y convertirse en iones cargados positivamente, mientras que los metaloides, por el contrario, se caracterizan por la capacidad de ganar electrones para formar iones negativos. .
Para extraer un electrón de un átomo y transformar este último en un ion positivo, es necesario gastar algo de energía, lo que se llama potencial de ionización.
El potencial de ionización tiene el valor más bajo para los elementos que comienzan el período, es decir para hidrógeno y metales alcalinos, y el mayor para elementos que finalizan el período, es decir para gases inertes. Su valor puede servir como medida de la mayor o menor "metalicidad" de un elemento: cuanto menor sea el potencial de ionización, más fácil será extraer un electrón de un átomo y más pronunciadas deben ser las propiedades metálicas del elemento.
La magnitud del potencial de ionización depende de tres razones: la magnitud de la carga nuclear, el radio del átomo y un tipo especial de interacción entre los electrones en el campo eléctrico del núcleo causado por sus propiedades ondulatorias. Evidentemente, cuanto mayor es la carga del núcleo y menor el radio del átomo, más fuerte es la atracción del electrón hacia el núcleo y mayor es el potencial de ionización.
Para elementos del mismo período, durante la transición de un metal alcalino a un gas inerte, la carga nuclear aumenta gradualmente y el radio atómico disminuye. La consecuencia de esto es un aumento gradual del potencial de ionización y un debilitamiento de las propiedades metálicas. En los gases nobles, aunque los radios de sus átomos son mayores que los radios de los átomos de halógeno en el mismo período, los potenciales de ionización son mayores que los de los halógenos. En este caso, el tercero de los factores mencionados anteriormente, la interacción entre electrones, se ve fuertemente afectado, como resultado de lo cual la capa electrónica externa de un átomo de gas inerte tiene una estabilidad energética especial, y extraer un electrón de ella requiere significativamente mas energia.
La unión de un electrón a un átomo de metaloide, transformando su capa electrónica en una capa estable de un átomo de gas inerte, va acompañada de la liberación de energía. La magnitud de esta energía, cuando se calcula por 1 átomo gramo de un elemento, sirve como medida de la llamada afinidad electronica. Cuanto mayor es la afinidad electrónica, más fácilmente un átomo une un electrón. La afinidad electrónica de los átomos metálicos es cero: los átomos metálicos no son capaces de unir electrones. La afinidad electrónica de los átomos de metaloides es mayor cuanto más cerca está el metaloide de un gas inerte en la tabla periódica. Por lo tanto, dentro de un período, las propiedades de los metaloides aumentan a medida que se acerca el final del período.
En la vida cotidiana no tenemos que lidiar con átomos. El mundo que nos rodea está construido a partir de objetos formados a partir de una cantidad gigantesca de átomos en forma de sólidos, líquidos y gases. Por tanto, nuestro siguiente paso debería ser estudiar cómo los átomos interactúan entre sí para formar moléculas y luego materia macroscópica. Incluso la personalidad humana (y en general el comportamiento de todos los organismos vivos) es el resultado de diferencias en las estructuras de moléculas gigantes que transportan información genética.
Las moléculas están formadas por átomos idénticos o diferentes conectados entre sí mediante enlaces químicos interatómicos. La estabilidad de las moléculas indica que los enlaces químicos son causados por fuerzas de interacción que unen los átomos en una molécula.
Las fuerzas de interacción interatómica surgen entre los electrones externos de los átomos. Los potenciales de ionización de estos electrones son mucho más bajos que los de los electrones ubicados en niveles de energía internos.
Encontrar fórmulas específicas de compuestos químicos se simplifica enormemente si se utiliza el concepto de valencia de elementos, es decir, propiedad de sus átomos de unirse a sí mismos o reemplazar un cierto número de átomos de otro elemento.
El concepto de valencia se aplica no solo a átomos individuales, sino también a grupos enteros de átomos que forman parte de compuestos químicos y participan en conjunto en reacciones químicas. Estos grupos de átomos se llaman radicales.
Bases físicas de los enlaces químicos en las moléculas de materia.. Sin embargo, la naturaleza de las fuerzas que determinan los enlaces entre los átomos en las moléculas permaneció desconocida durante mucho tiempo. Sólo con el desarrollo de la doctrina de la estructura del átomo aparecieron teorías que explicaban el por qué de las diferentes valencias de los elementos y el mecanismo de formación de compuestos químicos basándose en conceptos electrónicos. Todas estas teorías se basan en la existencia de una conexión entre los fenómenos químicos y eléctricos.
Detengámonos, en primer lugar, en la relación de las sustancias con la corriente eléctrica.
Algunas sustancias son conductoras de corriente eléctrica, tanto sólidas como líquidas: son, por ejemplo, todos los metales. Otras sustancias no conducen corriente en estado sólido, pero son conductoras de electricidad cuando están fundidas. Estos incluyen la gran mayoría de las sales, así como muchos óxidos e hidratos de óxidos. Finalmente, el tercer grupo está formado por sustancias que no conducen corriente ni en estado sólido ni líquido. Esto incluye casi todos los metaloides.
La experiencia ha establecido que la conductividad eléctrica de los metales se debe al movimiento de electrones, y la conductividad eléctrica de las sales fundidas y compuestos similares se debe al movimiento de iones con cargas opuestas. Por ejemplo, cuando la corriente pasa a través de la sal de mesa fundida, los iones de sodio con carga positiva Na + se mueven hacia el cátodo y los iones de cloro con carga negativa Cl – se mueven hacia el ánodo. Es obvio que en las sales los iones ya existen en una sustancia sólida; la fusión sólo creará las condiciones para su libre circulación. Por lo tanto, tales compuestos se denominan Compuestos iónicos. Las sustancias que prácticamente no conducen corriente no contienen iones: están formadas por moléculas o átomos eléctricamente neutros. Por tanto, la diferente proporción entre sustancias y corriente eléctrica es consecuencia del diferente estado eléctrico de las partículas que forman estas sustancias.
Los tipos de sustancias anteriores corresponden a dos tipos diferentes de enlaces químicos:
a) enlace iónico, también llamado electrovalente (entre iones con cargas opuestas en compuestos iónicos);
b) enlace atómico o covalente (entre átomos eléctricamente neutros en las moléculas de todas las demás sustancias).
Enlace iónico Este tipo de enlace existe entre iones con cargas opuestas y se forma como resultado de la simple atracción electrostática de los iones entre sí.
Los iones positivos se forman eliminando electrones de los átomos, los iones negativos se forman añadiendo electrones a los átomos.
Por ejemplo, el ion positivo Na+ se forma cuando se elimina un electrón del átomo de sodio. Dado que en la capa exterior del átomo de sodio sólo hay un electrón, es natural suponer que es este electrón, por ser el más alejado del núcleo, el que se separa del átomo de sodio cuando éste se convierte en un ion. De manera similar, los iones de magnesio Mg 2+ y aluminio A1 3+ se obtienen como resultado de la abstracción de dos y tres electrones externos de los átomos de magnesio y aluminio, respectivamente.
Por el contrario, los iones negativos de azufre y cloro se forman añadiendo electrones a estos átomos. Dado que las capas electrónicas internas de los átomos de cloro y azufre están llenas, es evidente que en la capa exterior debían ocupar su lugar electrones adicionales en los iones S 2 y Cl-.
Comparando la composición y estructura de las capas electrónicas de los iones Na +, Mg 2+, A1 3+, vemos que todos estos iones tienen los mismos, los mismos que los de los átomos del gas inerte neón (Ne).
Al mismo tiempo, los iones S 2 y Cl – , formados como resultado de la adición de electrones a átomos de azufre y cloro, tienen las mismas capas electrónicas que los átomos de argón (Ar).
Así, en los casos considerados, cuando los átomos se transforman en iones, las capas electrónicas de los iones se vuelven similares a las capas de los átomos de los gases inertes que se encuentran más cerca de ellos en la tabla periódica.
La teoría moderna del enlace químico explica
