Основные структурные уровни материи. Структурные уровни организации материи

01.02.2024 |

До сих пор мы опирались в основном на признаки развития, изменения, движения, как это обычно делает физика. При этом выделялась функция предметов или явлений. Для того, чтобы не погрешить против истины, следует использовать также категорию, парную категории “функция”. Она носит название “структура”. При рассмотрении структуры важнейшей является концепция классификации.

Практически любой науке на начальных этапах ее развития приходится упорядочивать накопленные экспериментальные факты. Концепция классификации была разработана именно с этой целью. На протяжении многих лет эта концепция составляла основу биологии. Биология была наукой описательной, и основное свое внимание уделяла классификации живого. Классификация также широко использовалась в химии. Для примера можно привести периодическую систему элементов. В законченном виде концепция классификации была сформулирована математикой.

Классификации могут быть подвергнуты элементы какого-либо множества. Они называются объектами классификации. Классифицируют по классификационному признаку. С использованием этого признака объекты группируются в классы.

В зависимости от выбора классификационного признака объекты могут быть сгруппированы по-разному. Так, население нашей страны можно группировать по национальному признаку, а можно по имущественному. Тогда, например, в класс неимущих попадут люди различной национальности.

Классы имеют иерархическую структуру . Разбив множество на классы, можно любой из них разделить на подклассы, используя другой классификационный признак. Подклассы в свою очередь снова могут быть разделены на подклассы. Такое деление может производиться неограниченно. В результате получим дерево классов. Оно схематически изображено на рис. 6. Так, сформированный по национальному признаку класс русских может по имущественному признаку быть подразделен на подклассы бедных, богатых и людей умеренного достатка. Подкласс богатых в свою очередь можно подразделить по половому признаку на подклассы мужчин и женщин и т. д.

Существенным в классификации является то, что класс должен включать в себя все объекты, обладающие данным признаком классификации. Это свойство класса получило название “инкапсуляция”. Говорят, что класс инкапсулирует в себе все элементы, обладающие данным признаком. Сформировав класс “русские”, мы должны быть уверены, что никто из русских не был отнесен, например, к классу “немцы” и наоборот.

Кроме того, каждый класс должен быть связан со всеми своими подклассами так, что каждый подкласс обладает свойствами породившего его класса. Эта связь называется наследованием свойств родительского класса. В нашем предыдущем примере объекты подкласса “женщины”, подкласса “богатые”, класса “русские” наследуют все признаки породивших их классов. Иначе говоря, они являются богатыми русскими женщинами.

Объекты любого класса или подкласса равноправны применительно к классификационному признаку. Однако это не исключает их индивидуальных различий. Так, все объекты класса “русские” имеют одну и ту же национальность (классификационный признак), но различаются по росту, весу, цвету глаз и многому другому. Наличие индивидуальных различий между объектами класса называется полиморфизмом.

Неожиданное применение идея классификации получила в области информационных технологий. Как известно, современные информационные технологии разрабатывают масштабные проекты. Так, трудозатраты на создание Windows 95 (проект “Чикаго”) составили около 500 человеко-лет. Программные пакеты создаются большими коллективами программистов. При этом встает вопрос совместимости программного кода, написанного различными программистами в рамках одного проекта. С этой целью используют методы классификации. Их программной реализацией стали так называемые объектно-ориентированные языки программирования.

Категория структуры в современном естествознании

Объектом изучения большинства естественных наук являются материальные системы. Материальной системой называют относительно обособленную часть материального мира, имеющую свои внутренние законы существования и развития. Примерами материальной системы могут служить Солнечная система, колония микроорганизмов, отдельный атом, человечество и т. д.

Количество материальных систем, изучаемых естествознанием, огромно. Простейшим признаком их классификации может служить размер этих систем.

Наименьшими известными сегодня являются так называемые элементарные частицы. Слово “элементарные” предполагает простоту этих частиц, их неразложимость на составляющие. В настоящее время положение об элементарности каких бы то ни было природных объектов активно оспаривается. Поэтому все чаще как в популярной, так и в научной литературе для обозначения мельчайших природных объектов можно встретить термин “фундаментальные частицы”. Чтобы не создавать путаницу, мы по-прежнему будем пользоваться ставшим обиходным термином “элементарные частицы”, подразумевая при этом их возможную неэлементарность.

Долгое время науке была известна только одна элементарная частица — электрон. На сегодняшний день их открыты уже десятки. Такая ситуация потребовала классификации известных элементарных частиц. Трудности с выбором подходящего классификационного признака при этом оказались почти непреодолимыми. В качестве простейшего классификационного признака, по аналогии тем, как это делалось в периодической системе элементов, была выбрана масса элементарных частиц. Такая классификация оказалась не совсем удачной, однако, несмотря на свое несовершенство, часто используется и поныне.

По массе элементарные частицы подразделяют на пять классов: фотоны, лептоны, мезоны, барионы и гипероны.

Фотоны — световые частицы, не имеют массы покоя и классифицируются по энергии. Низкоэнергетические — составляют радиоизлучение. Фотоны средних энергий считают световыми. И, наконец, фотоны высоких энергий получили название гамма-квантов.

К классу лептонов относятся легкие частицы. Их типичным представителем является электрон. Масса лептона имеет величину порядка 10-30 кг.

Примерно в 200 раз тяжелее лептонов представители класса мезонов. Среди них наиболее известны пи-мезоны, ответственные за внутриядерные взаимодействия.

В тысячи раз тяжелее лептонов барионы — тяжелые частицы. Типичными представителями барионов являются протон и нейтрон — основные структурные единицы, составляющие атомное ядро.

Последний из классов составляют гипероны. Это сверхтяжелые частицы, имеющие малые сроки жизни. Сегодня они представляют интерес в основном для специалистов в области физики высоких энергий.

Следующий за элементарными частицами структурный уровень занимают атомные ядра. Роль этих неощутимо маленьких материальных систем в жизни современного общества трудно преувеличить, поэтому атомным ядрам и связанным с ними проблемам мы посвятим особое рассмотрение.

Атомные ядра входят в качестве составных частей в элементы следующего структурного уровня организации материи. Он получил название атомного. Атомы представляют собой основные структурные элементы, рассматриваемые современной химией. Они известны под названием химических элементов.

Идея первоэлементов — атомов — в естествознании не нова. Ее широко обсуждали еще античные философы. Однако в прошлом атомами называли минимальные качественно неизменные составные части вещества. Сейчас мы называем такие части молекулами. Идея атомной структуры вещества настолько глубоко проникла в нашу жизнь, что кажется невероятным то, что всего двести — триста лет тому назад она с трудом пробивала себе дорогу в научном сообществе.

Множество атомов весьма обширно. Предпринимались многочисленные попытки их классификации. Одна из них, предпринятая Д. И. Менделеевым, оказалась особенно успешной. Он обнаружил, что химические свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомного веса. Без преувеличения можно сказать, что сделанное им открытие заложило фундамент современной химии.

Атомы объединяются в материальные системы следующего уровня, именуемые молекулами. Мир молекул весьма многообразен и не имеет четких границ. Сюда относятся как простейшие неорганические молекулы, так и органические макромолекулы.

Особенно ярко концепция структурных закономерностей проявляется в органической химии. Обнаружено существование органических соединений, имеющих одинаковый химический состав, но различные свойства. Это различие обусловлено структурными особенностями таких соединений. В качестве примера можно привести два вида молекул синтетического сахара. Эти молекулы представляют собой зеркальные копии друг друга. В результате структурного различия различаются их оптические свойства.

Примечательно, что природный сахар, равно как и молекулы других природных органических соединений, содержит молекулы только одного из двух симметричных видов. Причина этого до сих пор не выяснена.

Элементарные частицы, атомы и молекулы составляют особую материальную систему. Она получила название “микромир” в отличие от макромира. Макромир — это мир предметов, среди которых мы живем.

Внутри макромира также можно выделить несколько материальных систем. В основном их изучает биология и социальные науки.

Отдельные планеты в силу их относительной обособленности также можно считать материальными системами. Более высокий уровень имеют планетные и звездные системы. Они объединяются в системы более высокого уровня — галактики. И, наконец, известные нам галактики принято считать частями материальной системы наивысшего уровня — метагалактики. Мир планет, звезд, галактик получил название “мегамир”.

Итак, среди материальных систем, рассматриваемых современным естествознанием, выделяются микро-, макро- и мегамиры.

Макромир — это мир, в котором мы живем. Это мир окружающих нас предметов. Он включает в себя все от микроорганизмов до складок земной коры.

Микромир — включает в себя фундаментальные (элементарные) частицы, атомы и молекулы. В проблемах микромира современная наука ищет ключи к тайнам макромира. Похоже, что на смену Лапласовскому детерминизму постепенно приходит квантовый детерминизм — уверенность в том, что все явления макромира могут быть объяснены исходя из правильного понимания законов микромира. Здесь нелишне заметить, что микро- и макромиры представляют собой хотя и взаимосвязанные, но все-таки относительно независимые макроскопические системы.

Мегамир — охватывает собой доступную для нас часть Вселенной. Его объектами являются галактики, звезды, планеты, туманности. Это объекты изучения не только современной астрономии, но и недавно возникших естественных наук — астрофизики, астробиологии, космологии и, как это ни странно, физики высоких энергий (так теперь называют физику элементарных частиц). Обратите внимание, как удивительнейшим образом смыкаются проблемы большого и малого, элементарных частиц и величественных галактик.

Тело человека является частью макромира. Сознанием же он в состоянии охватить все три мира от ничтожной частицы до величественной галактики. В этом смысле можно уверенно сказать, что человек живет одновременно в трех мирах.

Особенности биологического уровня развития материи

Изучение биологического уровня развития материи прежде всего сталкивается с вопросом о сущности живого. Большая Советская энциклопедия определяет жизнь как высшую по сравнению с физической и химической форму существования материи, закономерно возникающую при определённых условиях в процессе её развития. Будучи правильным по существу, это определение не дает конструктивных подходов к выделению живого из неживого. Опираясь на это определение, невозможно, скажем, определить, представляет ли наша планета живое существо, как считал знаменитый фантаст Конан Дойль, или же это глыба косной материи, несущаяся в космосе.

Классическая биология выделяет шесть признаков, полный набор которого отличает живое от неживого.
  • Особенность химического состава. Живое обязательно должно включать в себя белки и нуклеиновые кислоты.
  • Обмен веществом и информацией с окружающей средой. Живые организмы — открытые системы.
  • Способность к воспроизведению, наличие признаков, передаваемых по наследству.
  • Устойчивость. Способность к развитию и эволюции.
  • Способность к саморегуляции и, как следствие, приспособляемость к внешней среде.
  • Раздражимость. Способность к взаимодействию со средой обитания.

Следует заметить, что перечисленные признаки, невзирая на их популярность, являются спорными. Так, на протяжении многих лет обсуждается возможность неуглеродных форм жизни. К. Э. Циолковский предполагал возможность жизни на основе кремния. Впрочем, образцы неуглеродной жизни до сих пор не были обнаружены.

Спорным является также вопрос о природе вирусов. Находясь внутри клетки-носителя, вирус проявляет все отличительные признаки живого. Однако вне этой клетки вирус не способен к размножению и, следовательно, не может считаться живым.

Характерным для живого является иерархическая структура. Основание ее составляют нуклеиновые кислоты. Важнейшую роль среди них играет дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), которую считают носителем наследственной информации. Молекулы ДНК входят в структуры, которые благодаря своей специфической окрашиваемости получили название “хромосомы”. Полный набор хромосом входит в ядро клетки и удивительным образом связан с признаками, наследуемыми ею.

Клетка представляет собой следующий иерархический уровень живого. В простейшем случае весь организм может состоять из одной живой клетки.

Большинство живых организмов состоят из многих клеток. Однако между организмом и простым конгломератом клеток имеются существенные различия. Клетки живого организма обладают специализацией. Так, клетки ваших костей — остеоны, как по виду, так и по функциям существенно отличаются от нервных клеток — нейронов. Кроме специализации клетки живого организма взаимосвязаны, обеспечивая ему возможность адаптации к окружающей среде и способность к саморегуляции и самовосстановлению.

Организмы одного вида составляют биологическую систему, именуемую популяцией. Отдельные популяции в процессе своей жизнедеятельности могут поддерживать друг друга. Набор таких взаимно поддерживающих друг друга популяций образует биологические сообщества. Большие биологические сообщества совместно со средой их обитания образуют биогеоценозы. Совокупность всех живых существ, обитающих на Земле, образуют биосферу.

Человеческая популяция в свою очередь подразделяется на социальные системы. При классификации по территориальному признаку она подразделяется на государства. Если же проводить классификацию по производственным отношениям, то в популяции можно выделить различные социальные классы. Это, например, класс собственников средств производства — капиталистов и класс неимущих — пролетариат. Впрочем, социальная классификация этим не ограничивается.

Особенности социальной организации человеческих сообществ побудили выдающегося отечественного ученого В. И. Вернадского выделить еще одну материальную систему, получившую название “ноосфера” — сфера разума.

Современная биология не ограничивается выделением структурных единиц и классификацией. Значительным успехом биологической науки явилось создание эволюционной теории, предложившей удовлетворительную трактовку изменяемости видов. Механизм эволюции предлагает современная генетика, достигшая на сегодняшний день значительных успехов.

1. Структурные уровни организации материи

В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все то, что не дано нам в ощущениях. Весь окружающий нас мир - это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. В этом мире все объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.

Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем - неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура - это совокупность связей между элементами системы. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являют ся горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями - вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир - область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир - мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.

Мегамир - сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

На каждом из этих уровней действуют свои специфические закономерности, несводимые друг к другу. Хотя все эти три сферы мира теснейшим образом связаны между собой.

Структура мегамира

Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Планеты - несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.

Звезды - светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики. Число звезд в Галактике - порядка триллиона. Самые многочисленные из них - карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы звёзды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

Белый карлик - это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность - 10 т/см 3 , т.е. в сотни раз больше земной плотности.

Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, поскольку он состоит из протонов и нейтронов. Нейтронные звезды также называют пульсарами.

Черные дыры - это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (10 15 г) и аномально сильным гравитационным полем. Свое название они получили потому, что не обладают свечением, а за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».

Звездные системы (звездные скопления) - группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Существуют рассеянные звездные системы, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие системы не имеют правильной формы. В настоящее время известно более тысячи

звездных систем. Кроме того, к звездным системам относятся шаровые звездные скопления, насчитывающие в своем составе сотни тысяч звезд. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В настоящее время ученым известно около 150 шаровых скоплений.

Галактики - совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин (от греч. «молоко, молочный») был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную Млечным Путем.

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80%) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17%) включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3%) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Наша Солнечная система принадлежит к галактике Млечного Пути, включающей не менее 100 млрд. звезд и поэтому относящейся к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики составляет около 100 тыс., а толщина - 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.

Метагалактика - система галактик, включающая все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы:

световой год - расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/с, т.е. световой год составляет 10 трлн км;

астрономическая единица - это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;

парсек - единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк - 206 265 а.е., т.е. приблизительно равен 30 трлн км, или 3,3 световым года.

Структура макромира

Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами - удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира

На рубеже XIX-XX вв. в естественно-научной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили:

выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;

подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;

доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.

Концепция элементарных частиц. Переход естественно-научных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов), таких, как электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов микромира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

После того как было установлено, что атом не является последним «кирпичиком» мироздания, а построен из более простых элементарных частиц, их поиск занял главное место в исследованиях физиков. История открытия фундаментальных частиц началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу - электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц включает два этапа.

Первый этап приходится на 30-50-е гг. XX в. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. - нейтрон, а спустя четыре года - первая античастица - позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Второй этап приходится на 1960-е гг., кода общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. В 1970-80-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами. Одно из них - свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.

Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы - это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического за ряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции - превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

Уровня организации материи (2)Реферат >> Биология

3 2. Триединство концептуальных уровней познания в современной биологии …………………………….….. 4 3. Структурные уровни организации живых систем ….. . 6 ... уровне организации материи . Живая природа (коротко - жизнь) - это такая форма организации материи на уровне ...

  • Особенности биологического уровня организации материи (1)

    Реферат >> Биология

    5. Структурные уровни живого. 6. Заключение. 7. Список литературы. Введение. Биологический уровень организации материи представлен... и др. Структурные уровни организации живого. Системно-структурные уровни организации многообразных форм живого достаточно...

  • Наследственность. Структурные уровни организации наследственного материала

    Реферат >> Биология

    Наследственность. Структурные уровни организации наследственного материала . Наследственность. Структурные уровни организации наследственного материала . Регуляция... Причина – серьезные препятствия: -организация генетического материала в форме хромосом - ...

    • Впервые понятие материя (hyle), встречается у Платона. Материя в его понимании некий лишенный качеств субстрат (материал), из которого образуются тела различной величины и очертаний; она бесформенна, неопределенна, пассивна. В дальнейшем материя, как правило, отождествлялась с конкретным веществом или атомами. По мере развития науки и философии понятие материи постепенно утрачивает чувственно-конкретные черты и становится все более абстрактным. Оно призвано охватить бесконечное многообразие всего реально существующего и несводимого к сознанию.
    В диалектико-материалистической философии материя определяется как объективная реальность, данная нам в ощущениях, существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им. Это определение - наиболее принимаемое в современной философской российской литературе. Материя - это единственно существующая субстанция. Она вечна и бесконечна, несотворима и неуничтожима, неисчерпаема и находится в постоянном движении, способна к самоорганизации и отражению. Она есть - causa sui, причина самой себя (Б.Спиноза). Все эти свойства (субстанциальность, неисчерпаемость, неуничтожимость, движение, вечность) неотделимы от материи и потому называются ее атрибутами. Неотделимы от материи так же и ее формы - пространство и время.
    Материя - это сложная системная организации. По современным научным данным в структуре материи можно выделить два крупных основных уровня (принцип деления - наличие жизни): неорганическая материя (неживая природа) и органическая материя (живая природа).
    Неорганическая природа включает следующие структурные уровни:
    1. Элементарные частицы - мельчайшие частицы физической материи (фотоны, протоны, нейтрино и др.), каждая из которых имеет свою античастицу. В настоящее время известно более 300 элементарных частиц (включая античастицы), в том числе и так называемые «виртуальные частицы», существующие в промежуточных состояниях очень короткое время. Характерная особенность элементарных частиц
    - способность к взаимным превращениям.
    2. Атом - мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Он состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
    3. Химический элемент - совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Известно 107 химических элементов (19 получены искусственно), из которых состоят все вещества неживой и живой природы.
    4. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Состоит из атомов, соединенных химическими связями.
    5. Планеты - наиболее массивные тела Солнечной системы, движущиеся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.
    6. Планетные системы.
    7. Звезды - светящиеся газовые (плазменные) шары, подобные Солнцу: в них заключена большая часть вещества Вселенной. Образуются из газо-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия).
    8. Галактики - гигантские до сотен млрд. звезд) звездные системы, в частности, наша Г алактика (Млечный путь), которая содержит более 100 млрд. звезд.
    9. Система галактик.
    Органическая природа (биосфера, жизнь) имеет следующие уровни (виды самоорганизации):
    1. Доклеточный уровень - дезонуклеиновые кислоты, рибонуклеиновые кислоты, белки. Последние - высокомолекулярные органические вещества, построенные из 20 аминокислот, составляют (наряду с нуклеиновыми кислотами) основу жизнедеятельности всех организмов.
    2. Клетка - элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех растений и животных.
    3. Многоклеточные организмы растительного и животного мира
    - отдельные особи или их совокупность.
    4. Популяция - совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.
    5. Биоценоз - совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих данный участок суши или водоема.
    6. Биогеоценоз (экосистема) - однородный участок земной поверхности, единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания.
    По размерам материя делится на три уровня:
    1. Макромир - совокупность объектов, размерность которых соотносима с масштабом человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.
    2. Микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется до 10 (-8) - до 16 (-16) см, а время жизни от бесконечности до 10 (-24) сек.
    3. Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами (а скорость света 3000000 км/с), а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.
    Это точка зрения материализма. В отличие от материалистов идеалисты отрицают материю как объективную реальность. Для субъективных идеалистов (Беркли, Мах) материя - это «комплекс ощущений», для объективных идеалистов (Платон, Гегель) - это порождение духа, «инобытие» идеи.
    3. Движение и его основные формы. Пространство и время.
    В самом широком смысле движение в применении к материи - это «изменение вообще», оно включает в себя все происходящие в мире изменения. Представления о движении как изменении зародились уже в древней философии и развивались по двум основным линиям - материалистической и идеалистической.
    Идеалисты под движением понимают не изменения объективной реальности, а изменения чувственных представлений, идей, мыслей. Тем самым делается попытка мыслить движение без материи. В материализме подчеркивается атрибутивный характер движения по отношению к материи (его неотрывность от нее) и первичность движения материи по отношению к изменениям духа. Так, Ф.Бэкон отстаивал мысль о том, что материя полна активности и тесно связана с движением как прирожденным своим свойством.
    Движение - атрибут, неотъемлемое свойство материи, они тесно связаны и не существуют друг без друга. Однако, в истории познания имели место попытки оторвать этот атрибут от материи. Так, сторонники «энергетизма» - направления в философии и естествознании, возникшего в конце Х1Х в. - начале ХХ в. пытались все явления природы свести к видоизменениям энергии, лишенной материальной основы, т.е. оторвать движение (а энергия - общая количественная мера различных форм движения материи) от материи. Энергия при этом трактовалась как чисто духовный феномен, и эта «духовная субстанция» провозглашалась основой всего существующего.
    Данная концепция несовместима с законом сохранения превращения энергии, согласно которому энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; она может только переходить из одной формы в другую. А потому движение неуничтожимо и неотрывно от материи.
    Материя тесно связана с движением, а оно существует в виде конкретных своих форм. Основными из них являются: механическое, физическое, химическое, биологическое и социальное. Впервые эту классификацию предложил Ф. Энгельс, но в настоящее время она претерпела определенную конкретизацию и уточнения. Так, сегодня есть мнения о том, что самостоятельными формами движения являются геологическое, экологическое, планетарное, компьютерное и др.
    В современной науке развиваются представления о том, что механическое движение не связано с каким-либо отдельно взятым структурным уровнем организации материи. Это скорее аспект, некоторый срез, характеризующий взаимодействие нескольких таких уровней. Стало необходимым различать также квантово-механическое движение, характеризующее взаимодействие элементарных частиц и атомов, макромеханическое движение макротел.
    Существенно обогатились представления о биологической форме движения материи. Были уточнены представления о ее первичных материальных носителях. Кроме белковых молекул, в качестве молекулярного носителя жизни были выделены кислот ДНК и РНК.
    Характеризуя формы движения материи и их взаимосвязь, необходимо иметь в виду следующее:
    1. Каждая форма качественно специфична, но все они неразрывно связаны и при соответствующих условиях могут переходить вдруг в руга.
    2. Простые (низшие) формы являются основой более высоких и сложных форм.
    3. Высшие формы движения включают в себя в преобразованном виде низшие формы. Последние являются побочными по отношению к высшей форме, которая обладает своими собственными закономерностями.
    4. Недопустимо высшие формы сводить к низшим. Так, сторонники механицизма (XVI1-Х1Х вв.) пытались объяснить все явления природы и общества только с помощью законов классической механики. Механицизм - форма редукционизма, согласно которому высшие формы организации (например, биологические и социальные) могут быть сведены к низшим (например, физическим или химическим) и полностью объяснены только закономерностями последних (например, социал-дарвинизм).
    Движение как «изменение вообще» подразделяется не только по своим основным формам, но и по типам. Количество - это внешняя определенность предмета (его величина, объем, размер, темп и т.д);
    это изменение, происходящее с предметом, без коренного его преобразования (например, идущий человек). Качество - это коренное преобразование внутренней структуры предмета, его сущности (например, куколка-бабочка, тесто-хлеб). Особый тип движения - развитие. Под развитием понимается необратимое, поступательное, количественно-качественное изменение предмета или явления (например, жизнь человека, движение истории, развитие науки). Может иметь место усложнение структуры, повышение уровня организации предмета или явления, что обычно характеризуется как прогресс. Если же движение происходит в обратном направлении - от более совершенных форм к менее совершенным, то это регресс. Наукой о развитии в его полном виде является диалектика.
    Пространство и время. Пространство есть форма бытия материи, которая выражает протяженность, структуру, порядок сосуществования и рядоположенность материальных объектов.
    Время - форма бытия материи, которая выражает длительность существования материальных объектов и последовательность изменений, происходящих с объектами.
    Время и пространство тесно переплетены между собой. То, что совершается в пространстве, происходит одновременно и во времени, а то, что происходит во времени, находится в пространстве.
    В истории философии и науки сложились две основных концепции пространства и времени:
    1. Субстанциальная концепция рассматривает пространство и время как особые самостоятельные сущности, которые существуют наряду и независимо от материальных объектов. Пространство сводилось к бесконечной пустоте («ящику без стенок»), вмещающей все тела, время - к «чистой» длительности. Эта идея, в общем виде сформулированная еще Демокритом, получила свое логическое завершение в концепции абсолютного пространства и времени Ньютона, который считал, что их свойства не зависят от характера протекающих в мире материальных процессов.
    2. Реляционная концепция рассматривает пространство и время не как особые, не зависимые от материи сущности, а как формы существования вещей и без этих вещей сами по себе не существующие (Аристотель, Лейбниц, Гегель).
    Субстанциальная и реляционная концепции не связаны однозначно с материалистическим или идеалистическим толкованием мира, обе развивались на той и другой основе. Диалектико­материалистическая концепция пространства и времени была
    сформулирована в рамках реляционного подхода.
    Пространство и время как формы бытия материи имеют как общие для них свойства, так и характерные для каждой из этих форм. К их всеобщим свойствам относятся: объективность и независимость от сознания человека, их неразрывная связь друг с другом и с движущейся материей, количественная и качественная бесконечность, вечность. Пространство характеризует протяженность материи, ее структурность, взаимодействие элементов в материальных системах. Оно является непременным условием существования любого материального объекта. Пространство реального бытия трехмерно, однородно и изотропно. Однородность пространство связана с отсутствием в нем «выделенных» каким-либо образом точек. Изотропность пространства означает равноправность в нем любого из возможных направлений.
    Время характеризует материальное бытие как вечное и неуничтожимое в своей совокупности. Время одномерно (от настоящего к будущему), ассиметрично и необратимо.
    Проявление времени и пространство различно в различных формах движения, поэтому в последнее время выделяют биологическое, психологическое, социальное и другие пространства и время.
    Так, например, психологическое время связано с его психическими состояниями, установками и т.п. Время в той или иной ситуации может «замедляться» или, наоборот, «ускоряться», оно «летит» или «тянется». Это субъективное чувство времени.
    Биологическое время связано с биоритмами живых организмов, со сменой дня и ночи, со временем года и циклами солнечной активности. Считается также, что существует множество биологических пространств (например, ареалы распространения тех или иных организмов или их популяций).
    Социальное время, связанное с развитием человечества, с историей, тоже может ускорять и замедлять свой бег. Особенно это ускорение характерно для ХХ века в связи с научно-технической прогрессом. НТР буквально спрессовало социальное пространство и неимоверно ускорило бег времени, придав взрывной характер развитию общественно-экономических процессов. Планета стала маленькой и тесной для человечества как единого целого, а время перемещения из одного ее конца в другой теперь измеряется часами, что было просто немыслимо еще в прошлом столетии.
    В ХХ веке на основе открытии в естественных и точных науках был разрешен спор между этими двумя концепциями. Победила реляционная. Так, Н.Лобачевский пришел к выводу в своей неевклидовой геометрии, что свойства пространства не являются всегда и везде одинаковыми и неизменными, а они изменяются в зависимости от наиболее общих свойств материи. По теории относительности
    А.Эйнштейна пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения (т. е. от показателей материи). Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (300000 км/с), а временные процессы в быстро движущихся системах замедляются. Он доказал также, что вблизи массивных тел время замедляется, как и в центре планет. Этот эффект тем заметнее, чем больше масса небесных тел.
    Таким образом, теория относительности А.Эйнштейна показала неразрывную связь между материей, пространством и временем.

    Материя. структура и системная организация материи. Системная организация как атрибут материи. Структура материи. Структурные уровни организации материи. структурные уровни различных сфер.

    Материя

    Клеточный - самостоятельно существующие одноклеточные организмы;

    Многоклеточный - органы и ткани, функциональные системы (нервная, кровеносная), организмы: растения и животные;

    Организм в целом;

    Популяции (биотоп) - сообщества особей одного вида, которые связаны общим генофондом (могут скрещиваться и воспроизводить себе подобных): стая волков в лесу, стая рыб в озере, муравейник, кустарник;

    - биоценоз - совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних становятся условиями жизни и существования других организмов, населяющих участок суши или воды. Например, лес: популяции живущих в нем растений, а также животных, грибов, лишайников и микроорганизмов взаимодействуют между собой, образуя целостную систему;

    - биосфера - глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т.п.), образованная в результате взаимодействия биоценозов.

    Общая основа жизни на биологическом уровне - органический метаболизм (обмен веществом, энергией, информацией с окружающей средой), которая проявляется на любом из выделенных подуровней:

    На уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;

    На уровне биоценоза он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного организмами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам;

    На уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участии факторов космического масштаба.

    В рамках биосферы начинает развиваться особый тип материальной системы, который образован благодаря способности особых популяций живых существ к труду - человеческое общество. Социальная действительность включает в себя подуровни: индивид, семья, группа, коллектив, социальная группа, классы, нации, государство, системы государств, общество в целом. Общество существует лишь благодаря деятельности людей.

    Структурный уровень социальной действительности находится между собой в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень нации и уровень государства). Переплетение разных уровней структуры общества не означает отсутствия упорядоченности и структурированности общества. В обществе можно выделить фундаментальные структуры - главные сферы общественной жизни: материально-производственная, социальная, политическая, духовная и т.д., имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы, структурированы и обусловливают генетическое единство развития общества в целом.

    Таким образом, любая из областей объективной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности. Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем, т.е. эволюция материальных систем происходит в направлении от простого к сложному, от низшего в высшему.

    Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Всякая высшая форма возникает на основе низшей, включает ее в себя в снятом виде. Это означает, по существу, что специфика высших форм может быть познана только на основе анализа структур низших форм. И наоборот, сущность формы высшего порядка может быть познана только на основе содержания высшей по отношению к ней формы материи.

    Закономерности новых уровней не сводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Кроме того, неправомерен перенос свойств высших уровней материи на низшие. Каждый уровень материи обладает своей качественной спецификой. В высшем уровне материи низшие его формы представлены не в «чистом», а в синтезированном («снятом») виде. Например, нельзя перенести законы животного мира на общество, даже если на первый взгляд кажется, что в нем господствует «закон джунглей». Хотя жестокость человека может быть несравненно больше жестокости хищников, тем не менее хищникам незнакомы такие человеческие чувства, как любовь, сострадание.

    С другой стороны, безосновательны попытки отыскания на низших уровнях элементов высших уровней. Например, мыслящий булыжник. Это - гипербола. Но были попытки ученых-биологов, в которых они пытались создать обезьянам «человеческие» условия, рассчитывая через сто-двести лет обнаружить в их потомстве антропоида (первобытного человека).

    Структурные уровни материи взаимодействуют между собой как часть и целое. Взаимодействие части и целого состоит в том, что одно предполагает другое, они едины и друг без друга существовать не могут. Не бывает целого без части и нет частей вне целого. Часть приобретает свой смысл только благодаря целому, так же как и целое есть взаимодействие частей.

    Во взаимодействии части и целого определяющая роль принадлежит целому. Однако это не означает, что части лишены своей специфики. Определяющая роль целого предполагает не пассивную, а активную роль частей, направленную на обеспечение нормальной жизни универсума как целого. Подчиняясь в общем системе целого, части сохраняют свою относительную самостоятельность и автономность. С одной стороны, они выступают как компоненты целого, а с другой - они сами являются своеобразными целостными структурами, системами. Например, факторами, обеспечивающими целостность систем в неживой природе, являются ядерные, электромагнитные и другие силы, в обществе - производственные отношения, политические, национальные и т.д.

    Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи.

    Литература

    1. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Современная физическая картина мира. М., 1980.

    2. Вайнберг С. Открытие субатомных частиц. М., 1986.

    3. Вайнберг С. Первые три минуты. М.,1981.

    4. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1995.

    5. Шкловский И.С. Звезды, их рождение и смерть. М.,1975.

    6. Философские проблемы естествознания. М., 1985.

    В настоящее время принято единую Природу для удобства делить на три структурных уровня – микро-, макро- и мегамир. Естест­венными, хотя отчасти и субъективными, признаками деления явля­ются размеры и массы исследуемых объектов.

    Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микросистем с характерным размером от 10 –8 см и менее (атомы, атомные ядра, элементарные частицы).

    Макромир – мир макротел, начиная от макромолекул (размеры от 10 –6 см и выше) до объектов, размерность которых соотносима с масштабами непосредственного человеческого опыта – миллиметры, сантиметры, километры, вплоть до размеров Земли (длина экватора Земли равна ~ 10 9 см).

    Мегамир – мир объектов космического масштаба от 10 9 см до 10 28 см. Этот диапазон включает размеры Земли, Солнечной системы, Галактики, Метагалактики.

    Хотя микро–, макро– и мегамир тесно взаимосвязаны и состав­ляют единое целое, тем не менее на каждом из этих структурных уровней действуют свои специфические законы: в микромире – законы квантовой физики, в макромире – законы классического естествознания, прежде всего классической физики: механики, термодинамики, электродинамики. Законы мегамира основаны в первую очередь на общей теории относительности.


    Микромир

    Атомная физика .Еще древние греки Левкипп и Демокрит выдвинули гениальную догадку, что вещество состоит из мельчайших частиц – атомов.

    Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены гораздо позднее в работах русского ученого М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста , английского химика Дж. Дальтона , итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

    Периодический закон Д.И. Менделеева показал существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Стало ясно, что в основе всех атомов лежит нечто общее. До конца XIX в. в химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И, наконец, в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.

    Первыми на сложную структуру атома указали немецкие ученые Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен , изучая спектры испускания и поглощения различных веществ. Сложную структуру атома подтверждали также опыты по изучению ионизации, открытие и исследование так называемых катодных лучей и явления радиоактивности.

    Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий только ему набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения. Это означало, что свет испускается и поглощается отдельными атомами, а атом, в свою очередь, представляет собой сложную систему, способную взаимодействовать с электромагнитным полем.

    Об этом же свидетельствовало явление ионизации атомов, обнаруженное при исследованиях электролиза и газового разряда. Данное явление можно было объяснить, лишь предположив, что атом в процессе ионизации теряет часть своих зарядов или приобретает новые.

    Свидетельством сложной структуры атома явились опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается, по возможности, весь воздух, а затем сквозь нее про­пускается ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются «не­видимые» катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение легко подвижные тела и отклоняться от своего первоначального пути в магнитном и электрическом полях.

    Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд. Позже удалось определить массу и величину их заряда. Оказалось, что масса частиц и величина их заряда не зависят ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут существовать без своих зарядов, не могут быть превращены в электроней­тральные частицы: электрический заряд составляет самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов.

    В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического поля. Но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим полем. Так, например, при электронной эмиссии металлы испускают электроны, при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывало на то, что эти частицы входят в состав всех без исключения атомов. Это позволило сделать вывод, что атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких составных частей.

    В 1896 г., изучая люминесценцию различных веществ, А.А. Беккерель случайно обнаружил, что соли урана, излучают без предварительного их освещения. Это излучение, обладающее большой проникающей способностью и воздействующее на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, было названо радиоактивным излучением. Позднее было установлено, что оно состоит из тяжелых положительно заряженных α-частиц, легких отрицательных β-частиц (электронов) и электрически нейтрального γ-излучения.

    Открытие электрона можно считать началом рождения атомной физики, обусловившим попытки построения моделей атома. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом устойчив и электронейтрален, то естественно было предположить наличие в атоме положительно заряженных частиц.

    Первые модели атома на основе представлений классической механики и элек­тродинамики появились в 1904 г.: автором одной из них стал японский физик Хантаро Нагаока , другая принадлежала английскому физику Дж. Томсону – автору открытия электрона.

    X. Нагаока представил строение ато­ма аналогичным строению Солнечной системы: роль Солнца играет положи­тельно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся «планеты» – электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.

    В модели атома Дж. Томсона положительное электричество «распределено» по сфере, в которую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Дж. Томсоном. Томсон считал, что каждая конфигурация определяет те или иные химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элемен­тов Д. И. Менделеева.

    Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели. Эти факты были установлены Э. Резерфордом в 1912 г. В первую очередь следует отметить открытие им атомного ядра. Для выявления структуры атома Резерфорд производил зондирование атома с помощью α–частиц, которые возникают при распаде радия и некоторых других радиоактивных элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона.

    В опытах Резерфорда пучок α–частиц падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (золото, медь и др.). После прохождения фольги α–частицы попадали на экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось сцинтилляцией (вспышкой света), которую можно было наблюдать. В отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных пучком частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, то вопреки ожиданиям α–частицы испытывали очень малое рассеяние на атомах фольги и распределялись на экране внутри круга чуть большей площади.

    Совершенно неожиданным также оказалось, что небольшое число α–частиц (примерно одна из двадцати тысяч) отклонялись на углы больше 90°, т.е. практически возвращались назад. Резерфорд понял, что положительно заряженная α–частица могла быть отброшена на­зад лишь в том случае, если в атомах мишени положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра – тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

    Подсчитывая число α–частиц, рассеянных на большие углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка

    10 –12 –10 –13 см (у разных ядер). Размер же самого атома составляет примерно 10 –8 см, т.е. в 10 – 100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось точно определить и заряд ядра. Если принять заряд электрона за единицу, то заряд ядра оказался в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

    Из опытов Резерфорда непосредственно вытекала планетарная модель атома с положительно заряженным атомным ядром. Учитывая, что в целом атом должен быть электронейтральным, следовало заключить, что число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Очевидно также, что находиться в покое электроны внутри атома не могут, так как они вследствие притяжения положительным ядром упали бы на него. Следовательно, они должны двигаться вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием электрических кулоновских сил со стороны ядра.

    В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу примерно в 1836 раз большую массы электрона. Это ядро было названо Резерфордом протоном и стало рассматриваться как элементарная частица.

    Размер атома определяется радиусом орбиты движения его электронов. Достаточно наглядная планетарная модель атома, как уже говорилось, является прямым следствием экспериментальных результатов Резерфорда по рассеянию α-частиц на атомах вещества.

    Однако вскоре выяснилось, что такая простая модель противоречит законам электродинамики, из которых следует, что модель атома Резерфорда является неустойчивой системой и длительное время атом указанной конструкции существовать не может. Дело в том, что движение электронов по круговым орбитам происходит с ускорением, а ускоренно движущийся заряд, согласно законам электродинамики Максвелла, должен излучать электромагнитные волны (ω – частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра). Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому, как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы.

    В действительности, однако, этого не происходит. Атомы устойчивы, могут существовать неограниченно долго, совершенно не из­лучая электромагнитные волны.

    Выход из создавшегося положения нашел датский ученый Н.Бор. Он сделал радикальный вывод о том, что законы классической механики и электродинамики вообще не применимы в микромире и, в частности, в атоме. Тем не менее, чтобы сохранить планетарную модель атома Резерфорда, он сформулировал два постулата (постулаты Бора), идущие вразрез и с классической механикой, и с классической электродинамикой. Эти постулаты заложили основы принципиально новых теорий микромира – квантовой механики и квантовой электродинамики (квантовой теории электромагнитного поля). Обосновывая свои постулаты, Бор опирался на идею существования квантов электромагнитного поля, выдвинутую в 1900 г. М. Планком и развитую затем А. Эйнштейном (для объяснения фотоэффекта).

    Постулаты Бора заключаются в следующем: электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбитам, а только по таким, ко­торые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых, или квантовых, орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую орбиту сопровождается потерей энергии.

    Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до орбиты, на которую он переходит, тем больше частота излучения.

    Простейшим из атомов является атом водорода: вокруг ядра вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1:2: : 3: ... : п. Величина п получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались точности совпадающими с частотами, найденными опытным путем для линий водородного спектра. Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых (стационарных) орбит для атома водорода, вместе с тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов.

    В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов. Однако распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в многоэлектронном атоме, определить их орбиты, тем большими были расхождения результатов с экспериментальными данными. В ходе развития квантовой теории стало ясно, что эти расхождения носят принципиальный характер и связаны с так называемыми волновыми свойствами электрона.

    Дело в том, что в 1924 г. Луи де Бройль распространил известный к тому времени корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного поля на вещественные частицы микромира (атомы, электроны, протоны и т.д.). Напомним, что согласно его идее частицы, имеющие массу, заряд и т.д., также обладают и волновыми свойствами. При этом длина волны де Бройля (λ) связана с импульсом частиц р и равна

    λ = h/р, где h – постоянная Планка.

    Идея де Бройля нашла блестящее подтверждение в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927), в которых наблюдалось явление дифракции электронов – классический пример волнового явления.

    Развивая волновые идеи частиц микромира, Э. Шрёдингер создал математическую волновую модель атома в виде знаменитого сейчас волнового дифференциального уравнения Шрёдингера:

    Анализ волнового уравнения Шрёдингера показал, что с его помощью можно определить все возможные дискретные энергии Е п в атоме. Кроме того, было выяснено, что волновая функция не позволяет абсолютно точно определить положение электронов в атомах, они расплываются в некое «облако»; таким образом, можно говорить лишь о вероятности нахождения электронов в том или ином месте атома, которая характеризуется квадратом амплитуды волны.

    Учитывая законы квантовой волновой механики, становится ясно, почему оказалось невозможным точно описать структуру атома на основе представлений о боровских орбитах электронов в атоме. Таких, точно локализованных орбит в атомах просто не существует, а хорошее согласование расчета орбит электронов в атоме водорода, в соответствии с теорией Бора и экспериментальными данными связано с тем, что только для атома водорода электронные орбиты Бора хорошо совпали с кривыми средней плотности зарядов, вычисленных в соответствии с квантовой теорией Шрёдингера. Для многоэлек­тронных атомов такого совпадения не наблюдается.

    В настоящее время на основе квантовой механики, а также квантовой электродинамики – квантовой теории электромагнитного поля, разработанной в 1927 г. П.А. Дираком , удалось объяснить многие особенности поведения многоэлектронных атомно-молекулярных систем. В частности, удалось разрешить важнейший вопрос о структуре атомов различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек им атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов, которые позволяют объяснить многие физические и химические свойства элементов.

    Напомним, что число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Электроны расположены послойно. Каждому слою принадлежит определенное заполняющее или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются близкими значениями энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней (n ). Электроны каждого последующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Максимальное число электронов (N ), могущих находиться на данном энергетическом уровне (n), определяется по формуле N = 2n 2 , т.е. на первом уровне (n=1) может находиться два электрона, на втором (п = 2) – восемь электронов, на третьем (n= 3) – восемнадцать.

    Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот, атомы, присоединившие электроны, становятся заряженными отрицательно. Образующиеся заряженные частицы называются ионами. Многие ионы, в свою очередь, могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом в электронейтральные атомы или новые ионы с иным зарядом.

    Подводя итог рассмотрению основных результатов квантово-механических подходов к строению и структуре атомов, отметим следующее. Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами – n, l, т, s:

    1) n – главное квантовое число, характеризует энергию электрона на соответствующей орбите (n );

    2) l – орбитальное квантовое число, характеризует форму орбиты (электронного облака) и может изменяться в атоме от 0 до n = 1;

    3) т – магнитное квантовое число, характеризует ориентацию орбит(электронных облаков) в пространстве и может принимать значения от +1 до –1;

    4) s – спиновое квантовое число, характеризует вращение электрона вокруг собственной оси и может принимать только два значения: s = ±1/2.

    Согласно одному из важнейших принципов квантовой механи­ки – принципу Паули, в атоме не может быть электронов, у кото­рых все четыре квантовых числа одинаковы. В рамках квантовой механики получили полное объяснение, как структура атомов, так и изменение свойств химических элементов в периодической системе Д.И. Менделеева.

    Плодотворным оказалось также применение квантовой механики к физическим полям. Была построена квантовая теория электромагнитного поля – квантовая электродинамика, вскрывшая целый ряд фундаментальных законов микромира. Среди них важнейшие законы взаимного превращения двух видов материальных субстанций – вещественной и полевой материи – друг в друга.

    Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон – частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предсказанию существования античастиц . Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» – другая частица с той же массой, но противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак – основатель релятивистской к пантовой теории поля – предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон-позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт и 1934 г. К.Д. Андерсоном в космических лучах.

    Ядерная физика .По современным представлениям, атомные ядра элементов состоят из протонов и нейтронов. Первые указания на то, что и состав ядер входят протоны (ядра атомов водорода) были получены Резерфордом в 1919 г. в результате его нового (после открытия строения атома) сенсационного открытия – расщепления атомного ядра под действием α-частиц и получения новых химических элементов в результате первой искусственной ядерной реакции.

    В одном из вариантов своих опытов с использованием камеры Вильсона, наполненной азотом, внутри которой имелся радиоактивный источник излучения, Резерфордом были получены фотографии треков α-частиц, на конце которых имелось характерное разветвление – «вилка». Одна из сторон «вилки» давала короткий трек, а другая – длинный. Длинный трек имел такие же особенности, как и треки, наблюдаемые ранее Резерфордом при бомбардировке α-частицами атомов водорода

    Так впервые была высказана мысль, что ядра водорода представляют собой составную часть ядер других атомов. Впоследствии Резерфорд для этой составной части ядра предложил термин «протон».

    Схема реакции Резерфорда может быть представлена следующим образом: α–частица попадает в атомное ядро азота и поглощается им. Образующееся при этом промежуточное ядро изотопа фтора оказывается неустойчивым: оно выбрасывает из себя один протон, превращаясь в ядро изотопа кислорода .

    В 1932 г. Д.Д. Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что наряду с протоном структурным элементом ядра также является нейтрон. В 1933 г. он обосновал протон-нейтронную модель ядра и сформулировал основной тезис, заключающийся в том, что в ядре имеются только тяжелые частицы – протоны и нейтроны. При этом обе частицы могут превращаться друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматривать как два состояния одной частицы – нуклона .

    А в том же 1933 г. Дж. Чедвик экспериментально доказал существование нейтронов в атомных ядрах. Он облучал α–частицами бериллиевую пластинку и исследовал реакцию превращения бериллия (Be) в углерод (С) с испусканием нейтрона n).

    Нейтроны, вылетающие из бериллия, направлялись в камеру Вильсона, наполненную азотом (N), и при попадании нейтрона в и протон атома азота образовывалось ядро бора (В) и α–частицы.

    Сам нейтрон не дает трека в камере Вильсона, но по трекам ядра бора и α–частицы можно рассчитать, что данная реакция вызвана нейтральной частицей массой в одну атомную единицу массы, т.е. нейтроном. Отметим, что свободный нейтрон существует недолго, он радиоактивен, период его полураспада составляет около 8 мин, после чего он превращается в протон, испуская β–частицу (электрон) и нейтрино. После открытия нейтрона протон-нейтронная модель строения атомных ядер Д.Д. Иваненко стала общепризнанной.

    Все ядерные реакции сопровождаются испусканием тех или иных элементарных частиц. Продукты ядерных реакций оказываются радиоактивными, их называют искусственно радиоактивными изотопами. Явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. известными французскими физиками Фредериком и Ирен Жолио-Кюри.

    Как и естественно радиоактивные вещества, искусственно полученные радиоактивные изотопы испускают известные α, β, и γ–излучения. Но кроме перечисленных излучений Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли новый вид радиоактивности – испускание положительных электронов-позитронов.

    Впервые это удалось установить с помощью камеры Вильсона при бомбардировке α–частицами некоторых легких элементов (бериллия, бора, алюминия), в результате чего был искусственно создан целый ряд новых радиоактивных изотопов, не наблюдаемых ранее в природе. Примером образования позитронного радиоактивного изотопа может служить реакция бомбардировки алюминия α–частицами. И данном случае ядро алюминия испускает нейтрон и превращается в ядро радиоактивного изотопа фосфора , который в свою очередь, испуская позитрон β + , превращается в стабильный изотоп кремния .

    В промышленном масштабе искусственные радиоактивные изотопы обычно получают облучением (главным образом нейтронным) соответствующих химических элементов в ядерных реакторах.

    После того, как было установлено, что ядра атомов состоят и протонов и нейтронов, теория атомного ядра получила дальнейшее развитие в направлении изучения взаимодействий частиц внутри ядра, а также структуры атомных ядер различных элементов.

    Ниже приведены основные сведения о свойствах и строении ядер.

    1. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона.

    Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона е =1,6 –19 Кл и массу покоя т р ~ 1,6726 10 – 27 кг.

    Нейтрон не имеет электрического заряда, его масса немног больше массы протона – т п = 1,6749 10 –27 кг.

    Массу ядер элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За атомную единицу массы принята 1/12массы изотопа углерода : 1 а.е.м. = 1,66 10 –27 кг. Следовательно, т р = 1,00728 а.е.м., а т п = 1,00866 а.е.м.

    2. Зарядом ядра называется величина Ze, где е –величина заряда протона; Z – порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре.

    В настоящее время известны ядра с порядковым номером Z = 1 до Z = 114. Для легких ядер отношение числа нейтронов (N) к числу протонов (Z) близко или равно единице. Для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, отношение N/Z = 1,6.

    3. Общее число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице. Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядра химических элементов принято обозначать символом .X, А, Z где X – символ химического элемента; А – массовое число; Z – атомный номер.

    Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных paдиоактивных изотопов.

    Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы все химические свойства. В настоящее время установлено, что большинство химических элементов, встречающих в природе, представляет собой смесь изотопов. Поэтому указанные в таблице Менделеева атомные массы элементов часто значительно отличаются от целых чисел.

    4. Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границ ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра R = R А, где R= (1,3/1,7)10 –15 м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем.

    5. Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра (Р тт) в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд = eh,/2т р, где е – абсолютная величина заряда электрона; h – постоянная Планка; т р – масса протона. Ядерный магнетон μ яд в 1836,5 раза меньше магнитного момента электрона в атоме, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.

    6. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения сферически симметричного является квадруполъный электрический момент ядра Q. Если плотность ядра считать везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра.

    Нуклоны, составляющие ядро, связаны между собой особыми силами притяжения – ядерными силами. Устойчивость атомных ядер большинства элементов свидетельствует о том, что ядерные силы исключительно велики: они должны превышать значительные кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами, расположенными на расстояниях порядка 10 –13 см (порядок размеров ядра). Ядерные силы – силы особого рода, связанные с существованием внутри ядра особого вида материи – ядерного поля.

    В настоящие время принята мезонная теория ядерных сил, согласно которой нуклоны взаимодействуют друг с другом путем обмена особыми элементарными частицами – π–мезонами – квантами ядерного поля.

    Наличие обменных частиц в ядре – мезонов – вначале было предсказано теоретически японским ученым Хидоки Юкавой в 1936 г., а затем открыто в космических лучах в 1947 г.

    Общая характеристика ядерных сил сводится к следующему.

    1. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами ядра порядка 10 – 15 м. Длина (1,5 ÷2,2) –10 – 15 м называется радиусом действия ядерных сил.

    2. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов – протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий в зеркальных ядрах (так называются ядра, в которых общее число нуклонов одинаково, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом).

    3. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел А. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у α–частицы, которая является очень устойчивым образованием.

    Нуклоны прочно связаны в ядре ядерными силами. Для разрыва этой связи, т.е. для полного разобщения нуклонов, нужно совершить значительную работу. Энергия, необходимая для разобщения нуклонов, составляющих ядро, называется энергией связи ядра. Величину энергии связи можно определить на основе закона сохранения энергии и закона пропорциональности массы и энергии в соответствии с формулой Эйнштейна Е = тс 2 .

    Согласно закону сохранения энергии, энергия нуклонов, связанных в ядре, должна быть меньше энергии разобщенных нуклонов на величину энергии связи ε 0 . С другой стороны, согласно закону пропорциональности массы и энергии, изменение энергии системы ΔW должно сопровождаться пропорциональным изменением массы системы на Δm, т.е. ΔW = Δmc 2 , где с – скорость света в вакууме.

    Так как в данном случае ΔW есть энергия связи ядра, то масса атомного ядра должна быть меньше суммы масс нуклонов, составляющих ядро, на величину Δm , которая называется дефектом массы ядра. Из соотношения ΔW = Δmc 2 можно рассчитать энергию связи ядра, если известен дефект массы этого ядра Δm.

    В качестве примера рассчитаем энергию связи ядра атома гелия. Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов. Масса протона т р = 1,0073 а.е.м., масса нейтрона – т п = 1,0087 а.е.м. Следовательно, масса нуклонов, образующих ядро, равна 2т р + 2 т п = 4,0320 а.е.м. Масса же ядра атома гелия т я = 4,0016 а.е.м. Таким образом, дефект масс атомного ядра гелия равен Δm = 4,0320 – 4,0016 = 0,03 а.е.м., или Δm = 0,03 1,66 10~ 27 = 5 10~ 29 кг. Тогда энергия связи ядра гелия

    ΔW = Δmc 2 =510-29 9-10 16 Дж=28 МэВ.

    Общая формула для расчета энергии связи любого ядра (в джоулях) будет иметь вид:

    ΔW = c 2 {- т я },

    где Z– атомный номер; А - массовое число.

    Энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи (ε). Следовательно, ε=ΔW/А (удельная энергия связи) характеризует устойчивость атомных ядер. Чем больше s, тем устойчивее ядро.

    На рис. 1 представлены результаты расчетов удельных энергий связи для разных атомов (в зависимости от массовых чисел А).

    Из графика на рис. 2.2 следует, что удельная энергия связи максимальна (8,65 МэВ) у ядер с массовыми числами порядка 100. У тяжелых и легких ядер она несколько меньше (например, 7,5 МэВ у урана и 7 МэВ у гелия), у атомного ядра водорода удельная энергия связи равна нулю, что вполне понятно, потому что в этом ядре нечего разобщать: оно состоит только из одного нуклона (протона).

    а.е.м.

    Рис. 1. Зависимость удельных энергий связи от массовых чисел

    Всякая ядерная реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. При делении тяжелых ядер с массовыми числами А порядка 100 (и более) ядерная энергия выделяется.

    Выделение ядерной энергии происходит и при ядерных реакционного типа – при объединении (синтезе) нескольких легких ядер в одно ядро. Таким образом, выделение ядерной энергии происходит как при реакциях деления тяжелых ядер, так и при реакциях синтеза легких ядер. Количество ядерной энергии Δ ε, выделяемое каждым прореагировавшим ядром, равно разности между энергией связи ε продукта реакции и энергией связи исходного ядерного материала.

    Соотношение ∆E∆t>ħ/2 означает, что преобразование энергии с точностью ∆Е должно занять интервал времени равный, по меньшей мере, ∆t~ ħ/∆E . Это соотношение ответственно за есте­ственную ширину спектральных линий атомов и ионов. Время жизни возбужденного состояния атомов имеет порядок t ~10 -8 ÷10 -9 с. Следовательно, неопределенность энергии таких состояний составляет ∆E~ ħ/t, чему соответствует естественная ширина спектральных линий. Если неопределенность энергии ∆Е ~ ħ/∆t соответствует энергии некоторой частицы (mс 2 , hv ), to эта частица, возникнув из «ничего», может находиться в виртуальном состоянии время ∆t без нарушения закона сохранения энергии. В современной квантовой теории поля взаимодействие частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение каждой реальной частицей виртуальных частиц. Любая частица непрерывно испускает или поглощает виртуальные частицы разных типов. Так, например, электромагнитное взаимодействие – результат обмена виртуальными фотонами, гравитационное – гравитонами. Поле ядерных сил обусловлено виртуальными π –мезонами. Слабое взаимодействие создают векторные бозоны (открытые в 1983 году в ЦЕРНе, Швейцария-Франция). А переносчиком сильного взаимодействия являются глюоны (от английского слова, означающего «клей»). Соотношение неопределенностей ограничивает применимость классической механики к микрообъектам. Оно вызвало многочисленные философские дискуссии. Координаты частицы и ее импульс, изменение энергии и время, в течение которого произошло это изменение, называются взаимно дополнительными величинами. Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрочастицу, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым. Это утверждение, впервые сформулированное датским физиком Н. Бором, называется принципом дополнительности. Бор объяснял принцип дополнительности влиянием измерительного прибора, который всегда является макроскопическим прибором, на состояние микрообъекта. Однако с позиций современной квантовой теории, состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны. Принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с существованием наблюдателя, а роль измерительного прибора заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы. Любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применения, чем старая, должна включать предыдущую как предельный случай. Так релятивистская механика (специальная теория относительности) в пределе малых скоростей переходит в ньютоновскую. В квантовой механике принцип соответствия требует совпадения ее физических следствий в предельном случае с результатами классической теории. В принципе соответствия проявляется тот факт, что квантовые эффекты существенны лишь при рассмотрении микрообъектов, когда величины размерности действия сравнимы с постоянной Планка. С формальной точки зрения принцип соответствия означает, что в пределе ħ → 0 квантовомеханическое описание физических объектов должно быть эквивалентно классическому. Значение принципа соответствия выходит за рамки квантовой механики – он войдет составной частью в любую новую теоретическую схему. В современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется не в своем точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон). Наиболее важное свойство всех элементарных частиц – способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Сейчас общее число известных науке элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Некоторые из них стабильны и существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. Это – электроны, протоны, нейтроны, фотоны и различного сорта нейтрино.

    Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичных космических лучах или получаются в лаборатории.Основной способ их генерации – столкновения быстрых стабильных частиц, в процессе которых часть начальной кинетической энергии превращается в энергию покоя образующихся частиц (как правило, не совпадающих со сталкивающимися).

    Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса m, время жизниt , спин J и электрический заряд Q.

    В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон (t > 5 10 21 лет), протон (t > 5 10 31 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их времена жизни t > 5 10 -20 с. Пример квазистабильной частицы – нейтрон.

    Он распадается из-за слабого взаимодействия, среднее время жизни – 15,3 мин: .

    Резонансами называют элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия; их характерные времена жизни t~ 10 -22 - 10 -24 с.

    Электрические заряды элементарных частиц являются целыми кратными величины е ≈1,6-10 -19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом (зарядом электрона). У известных элементар­ных частиц Q= 0, ±1, ±2.

    Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным постоянной Планка ħ.

    Частицы с полуцелым спином называются фермионами. К фермионам относятся лептоны (например, электрон и нейтрино) и барионы, состоящие из кварков (например, протон и нейтрон). Системы фермионов описываются квантовой статистикой Ферми-Дирака. Фермионы подчиняются принципу запрета Паули и в данном квантовом состоянии системы фермионов не может, находится более одной час-тицы. Фермионы образуют материальные структуры.

    Частицы с целым или нулевым спином называются бозонами. К бозонам относятся частицы с нулевой массой покоя (фотон, гравитон), а также мезоны , состоящие из кварков (например π–мезоны). Системы таких частиц описываются статистикой Бозе-Эйнштейна. Бозоны не подчиняются принципу запрета Паули и для них не накладывается ограничения на число частиц, которые могут находиться в некотором квантовом состоянии. Они образуют поле взаимодействия (согласно квантовой теории поля) между фермионами.

    Так, например, материальные структуры образованы электронами и нуклонами (протонами и нейтронами, образующими ядра атомов), а электромагнитное поле взаимодействия между ними образуют фотоны (точнее сказать виртуальные фотоны) (рис. 2).

    Рис.2.Классификация элементарных частиц

    Мезоны и барионы состоят из кварков, и поэтому имеют общее название – адроны. Все известные адроны состоят либо из пары кварк-антикварк (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Кварки и антикварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. Кварки различаются по «аромату» и «цвету». Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний: «красном», «синем» и «желтом». Что касается «ароматов», то их известно 5 и предполагается наличие шестого. Ароматы кварков обозначаются буквами u, d, s, с, b, t, которые соответствуют английским словам up, down, strange, charmed, beaty и truth. Более того, каждому кварку соответствует его антикварк. Ни один кварк, ни разу не был Зарегистрирован в свободном виде, несмотря на многолетние поиски. Кварки можно наблюдать только внутри адронов.

    Физика элементарных частиц базируется на понятии о фундаментальных взаимодействиях гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

    Электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами, которые изучены лучше остальных бозонов. Источник фотонов – электрический заряд. Гравитационное взаимодействие связано с пока гипотетическими частицами – гравитонами . Нейтральный (Z 0) и заряженные (W + ,W –)бозоны являются переносчиками слабого взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами и нейтрино. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны . Они как бы склеивают кварки в адронах. Источники глюонов – так называемые «цветовые» заряды. Они не имеют никакого отношения к обычным цветам и названы так для удобства описания. Каждый из шести ароматов кварков существует в трех цветовых разновидностях: желтой, синей или красной (ж, с, к соответственно). Антикварки тоже несут цветовые антизаряды. Важно подчеркнуть, что три заряда и три антизаряда совершенно не зависят от ароматов кварков. Таким образом, в настоящее время полное число кварков и антикварков (с учетом трех цветов и шести ароматов достигло 36. Кроме того, имеется еще девять глюонов. Глюоны, как и кварки, не наблюдаются в свободном состоянии.

    Существование кварков и глюонов приводит к появлению нового, состояния вещества, которое носит название кварк-глюонной плазмы.

    Это плазма, состоящая не из электронов и ионов, как обычная плазма, а из кварков и глюонов, слабо взаимодействующих друг с другом или не взаимодействующих вообще.

    Одной из главных задач микрофизики, о решении которой мечтал еще А. Эйнштейн, является создание единой теории поля, которая объединила бы все известные фундаментальные взаимодействия. Создание такой теории означало бы фундаментальный прорыв во всех областях науки.

    К настоящему времени создана и признана теория, которая объединяет два фундаментальных взаимодействия – слабое и электромагнитное. Она называется единой теорией слабого и электромагнитного (электрослабого) взаимодействия и утверждает, что существуют особые частицы – переносчики взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами, нейтрино. Эти частицы, названные бозонами W + , W – и Z°, были теоретически предсказаны в 70-х гг. прошлого века и экспериментально обнаружены в 1983 г.

    Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой. Данная теория, описывающая взаимодействие кварков и глюонов, построена по образу квантовой электродинамики, которая, в свою очередь, описывает электромагнитные взаимодействия, обусловленные обменом фотонами. В отличие от электрически нейтральных фотонов, глюоны являются носителями «цветовых» зарядов. Это приводит к тому, что при попытке развести их в пространстве энергия взаимодействия возрастает. В результате глюоны и кварки не существуют в свободном состоянии: они «самозапираются» внутри адронов.

    Современную теорию элементарных частиц, состоящую из теорий электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, принято называть стандартной моделью . Эта сложная, но уже почти законченная феноменологическая теория – главный теоретический инструмент, с помощью которого решаются задачи микрофизики

    «Великое объединение» – так называют теоретические модели, исходящие из представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий. Оно призвано объединить все существующие частицы: фермионы, бозоны и скалярные частицы. В рамках теории «Великого объединения» хорошо объясняются многие очень важные явления, в частности такие, как наблюдаемая глюонная асимметрия Вселенной, малая ненулевая масса покоя нейтрино, квантование электрического заряда и существование решений типа магнитных монополей Дирака. По последним данным, среднее время жизни протона составляет более 1,6 10 33 лет. Доказательство нестабильности протона явилось бы открытием фундаментальной важности. Однако пока этот распад не зафиксирован. Ученые надеются, что дальнейшее развитие моделей «Великого объединения» приведет к объединению всех взаимодействий, включая и гравитационное (суперобъединение). Но это – дело будущего.

    В микрофизике известна и играет важную роль некая фундаментальная длина, называемая планковской, или гравитационной, длиной – l g = 1,6 –33 см. Считается, что длины меньше планковской в природе не существует. Совместно с планковским временем t g ~ 1,6 10 –43 с они составляют пространственно-временные кванты, которые призваны лечь в основу будущей квантовой теории гравитации. По мнению академика В.Л. Гинзбурга, физический смысл длины l g заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в 1915 г.

    В настоящее время наименьший «прицельный параметр», достигнутый на современных ускорителях, составляет l f ~ 10 –17 см. Таким образом, можно заключить, что вплоть до расстояний l f ~ 10 –17 см и времен l f /c ~ 10 –27 с существующие пространственно-временные координаты справедливы. Значение l f отличается от значения l g на целых 16 порядков, поэтому вопрос о фундаментальной длине еще остается актуальным для науки.

    В первой половине XX в., когда объектами изучения микрофизики были атом, а затем атомное ядро, для того чтобы понять поведение электронов в атомах, пришлось совершить подлинную революцию в науке – создать квантовую механику. Микрофизика занимала тогда в естествознании совершенно особое место. Благодаря ее успехам мы смогли разобраться в строении вещества. Микрофизика – это фундамент современной физической науки.

    Макромир

    От микромира к макромиру. Теория строения атома дала химии ключ к познанию сущности химических реакций и механизма образований химических соединений – более сложного молекулярного уровня организации вещественной материи по сравнению с элементной атомной формой.

    Квантовая механика позволила решить очень важный вопрос о расположении электронов в атоме и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. При их построении ученые исходили из общих соображений об устойчивости различных комбинаций электронов. И естественно, что путеводной нитью при этом служил периодический закон Д.И. Менделеева.

    При разработке схем строения атомов элементов учитывалось следующее:

    1)принималось, что число электронов в атоме равно заряду атомного ядра, т.е. порядковому номеру элемента в периодической системе;

    2)вся электронная оболочка распадается на несколько слоев соответствующих определенным энергетическим уровням (n = 1, 2,3,4,...);

    3)на каждом уровне п может находиться не более N электронов, где N= 2п 2 ;

    4)состояние каждого электрона в атоме определяется совокупностью четырех квантовых чисел п, l , т и s.

    В соответствии с принципом Паули все электроны в атоме отличаются друг от друга хотя бы одним квантовым числом. В атоме нет двух электронов, у которых все квантовые числа одинаковы, соответствии с указанными допущениями построены упрощенные схемы строения атомов для первых трех периодов таблицы Менделеева.

    Несмотря на условность и простоту этих схем, они тем не менее достаточны для объяснения важнейших свойств элементов и ия соединений.

    Так, например, на первом энергетическом уровне (n = 1, l =0, т = 0) могут находиться только два электрона, отличающиеся своими спиновыми квантовыми числами (s = ±1/2). Других электронов при п = 1 быть не может. Это соответствует тому, что если на первом уровне имеется один электрон, то это - атом водорода; если два электрона, то это – атом гелия. Оба элемента заполняют первый ряд таблицы Менделеева.

    Второй ряд таблицы Менделеева занимают элементы, электроны которых расположены на втором энергетическом уровне (п = 2). Всего на втором энергетическом уровне может быть восемь электронов (N=2 · 2 2).

    Действительно, при п = 2 могут иметь место следующие состояния электронов: если l = 0 и т = 0, то может быть два электрона с противоположными спинами; если l = 1, то т может принимать три значения (т = –1; 0; +1), и каждому значению т соответствует также по два электрона с разными спинами. Таким образом, всего будет восемь электронов.

    Второй ряд элементов в таблице Менделеева, у которых последовательно добавляется по одному электрону на втором энергетическом уровне, - литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон.

    При главном квантовом числе п = 3 l может принимать три зна­чения (l =0; 1; 2), а каждому l соответствует несколько значений т. при l = 0 т = 0; при l ~ 1 т = –1; 0; +1; при l=2 т= –2; -1; 0; I 1; +2 (рис. 2.4).

    Так как всего может быть девять значений т, а каждому состоянию т соответствует два электрона с разными значениями s = ±1/2, nо всего на третьем энергетическом уровне (п = 3) может быть 18 электронов (N = 2 · З 2).

    Третий ряд в таблице Менделеева соответствует последователь­ному заполнению электронами внешнего энергетического уровня у элементов от натрия до аргона (натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, аргон).

    Энергетические уровни и возможные состояния электронов в атоме:возможные орбиты, на которых электрон в атоме движется вокруг ядра, можно изобразить в виде окружностей (А), в каждой из которых точно укладывается целое число длин световых волн, равное главному квантовому числу п. Двумерный аналог атома может быть описан двумя квантовыми числами, а реальный атом характеризуют три квантовых числа.

    Следующие ряды периодической системы соответствуют более сложным правилам заполнения внешних уровней атомов электронами, поскольку при увеличении общего числа электронов, а атомах начинают проявляться коллективные взаимодействия между разными группами электронов, расположенных на разных энергетических уровнях. Это приводит к необходимости учитывать ряд более тонких эффектов.

    Выяснение строения электронных оболочек атомов оказало влияние и на саму структуру периодической системы, несколько изменив существовавшее до тех пор деление элементов на периоды. В прежних таблицах каждый период начинался с инертного газа, причем водород оставался вне периодов. Но теперь стало ясно, что новый период должен начинаться с того элемента, в атоме которого впервые появляется новый электронный слой в виде одного валентного электрона (водород и щелочные металлы), и заканчиваться тем элементом, в атоме которого этот слой имеет восемь электронов, образующих очень прочную электронную структуру, свойственную инертным газам.

    Теория строения атомов разрешила также вопрос о положении в периодической системе редкоземельных элементов, которые ввиду их большого сходства друг с другом нельзя было распределить по различным группам. Атомы этих элементов отличаются друг от друга строением одного из внутренних электронных слоев, в то время как число электронов в наружном слое, от которого главным образом зависят химические свойства элемента, у них одинаково. По этой причине все редкоземельные элементы (лантаноиды) помещены теперь вне общей таблицы.

    Однако основное значение теории строения атомов заключалось в раскрытии физического смысла периодического закона, который, но времена Менделеева был еще неясен. Достаточно взглянуть на таблицу расположения электронов в атомах химических элементов, чтобы убедиться, что с увеличением зарядов атомных ядер постоянно повторяются одни и те же комбинации электронов в наружном слое атома. Таким образом, периодическое изменение свойств химических элементов происходит вследствие периодического возвращения к одним и тем же электронным конфигурациям.

    Попытаемся установить более точно, в какой зависимости от строения электронных оболочек находятся химические свойства атомов.

    Рассмотрим сначала изменение свойств в периодах. В пределах каждого периода (кроме первого) металлические свойства, наиболее резко выраженные у первого члена периода, при переходе к последующим членам постепенно ослабевают и уступают место металлоидным свойствам: в начале периода стоит типичный металл, в конце – типичный металлоид (неметалл) и за ним – инертный газ.

    Закономерное изменение свойств элементов в периодах может быть объяснено следующим образом. Наиболее характерным свойством металлов с химической точки зрения является способность их атомов легко отдавать внешние электроны и превращаться в положительно заряженные ионы, тогда как металлоиды, наоборот, характеризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательных ионов.

    Для отрыва электрона от атома с превращением последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию, которая называется потенциалом ионизации.

    Потенциал ионизации имеет наименьшее значение у элементов, начинающих период, т.е. у водорода и щелочных металлов, и наибольшее – у элементов, заканчивающих период, т.е. у инертных газов. Величина его может служить мерой большей или меньшей «металличности» элемента: чем меньше потенциал ионизации, чем легче оторвать электрон от атома, тем сильнее должны быть выражены металлические свойства элемента.

    Величина потенциала ионизации зависит от трех причин:от величины заряда ядра, радиуса атома и особого рода взаимодействия между электронами в электрическом поле ядра, вызванного их волновыми свойствами. Очевидно, что чем больше заряд ядра и чем меньше радиус атома, тем сильнее притягивается электрон к ядру тем больше потенциал ионизации.

    У элементов одного и того же периода при переходе от щелочного металла к инертному газу заряд ядра постепенно возрастает, а радиус атома уменьшается. Следствием этого и является постепенное увеличение потенциала ионизации и ослабление металлических свойств. У инертных газов, хотя радиусы их атомов больше, чем радиусы атомов галогенов, стоящих в том же периоде, потенциалы ионизации больше, чем у галогенов. В этом случае сильно сказывается действие третьего из вышеупомянутых факторов – взаимодействия между электронами, вследствие чего внешняя электронная оболочка атома инертного газа имеет особую энергетическую устойчивость, и удаление из нее электрона требует значительно большей затраты энергии.

    Присоединение электрона к атому металлоида, превращающее его электронную оболочку в устойчивую оболочку атома инертного газа, сопровождается выделением энергии. Величина этой энергии при расчете на 1 грамм-атом элемента служит мерой так называемого сродства к электрону. Чем больше сродство к электрону, тем легче атом присоединяет электрон. Сродство атомов металлов к электрону равно нулю, – атомы металлов не способны присоединять электроны. У атомов же металлоидов сродство к электрону тем больше, чем ближе к инертному газу стоит металлоид в периодической системе. Поэтому в пределах периода металлоидные свойства усиливаются по мере приближения к концу периода.

    В повседневной жизни нам не приходится иметь дело с атомами. Окружающий нас мир построен из объектов, образованных из гигантского числа атомов в виде твердых тел, жидкостей и газов. Следовательно, нашим следующим шагом должно быть изучение того, как атомы взаимодействуют друг с другом, образуя молекулы, а затем и макроскопическое вещество. Даже человеческая индивидуальность (и вообще поведение всех живых организмов) является результатом различий в структурах гигантских молекул, несущих генетическую информацию.

    Молекулы состоят из одинаковых или различных атомов, соеди­ненных между собой межатомными химическими связями. Устойчивость молекул свидетельствует о том, что химические связи обусловлены силами взаимодействия, связывающими атомы в молекулу.

    Силы межатомного взаимодействия возникают между внешними электронами атомов. Потенциалы ионизации этих электронов значительно меньше, чем у электронов, находящихся на внутренних энергетических уровнях.

    Нахождение конкретных формул химических соединений значительно упрощается, если воспользоваться понятием о валентности элементов, т.е. свойством его атомов присоединять к себе или замещать определенное число атомов другого элемента.

    Понятие о валентности распространяется не только на отдельные атомы, но и на целые группы атомов, входящие в состав химических соединений и участвующие как одно целое в химических реакциях. Такие группы атомов получили название радикалов.

    Физические основы химических связей в молекулах вещества . Однако природа сил, обусловливающих связь между атомами в молекулах, долгое время оставалась неизвестной. Только с развитием учения о строении атома появились теории, объясняющие причину различной валентности элементов и механизм образования химических соединений на основе электронных представлений. Все эти теории основываются на существовании связи между химическими и электрическими явлениями.

    Остановимся, прежде всего, на отношении веществ к электрическому току.

    Одни вещества являются проводниками электрического тока, как и твердом, так и в жидком состоянии: таковы, например, все металлы. Другие вещества в твердом состоянии тока не проводят, но элекропроводны в расплавленном виде. К ним принадлежит огромное большинство солей, а также многие окислы и гидраты окислов. Наконец, третью группу составляют вещества, не проводящие тока ни в твердом, ни в жидком состоянии. Сюда относятся почти все металлоиды.

    Опытом установлено, что электропроводность металлов обу­словлена движением электронов, а электропроводность расплавленных солей и им подобных соединений – движением ионов, имеющих противоположные заряды. Например, при прохождении тока через расплавленную поваренную соль к катоду движутся положительно заряженные ионы натрия Na + , а к аноду – отрицательно за­ряженные ионы хлора Сl – . Очевидно, что в солях ионы существуют уже в твердом веществе, расплавление лишь создаст условия для их свободного движения. Поэтому такие соединения получили название ионных соединений. Вещества, практически не проводящие тока, не содержат ионов: они построены из электрически нейтральных молекул или атомов. Таким образом, различное отношение веществ к электрическому току является следствием различного электрического состояния частиц, образующих эти вещества.

    Указанным выше типам веществ отвечают два различных ти­па химической связи:

    а)ионная связь, иначе называемая электровалентной (между противоположно заряженными ионами в ионных соединениях);

    б)атомная, или ковалентная, связь (между электронейтральными атомами в молекулах всех остальных веществ).

    Ионная связь .Такого типа связь существует между противополож­но заряженными ионами и образуется в результате простого электро­статического притяжения ионов друг к другу.

    Положительные ионы образуются путем отщепления от атомов электронов, отрицательные – путем присоединения электронов к атомам.

    Так, например, положительный ион Na + образуется при отщеплении от атома натрия одного электрона. Так как в наружном слое атома натрия находится только один электрон, то естественно предположить, что именно этот электрон, как наиболее удаленный от ядра, и отщепляется от атома натрия при превращении его в ион. Подобным же образом ионы магния Mg 2+ и алюминия А1 3+ получаются в результате отщепления от атомов магния и алюминия соответственно двух и трех внешних электронов.

    Напротив, отрицательные ионы серы и хлора образуются путем присоединения к этим атомам электронов. Поскольку внутренние электронные слои в атомах хлора и серы заполнены, дополнитель­ные электроны в ионах S 2 и Сl – , очевидно, должны были занять места во внешнем слое.

    Сравнивая состав и строение электронных оболочек ионов Na + , Mg 2+ , А1 3+ , мы видим, что у всех этих ионов они одинаковы – такие же, как у атомов инертного газа неона (Ne).

    В то же время ионы S 2 и Сl – , образующиеся в результате при­соединения электронов к атомам серы и хлора, имеют такие же элек­тронные оболочки, как и атомы аргона (Аг).

    Таким образом, в рассмотренных случаях при превращении атомов в ионы электронные оболочки ионов уподобляются оболочкам атомов инертных газов, наиболее близко к ним расположенных в периодической системе.

    Современная теория химической связи объяс

  • V. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ СТУДЕНТАМ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
  • V. Особенности организации контроля знаний по отдельным видам учебной работы студентов



    • Фенолы и ароматические спирты

    Фенолы и ароматические спирты

    2024-05-08 04:30:40

    Презентация по обж на тему

    Презентация по обж на тему "естественная радиоактивность"

    2024-05-08 04:30:40

    Дата подписания акта о безоговорочной капитуляции

    Дата подписания акта о безоговорочной капитуляции

    2024-05-07 04:26:29

    Юпитер — самая массивная планета

    Юпитер — самая массивная планета

    2024-05-06 04:23:49



    error: Контент защищен !!