Что такое вещество и материя. Материя, ее свойства и виды. Основные понятия ядерной физики

Какие виды материи существуют? и получил лучший ответ

Ответ от Ell04ka[гуру]
в школе изучают два: вещество и поле.
А вообще-то.. .
1 Вещество
- Адронное вещество - основную массу этого типа вещества составляют элементарные частицы адроны
+ Барионное вещество (барионная материя) - основной (по массе) компонент - барионы
# Вещество в классическом понимании. Состоит из атомов в обычном смысле этого слова, то есть из атомов, содержащих протоны, нейтроны и электроны. Эта форма материи доминирует в Солнечной системе и в ближайших звёздных системах
# Антивещество - состоит из антиатомов, содержащих антипротоны, антинейтроны и позитроны
# Нейтронное вещество - состоит преимущественно из нейтронов и лишено атомного строения. Основной компонент нейтронных звёзд, существенно более плотный, чем обычное вещество, но менее плотный, чем кварк-глюонная плазма
- Другие виды веществ имеющих атомоподобное строение (например, вещество, образованное мезоатомами с мюонами)
- Кварк-глюонная плазма - сверхплотная форма вещества, существовавшая на ранней стадии эволюции Вселенной до объединения кварков в классические элементарные частицы (до конфайнмента)
- Докварковые сверхплотные материальные образования, составляющие которых - струны и другие объекты, c которыми оперируют теории великого объединения (см. теория струн, теория суперструн) . Основные формы материи, предположительно существовавшие на ранней стадии эволюции Вселенной. Струноподобные объекты в современной физической теории претендуют на роль наиболее фундаментальных материальных образований, к которым можно свести все элементарные частицы, т. е. в конечном счёте, все известные формы материи. Данный уровень анализа материи, возможно, позволит объяснить с единых позиций свойства различных элементарных частиц. Принадлежность к «веществу» здесь следует понимать условно, поскольку различие между вещественной и полевой формами материи на данном уровне стирается

2 Поле (в классическом смысле)
- Электромагнитное поле
- Гравитационное поле
3 Квантовые поля различной природы. Согласно современным представлениям квантовое поле является универсальной формой материи, к которой могут быть сведены как вещества, так и классические поля
4 Материальные объекты неясной физической природы
- Тёмная материя
- Тёмная энергия
Источник: Википедия - Статья о материи (физика)

Ответ от 2 ответа [гуру]

Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: Какие виды материи существуют?

Ответ от Артём Переведенцев [новичек]
Основные виды материи [править | править вики-текст]
Основная статья: Формы материи
Вещество:
Адронное вещество - его структурой является множество составных частиц: адронов.
Барионное вещество (барионная материя) - вещество состоящее из барионов.
Вещество в классическом понимании. Состоит преимущественно из фермионов. Эта форма материи доминирует в Солнечной системе и в ближайших звёздных системах.
Антивещество - состоит из античастиц.
Нейтронное вещество - состоит преимущественно из нейтронов и лишено атомного строения. Основной компонент нейтронных звёзд, существенно более плотный, чем обычное вещество, но менее плотный, чем кварк-глюонная плазма.
Другие виды веществ, имеющих атомоподобное строение (например, вещество, образованное мезоатомами с мюонами).
Кварк-глюонная плазма - сверхплотная форма вещества, существовавшая на ранней стадии эволюции Вселенной до объединения кварков в классические элементарные частицы (до конфайнмента).
Гипотетические докварковые сверхплотные материальные образования, составляющие которых - струны и другие объекты, c которыми оперируют теории великого объединения (см. теория струн, теория суперструн). Основные формы материи, предположительно существовавшие на ранней стадии эволюции Вселенной. Струноподобные объекты в современной физической теории претендуют на роль наиболее фундаментальных материальных образований, к которым можно свести все элементарные частицы, то есть в конечном счёте, все известные формы материи. Данный уровень анализа материи, возможно, позволит объяснить с единых позиций свойства различных элементарных частиц. Принадлежность к «веществу» здесь следует понимать условно, поскольку различие между вещественной и полевой формами материи на данном уровне стирается.
Поле, в отличие от вещества, не имеет внутренних пустот, обладает абсолютной плотностью.
Поле (в классическом смысле):
Электромагнитное поле.
Гравитационное поле.
Квантовые поля различной природы. Согласно современным представлениям квантовое поле является универсальной формой материи, к которой могут быть сведены как вещества, так и классические поля, при этом существует нечёткое разделение на вещественные поля (лептонные и кварковые поля фермионной природы) и поля взаимодействий (глюонные сильные, промежуточные бозонные слабые и фотонное электромагнитное поля бозонной природы, сюда же относят пока гипотетическое поле гравитонов). Особняком среди них стоит поле Хиггса, которое сложно отнести однозначно к любой из этих категорий.
Материальные объекты неясной физической природы:
Тёмная материя.
Тёмная энергия.
Эти объекты были введены в научный обиход для объяснения ряда астрофизических и космологических явлений.

Ответ от Ильгиз Каримов [новичек]
Спасибо большое всё нравится))

Ответ от Макс games [новичек]
Материя – это содержимое нашего бытия. Она является объективной реальностью, наполняет пространство и служит главной составляющей всех живых и неживых элементов. Две, казалось бы, несовместимые области знаний, такие как наука и философия, согласны лишь в одном – в том, что материя выполняет главенствующую роль в жизни микро- и макромиров. Из чего состоит материя, которая нас окружает и из которой мы сделаны? Почему она принимает такие странные формы, многие из которых для нас еще даже не раскрыты? Попробуем в этом немного разобраться.
Как этот термин понимали великие люди?
О том, из чего состоит материя, и как она настолько кардинально меняет свои формы, люди начали думать еще со времен античности. В те годы не было микроскопов и телескопов, и даже самые мудрые философы не могли изучить какой-либо человеческий орган или просто деревяшку, из которой сбит стул, до атомного уровня. Однако античные знатоки четко знали, что такое пространство-время и как в нем ведут себя все элементы. Именно они составили трактовку, которая дошла до наших дней. Материя была поделена на две половины: вещи наполняли пространство, а события – время. Из-за постоянного хода последнего все предметы и живые объекты могли менять свою форму. Человек рождался, старел и умирал, дерево осыпалось, металл ржавел. В 17 веке физик и математик Лейбниц определил материю как субъект, определяющий свойства времени и пространства. В дальнейшем его труды проявились в теории относительности Эйнштейна. из чего состоит материя
Разглядывая что-либо под микроскопом
Если мы обратимся за помощью к биологической оптике, то своими глазами сможем увидеть, что материя состоит из атомов. Это простейшая характеристика данного термина, которая не имеет опровержений и не требует дальнейших доказательств. Атомами именуются малейшие частицы всего, что нас окружает, и нас самих. Структура каждого из них идентична. Но при этом в атомах каждого отдельного элемента нашего мира, будь то метановое облако в атмосфере Юпитера или печень собаки, закодирована информация о свойствах объекта-носителя. Атом состоит из ядра, которое всегда заряжено положительно, и электронов. Когда число протонов и электронов совпадает, данная частица становится нейтральной с точки зрения электрического заряда. Если равновесие нарушается, то атом превращается в ион, который имеет положительный или отрицательный заряд. материя состоит из атомов
Во что выливаются атомы?
Из скопления двух и более атомов образуется молекула. В ней помимо информации о носителе содержится также немалая доля соединительного вещества. Благодаря ему молекулы способны образовывать ту самую материю, о которой мы говорим. Такие соединения передают информацию от разных атомов друг через друга и создают тем самым неразрывное вещество. Самое интересное то, что группироваться могут молекулы изначально разных компонентов. Самым ярким примером тут послужит вода: в ней присутствует водород и кислород в определенном процентном соотношении. Получается, чтобы понять, из чего состоит материя, нам нужно лишь изучить элементы периодической таблицы Менделеева и найти их в тех или иных предметах, которые нас окружают. материя состоит из вещества
Что видим мы невооруженным глазом?
Отодвинув в сторону телескоп, мы, получив определенные знания, видим, что материя состоит из вещества. Благодаря своему строению, которое можно рассмотреть через оптику, оно способно принимать одно из четырех агрегатных состояний: газообразное, жидкое, твердое и плазматическое. Первые три из них мы можем легко представить на примере той же воды, которая, будучи жидкой, может превратиться в лед или в газ. Некоторые другие элементы могут существовать лишь в одном из этих четырех состояний. Углубляясь в античную философию, невозможно не провести аналогию с четырьмя стихиями.

Объектами изучения физической науки являются материя, ее свойства и структурные формы, из которых складывается окружающий нас мир. Согласно представлениям современной физики существует два вида материи: вещество и поле . Вещество - вид материи, состоящей из фундаментальных частиц, обладающих массой. Мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его свойствами, – молекула – состоит из атомов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. А из чего состоят атомы? Всякий атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов (рис. 21.1).

Размер электрона до

В свою очередь, ядра состоят из протонов и нейтронов.

Можно задать следующий вопрос. А из чего состоят протоны и нейтроны? Ответ известен - из кварков. А электрон? Современные средства изучения структуры частиц не позволяют ответить на этот вопрос.

Поле как физическая реальность (т. е. вид материи) было впервые введено М. Фарадеем. Он предположил, что взаимодействие между физическими телами осуществляется через особый вид материи, который получил название поля.

Всякое физическое поле обеспечивает определенный вид взаимодействия между частицами вещества. В природе обнаружено четыре основных вида взаимодействия: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое.

Электромагнитное взаимодействие наблюдается между заряженными частицами. При этом возможно притяжение и отталкивание.

Гравитационное взаимодействие, основным проявлением которого является закон всемирного тяготения, выражается в притяжении тел.

Сильное взаимодействие - это взаимодействие между адронами. Радиус его действия порядка м, т. е. порядка размеров ядра атома.

Наконец, последнее взаимодействие - это слабое взаимодействие, посредством которого реагирует с веществом такая неуловимая частица, как нейтрино. В полете сквозь космическое пространство, столкнувшись с Землей, она прошивает ее насквозь. Примером процесса, в котором проявляется слабое взаимодействие, является бета-распад нейтрона.

Все поля имеют массу, равную нулю. Особенностью поля является проницаемость для других полей и вещества. Поле подчиняется принципу суперпозиции. Поля одного и того же вида при наложении могут усиливать или ослаблять друг друга, что невозможно для вещества.

Классические частицы (материальные точки) и непрерывные физические поля - вот те элементы, из которых составлялась физическая картина мира в классической теории. Однако такая двойственная картина строения материи оказалась недолговечной: вещество и поле объединяются в единое понятие квантового поля. Всякая частица теперь - это квант поля, особое состояние поля. В квантовой теории поля нет принципиального различия между вакуумом и частицей, различие между ними - это различие между двумя состояниями одной и той же физической реальности. Квантовая теория поля наглядно показывает, почему невозможно пространство без материи: "пустота" – это всего лишь особое состояние материи, а пространство - это форма существования материи.

Таким образом, деление материи на поле и вещество как на два вида материи является условным и оправдано в рамках классической физики.

Согласно теории корпускулярно-волнового дуализма свет – это поток частиц – квантов или фотонов, несущих определенные порции энергии и импульса, но в то же время свет – это волны электромагнитного поля, обладающие энергией и импульсом и распространяющиеся в пространстве со скоростью света.

В квантовой механике любой частице соответствует волна. А когда частиц много? С точки зрения квантовой механики можно было бы сопоставить каждой частице свое поле. Однако опыт свидетельствует о полной неразличимости тождественных частиц. Конечно, уэлектронов могут быть разные энергии и импульсы, но при одних и тех же параметрах электроны одинаковы.

Итак, если все частицы одинаковы, как волны в одной и той же среде, то, значит, эта среда, т. е. поле, является более фундаментальным понятием.

Поле определяется через силы, действующие на некоторый пробный объект (заряд, массу), помещенный в данную точку пространства. Пространство непрерывно. В каждой его точке эта сила имеет вполне определенное значение, считающееся характеристикой поля. При этом переход от точки к точке непрерывный и плавный. Важным свойством поля является непрерывность его характеристик. Именно непрерывность позволяет эффективно применять математические методы для описания физических характеристик разнообразных объектов. К настоящему времени известно несколько типов физических полей, соответствующих типам взаимодействий, – электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля элементарных частиц.

С математической точки зрения поле – это произвольная функция или набор функций, координат и времени.

Поля могут быть постоянными и переменными. Например, электрическое и магнитное поля фотона являются переменными (они синусоидально зависят от координат и времени, т. е. изменяются по гармоническому закону), а магнитное поле Земли и электрическое поле в грозовой туче постоянные.

Вещество построено из электронов и нуклонов (протонов и нейтронов). Последние в свою очередь состоят из кварков. Различного рода взаимодействия между частицами вещества осуществляются полями. Кванты полей, переносящих электромагнитное взаимодействие, представляют собой фотоны, гравитационное взаимодействие – гравитоны, сильное взаимодействие – глюоны, слабое взаимодействие – векторные бозоны.

В классической физике вещество и поле абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго – непрерывна. Открытие в квантовой теории двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов нивелирует это противопоставление. На этой основе были строго разделены категории вещества и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся в философии и науке, причем философское значение осталось за категорией материи, а понятие вещество сохранило научный смысл в физике и химии. В земных условиях для веществ известны четыре состояния: твердые тела, жидкости, газы, плазма.

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

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

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Введение

2. О понятии «материя». Становление и развитие общих представлений о материи

2.2 Материя в философии

2.3 Материя в физике

3. Основные виды материи

4. Свойства и атрибуты материи

5. Формы движения материи

6. Структурные уровни организации материи

Заключение

Литература

1. ВВЕДЕНИЕ

Проблема определения сущности материи весьма сложна. Сложность заключается в высокой степени абстрактности самого понятия материи, а также в многообразии различных материальных объектов, форм материи, ее свойств и взаимообусловленностей.

Обращая свое внимание на окружающий нас мир, мы видим совокупность разнообразных предметов, вещей. Эти предметы обладают самыми различными свойствами. Одни из них имеют большие размеры, другие - меньшие, одни просты, другие - более сложны, одни постигаемы достаточно полно непосредственно чувственным образом, для проникновения в сущность других необходима абстрагирующая деятельность нашего разума. Отличаются эти предметы и по силе своего воздействия на наши органы чувств.

Однако при всей своей многочисленности и разнообразии самые различные предметы окружающего нас мира имеют один общий, если так можно выразиться, знаменатель, позволяющий объединить их понятием материи. Это общее есть независимость всего многообразия предметов от сознания людей. В то же время это общее в бытии различных материальных образований является предпосылкой единства мира. Однако заметить общее в самых различных предметах, явлениях, процессах - задача далеко не простая. Для этого нужна определенная система сложившихся знаний и развитая способность к абстрагирующей деятельности человеческого разума. Поскольку знания есть продукт приобретенный, причем накапливаемый постепенно, в течение длительного времени, то многие суждения людей о природе и обществе первоначально носили весьма неотчетливый, приближенный, а порой и просто неверный характер. В полной мере это относится и к определению категории материи.

2. О ПОНЯТИИ «МАТЕРИЯ». СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ОБЩИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МАТЕРИИ

2.1 Становление и развитие общих представлений о материи

Самый беглый анализ представлений древних ученых о материи показывает, что все они по духу своему были материалистическими, но общим их недостатком было, во-первых, сведение понятия материи к какому-то конкретному виду вещества или ряду веществ. А во-вторых, признание материи в качестве строительного материала, некоей первичной неизменной субстанции автоматически исключало выход за пределы имеющихся о ней представлений. Тем самым каким-либо конкретным видом вещества с присущими ему свойствами ограничивалось дальнейшее познание, проникновение в сущность материи. Все же большой заслугой древних материалистов было изгнание представлений о боге-творце и признание взаимосвязи материи и движения, а также вечности их существования.

Заметный след в развитии учения о материи оставили мыслители Древней Греции Левкипп и особенно Демокрит - родоначальники атомистического учения об окружающем мире. Они впервые высказали мысль о том, что все предметы состоят из мельчайших неделимых частиц - атомов. Первичная субстанция - атомы движутся в пустоте, и их различные сочетания суть те или иные материальные образования. Уничтожение вещей, по Демокриту, означает лишь их разложение на атомы. В самом понятии атома содержится нечто общее, присущее различным телам.

Весьма важную попытку дать определение материи сделал французский материалист XVIII века Гольбах, который в работе "Система природы" писал, что "по отношению к нам материя вообще есть все то, что воздействует каким-нибудь образом на наши чувства".

Здесь мы видим стремление выделить то общее в различных формах материи, а именно: что они вызывают у нас ощущения. В этом определении Гольбах уже отвлекается от конкретных свойств предметов и дает представление о материи как абстракции. Вместе с тем определение Гольбаха было ограниченным. Оно не раскрывало до конца сущности всего того, что воздействует на наши органы чувств, оно не раскрывало специфики того, что не может воздействовать на наши чувства. Эта незавершенность предложенного Гольбахом определения материи создавала возможности как для материалистической, так и идеалистической ее трактовки.

К концу XIX века естествознание, и в частности физика, достигло достаточно высокого уровня своего развития. Были открыты общие и, казалось, незыблемые принципы строения мира. Была открыта клетка, сформулирован закон сохранения и превращения энергии, установлен Дарвиным эволюционный путь развития живой природы, Менделеевым создана периодическая система элементов. Основой бытия всех людей, предметов признавались атомы - мельчайшие, с точки зрения того времени, неделимые частицы вещества. Понятие материи отождествлялось, таким образом, с понятием вещества, масса характеризовалась как мера количества вещества или мера количества материи. Материя рассматривалась вне связи с пространством и временем. Благодаря работам Фарадея, а затем Максвелла, были установлены законы движения электромагнитного поля и электромагнитная природа света. При этом распространение электромагнитных волн связывалось с механическими колебаниями гипотетической среды - эфира. Физики с удовлетворением отмечали: наконец-то, картина мира создана, окружающие нас явления укладываются в предначертанные им рамки.

На благополучном, казалось, фоне "стройной теории" вдруг последовала целая серия необъяснимых в рамках классической физики научных открытий. В 1896 г. были открыты рентгеновские лучи. В 1896 г. Беккерель случайно обнаружил радиоактивность урана, в этом же году супруги Кюри открывают радий. Томсоном в 1897 г. открыт электрон, а в 1901 г. Кауфманом показана изменчивость массы электрона при его движении в электромагнитном поле. Наш соотечественник Лебедев обнаруживает световое давление, тем самым окончательно утверждая материальность электромагнитного поля. В начале ХХ века Планком, Лоренцом, Пуанкаре и др. закладываются основы квантовой механики, и, наконец, в 1905г. Эйнштейном создается специальная теория относительности.

Многие физики того периода, мыслящие метафизически, не смогли понять сути этих открытий. Вера в незыблемость основных принципов классической физики привела их к скатыванию с материалистических позиций в сторону идеализма. Логика их рассуждений была такова. Атом - мельчайшая частица вещества. Атом обладает свойствами неделимости, непроницаемости, постоянства массы, нейтральности в отношении заряда. И вдруг оказывается, что атом распадается на какие-то частицы, которые по своим свойствам противоположны свойствам атома. Так, например, электрон имеет изменчивую массу, заряд и т.д. Это коренное отличие свойств электрона и атома привело к мысли, что электрон нематериален. А поскольку с понятием атома, вещества отождествлялось понятие материи, а атом исчезал, то отсюда следовал вывод: "материя исчезла". С другой стороны, изменчивость массы электрона, под которой понималось количество вещества, стала трактоваться как превращение материи в "ничто". Таким образом, рушился один из главнейших принципов материализма - принцип неуничтожимости и несотворимости материи.

Диалектико-материалистическое определение материи направлено против отождествления понятия материи с ее конкретными видами и свойствами. Тем самым оно допускает возможность существования, а значит, и открытия в будущем новых неизвестных, "диковинных" видов материи. Следует сказать, что в последние годы физики и философы все настойчивее предсказывают такую возможность.

2.2 Материя в философии

Материя в философии (от лат. materia - вещество) - философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них (объективно).

Материя является обобщением понятия материального и идеального, в силу их относительности. Тогда как термин «реальность» носит гносиологический оттенок, термин «материя» носит онтологический оттенок.

Понятие материи является одним из фундаментальных понятий материализма и в частности такого понятия в философии, как диалектический материализм.

2.3 Материя в физике

Материя в физике (от лат. materia - вещество) - фундаментальное физическое понятие, связанное с любыми объектами, существующими в природе, о которых можно судить благодаря ощущениям.

Физика описывает материю как нечто, существующее в пространстве и во времени; либо как нечто, само задающее свойства пространства и времени.

Изменения во времени, происходящие с различными формами материи , составляют физические явления . Основной задачей физики является описание свойств тех или иных видов материи.

3. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МАТЕРИИ

В современном естествознании различают 3 вида материи:

Вещество -- основной вид материи, обладающий массой. К вещественным объектам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы, многочисленные образовавшиеся из них материальные объекты. В химии вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные (химические соединения). свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул. Это и обуславливает различные агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное + плазма при сравнительно высокой температуре) переход вещества из одного состояния в другое можно рассмотреть как один из видов движения материи.

Физическое поле -- особый вид материи, который обеспечивает физическое взаимодействие материальных объектов и систем.

Физические поля:

Электромагнитное и гравитационное

Поле ядерных сил

Волновые (квантовые) поля

Источник физических полей -- элементарные частицы. Направление для электромагнитного поля -- источник, заряженные частицы

Физические поля, которые создаются частицами переносят взаимодействие между этими частицами с конечной скоростью.

Квантовые теории -- взаимодействие обусловлено обменом квантами поля между частицами.

Физический вакуум -- низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин введен в квантовой теории поля для объяснения некоторых микропроцессов.

Среднее число частиц (квантов поля) вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться виртуальные частицы, то есть частицы в промежуточном состоянии, существующие короткое время. Виртуальные частицы влияют на физические процессы.

Принято считать, что не только вещество, но и поле и вакуум имеют дискретную структуру. Согласно квантовой теории поле, пространство и время в очень малых масштабах образуют пространственно-временную среду с ячейками. Квантовые ячейки настолько малы (10-35--10-33), что их можно не учитывать при описании свойств электромагнитных частиц, считая пространство и время непрерывными.

Вещество воспринимается как непрерывная сплошная среда. для анализа и описания свойств такого вещества в большинстве случаев учитывается только его непрерывность. Однако, то же вещество при объяснении тепловых явлений, химических связей, электромагнитных излучений рассматривается как дискретная среда, которая состоит из взаимодействующих между собой атомов и молекул.

Дискретность и непрерывность присущи физическому полю, но при решении многих физических задач принято считать гравитационное, электромагнитное и другие поля непрерывными. Однако в квантовой теории поля предполагается, что физические поля дискретны, следовательно, для одних и тех же видов материи характерна прерывность и непрерывность.

Для классического описания природных явлений достаточно учитывать непрерывные свойства материи, а для характеристики различных микропроцессов -- дискретные.

4. СВОЙСТВА И АТРИБУТЫ МАТЕРИИ

Атрибутами материи, всеобщими формами её бытия являются движение , пространство и время , которые не существуют вне материи. Точно так же не может быть и материальных объектов, которые не обладали бы пространственно-временными свойствами.

Фридрих Энгельс выделил пять форм движения материи:

физическая;

химическая;

биологическая;

социальная;

механическая.

Универсальными свойствами материи являются:

несотворимость и неуничтожимость

вечность существования во времени и бесконечность в пространстве

материи всегда присущи движение и изменение, саморазвитие, превращение одних состояний в другие

детерминированность всех явлений

причинность -- зависимость явлений и предметов от структурных связей в материальных системах и внешних воздействий, от порождающих их причин и условий

отражение -- проявляется во всех процессах, но зависит от структуры взаимодействующих систем и характера внешних воздействий. Историческое развитие свойства отражения приводит к появлению высшей его формы -- абстрактного мышления .

Универсальные законы существования и развития материи:

Закон единства и борьбы противоположностей

Закон перехода количественных изменений в качественные

Закон отрицания отрицания

Изучая свойства материи, можно заметить их неразрывную диалектическую взаимосвязь. Одни свойства взаимообусловливают другие ее свойства.

Материя имеет и сложное структурное строение. На основе достижений современной науки мы можем указать некоторые ее виды и структурные уровни.

Известно, что до конца XIX в. естествознание не шло дальше молекул и атомов. С открытием радиоактивности электронов начался прорыв физики в более глубокие области материи. Причем, подчеркнем еще раз, принципиально новым при этом является отказ от абсолютизации каких-то первокирпичиков, неизменной сущности вещей. В настоящее время физикой открыто множество различных элементарных частиц. Оказалось, что каждая частица имеет свой антипод - античастицу, имеющую с ней одинаковую массу, но противоположный заряд, спин и т.д. Нейтральные частицы также имеют свои античастицы, отличающиеся противоположностью спина и других характеристик. Частицы и античастицы, взаимодействуя, "аннигилируют", т.е. исчезают, превращаясь в другие частицы. Например, электрон и позитрон, аннигилируя, превращаются в два фотона.

Симметричность элементарных частиц позволяет высказать предположение о возможности существования антимира, состоящего из античастиц, антиатомов и антивещества. Причем все законы, действующие в антимире, должны быть аналогичными законам нашего мира.

Общее количество частиц, включая и так называемые "резонансы", временной промежуток жизни которой чрезвычайно мал, достигает сейчас приблизительно цифры 300. Предсказывается существование гипотетических частиц - кварков, имеющих дробный заряд. Кварки пока не открыты, но без них невозможно удовлетворительно объяснить некоторые квантово-механические явления. Не исключено, что в недалеком будущем это теоретическое предсказание найдет экспериментальное подтверждение.

Систематизируя известные сведения о строении материи, можно указать следующую ее структурную картину.

Во-первых, следует выделить три основных вида материи, к которым относятся: вещество, антивещество и поле. Известны электромагнитные, гравитационные, электронные, мезонные и др. поля. Вообще говоря, с каждой элементарной частицей связано соответствующее ей поле. К веществу относятся элементарные частицы (исключая фотоны), атомы, молекулы, макро-и мегатела, т.е. все то, что имеет массу покоя.

Все указанные виды материи диалектически взаимосвязаны между собой. Иллюстрацией этого является открытие в 1922 г. Луи де Бройлем двойственного характера элементарных частиц, которые в одних условиях обнаруживают свою корпускулярную природу, а в других - волновые качества.

Во-вторых, в самом общем виде можно выделить следующие структурные уровни материи:

1. Элементарные частицы и поля.

2. Атомно-молекулярный уровень.

3. Все макротела, жидкости и газы.

4. Космические объекты: галактики, звездные ассоциации, туманности и т.д.

5. Биологический уровень, живую природу.

6. Социальный уровень - общество.

Каждый структурный уровень материи в своем движении, развитии подчиняется своим специфическим законам. Так, например, на первом структурном уровне свойства элементарных частиц и полей описываются законами квантовой физики, которые носят вероятностный, статистический характер. Свои законы действуют в живой природе. По особым законам функционирует человеческое общество. Имеется целый ряд законов, действующих на всех структурных уровнях материи (законы диалектики, закон всемирного тяготения и др.), что является одним из свидетельств неразрывной взаимосвязи всех этих уровней.

Всякий более высокий уровень материи включает в себя более низкие ее уровни. Например, атомы и молекулы включают в себя элементарные частицы, макротела состоят из элементарных частиц, атомов и молекул. Однако материальные образования на более высоком уровне не являются просто механической суммой элементов низшего уровня. Это качественно новые материальные образования, со свойствами, коренным образом отличающимися от простой суммы свойств составных элементов, что и находит свое выражение в специфике законов, описывающих их. Известно, что атом, состоящий из разнородно заряженных частиц, нейтрален. Или классический пример. Кислород поддерживает горение, водород горит, а вода, молекулы которой состоят из кислорода и водорода, гасит огонь. Далее. Общество есть совокупность отдельных людей - биосоциальных существ. Вместе с тем общество несводимо ни к отдельному человеку, ни к некоторой сумме людей.

В-третьих, исходя из приведенной выше классификации, можно выделить три различных сферы материи: неживую, живую и социально-организованную - общество. Выше мы рассматривали эти сферы в иной плоскости. Дело в том, что всякая классификация относительна, а поэтому в зависимости от потребностей познания можно давать самую различную классификацию уровней, сфер и т.д., отражающих сложную, многогранную структуру материи. Подчеркнем, что избранное то или иное основание классификации есть лишь отражение многообразия самой объективной реальности. Можно выделить микро-, макро- и мегамир. Этим классификация структуры материи не исчерпывается, возможны и другие подходы к ней.

5. ФОРМЫ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ

материя бытие движение

Формы движения материи -- основные типы движения и взаимодействия материальных объектов, выражающие их целостные изменения. Каждому телу присуще не одна, а ряд форм материального движения. В современной науке выделяются три основные группы, которые в свою очередь имеют множество своих специфических форм движения:

в неорганической природе,

пространственное перемещение;

движение элементарных частиц и полей -- электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые взаимодействия, процессы превращения элементарных частиц и др.;

движение и превращение атомов и молекул, включающее в себя химические реакции;

изменения в структуре макроскопических тел -- тепловые процессы, изменение агрегатных состояний, звуковые колебания и другое;

геологические процессы;

изменение космических систем различных размеров: планет, звезд, галактик и их скоплений.;

в живой природе,

обмен веществ,

саморегуляция, управление и воспроизводство в биоценозах и других экологических системах;

взаимодействие всей биосферы с природными системами Земли;

внутриорганизменные биологические процессы, направленные на обеспечение сохранения организмов, поддержание стабильности внутренней среды в меняющихся условиях существования;

надорганизменные процессы выражают отношения между представителями различных видов в экосистемах и определяют их численность, зону распространения (ареал ) и эволюцию;

в обществе,

многообразные проявления сознательной деятельности людей;

все высшие формы отражения и целенаправленного преобразования действительности.

Более высокие формы движения материи исторически возникают на основе относительно низших и включают их в себя в преобразованном виде. Между ними существует единство и взаимное влияние. Но высшие формы движения качественно отличны от низших и несводимы к ним. Раскрытие материальных взаимоотношений имеет огромное значение для понимания единства мира, исторического развития материи, для познания сущности сложных явлений и практического управления ими.

6. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо класса и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами.

Критерием для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки:

пространственно-временные масштабы;

совокупность важнейших свойств;

специфические законы движения;

степень относительной сложности, возникающей в процессе исторического развития материи в данной области мира;

некоторые другие признаки.

Микро-, макро- и мегамиры

Известные в настоящее время структурные уровни материи могут быть выделены по вышеперечисленным признакам в следующие области.

1. Микромир. Сюда относятся:

частицы элементарные и ядра атомов -- область порядка 10-15 см;

атомы и молекулы 10-8--10-7 см.

2. Макромир: макроскопические тела 10-6--107 см.

3. Мегамир: космические системы и неограниченные масштабы до 1028 см.

Разные уровни материи характеризуются разными типами связей.

В масштабах 10-13 см -- сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами.

Целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают электромагнитные силы.

В космических масштабах -- гравитационные силы.

С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Если принять энергию гравитационного взаимодействия за единицу, то электромагнитное взаимодействие в атоме будет в 1039 больше, а взаимодействие между нуклонами -- составляющими ядро частицами -- в 1041 раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

Деление материи на структурные уровни носит относительный характер. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.

Говоря о структурности -- внутренней расчлененности материального бытия, можно отметить, что сколь бы ни был широк диапазон мировидения науки, он тесно связан с обнаружением все новых и новых структурных образований. Например, если раньше взгляд на Вселенную замыкался Галактикой, затем расширился до системы галактик, то теперь изучается Метагалактика как особая система со специфическими законами, внутренними и внешними взаимодействиями.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В основе всех естественнонаучных дисциплин лежит понятие материи, законы движения и изменения которой изучаются.

Неотъемлемым атрибутом матери является ее движение, как форма существования материи, ее важнейший атрибут. Движение в самом общем виде - это всякое изменение вообще. Движение материи абсолютно, тогда как всякий покой относителен.

Современные ученые-физики опровергли представление о пространстве как о пустоте, и о времени, как о едином для Вселенной.

Весь опыт человечества, в том числе данные научных исследований, говорит о том, что нет вечных предметов, процессов и явлений. Даже небесные тела, существующие миллиарды лет, имеют начало и конец, возникают и гибнут. Ведь, погибая или разрушаясь, предметы не исчезают бесследно, а превращаются в другие предметы и явления. Цитата из идей Бердяева подтверждает это: «...Но для философии, существовавшее время, прежде всего, а затем и пространство, есть порождение событий, актов в глубине бытия, до всякой объективности. Первичный акт не предполагает ни времени, ни пространства, он порождает время и пространство».

Материя вечна, несотворима и неуничтожима. Она существовала всегда и везде, всегда и везде будет существовать.

ЛИТЕРАТУРА

1. Басаков М. И., Голубинцев В. О., Каждан А.Э. К концепции современного естествознания. ? Ростов н/Д: Феникс, 1997. ? 448с.

2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания.- 6-е изд., испр. и доп. -- М.: Издательский центр «Академия», 2006. -- 608 с.

3. Интернет-ресурс «Википедия» - www.wikipedia.org

4. Садохин А. П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления. ? М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. ? 447с.

Размещено на www.allbest.ru

Подобные документы

Проблема определения сущности материи, история ее изучения античными и современными учеными. Характеристика диалектической взаимосвязи свойств и структурных элементов материи. Основные причины и формы движения материи, их качественная специфика.

реферат , добавлен 14.12.2011


Понимание материи как объективной реальности. Материя в истории философии. Уровни организации неживой природы. Строение материи на биологическом и социальном уровнях. Философская категория материи и ее фундаментальная роль в понимании мира и человека.

реферат , добавлен 06.05.2012


Материя, как философское понятие. Движение, пpостpанство и вpемя - всеобщие атpибуты и основные способы существования матеpии. Диалектика и современная проблематика материи. Понятие материи - результат обобщения всех понятий о материальном мире.

реферат , добавлен 05.06.2009


Исследование основных принципов бытия, его структуры и закономерностей. Бытие социальное и идеальное. Материя как объективная реальность. Анализ современных представлений о свойствах материи. Классификация форм движения материи. Уровни живой природы.

презентация , добавлен 16.09.2015


Комплексный анализ формирования и эволюции философского понятия материи. Общая характеристика структуры материи, изучение систематизации и оценка общих составляющих вопросов системности материи. Философские вопросы материального единства мира и природы.

курсовая работа , добавлен 08.01.2012


Понятие материи как фундаментального понятия философии и естествознания. История возникновения и развития данного понятия. Религиозно-идеалистическое понимание материи в древнегреческой философии. Ленинское понимание и определение сущности материи.

реферат , добавлен 22.11.2009


Бытие как универсальная категория единства Мира. Проблема бытия в истории философской мысли. Материя как фундаментальная категория философии. Основные свойства материи. Методологические принципы при разработке классификации форм движения материи.

реферат , добавлен 12.06.2012


Античные варианты определения материи. Атомистическая теория строения природного вещества. Формы существования материи. Пространство и время как всеобщие формы бытия материального мира. Особенности образования пространственно-временного континуума.

реферат , добавлен 27.12.2009


Возникновение понятия "материя" в философии и науке. Система взглядов на окружающую нас действительность. Пространство и время как формы существования материи. Атомистическая модель мира. Проблема бытия и становления. Метафизические представления.

контрольная работа , добавлен 20.03.2009


Материя как одно фундаментальнейших понятий философии, представление о ней в различных философских системах. Материалистические представления (К. Маркса, Ф. Энгельса и В. Ленина) о строении материи. Свойства, основные формы и способы ее существования.

Материя - бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и форм движения. Она включает в себя не только непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны человеку в его ощущениях.

Неотъемлемым свойством материи является движение. Движение материи представляет собой любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. В природе наблюдаются различные виды движения материи: механическое, колебательное и волновое, тепловое движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы, радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы.

На современном этапе развития естествознания исследователи различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество представляет собой основной вид материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относят: элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния веществ.

Физическое поле представляет собой особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям исследователи относят: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля, соответствующие различным частицам. Источником физических полей являются частицы.

Физический вакуум - это низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин был введен в квантовую теорию поля для объяснения некоторых процессов. Среднее число частиц - квантов поля - в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время.

При описании материальных систем используют корпускулярную (от лат. corpuskulum - частица) и континуальную (от лат. continium - непрерывный) теории. Континуальная теория рассматривает повторяющиеся непрерывные процессы, колебания, которые происходят в окрестности некоторого среднего положения. При распространении колебаний в среде возникают волны. Теория колебаний - область физики, занимающаяся исследованием этих закономерностей. Таким образом, континуальная теория описывает волновые процессы. Наряду с волновым (континуальным) описанием широко используется понятие частицы - корпускулы. С точки зрения континуальной концепции вся материя рассматривалась как форма поля, равномерно распространенного в пространстве, а после случайного возмущения поля возникли волны, то есть частицы с различными свойствами. Взаимодействие этих образований привело к появлению атомов, молекул, макротел, образующих макромир. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир - это область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, размер которых исчисляется в диапазоне от 10 -8 до10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с. Это мир от атомов до элементарных частиц. Все они обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Макромир - мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабом с человеком. На этом уровне пространственные величины измеряются от миллиметров до километров, а время - от секунд до лет. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности.

Мегамир - сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами (1 а. е. = 8,3 световых минуты), световыми годами (1 световой год = 10 трлн км) и парсеками (1пк = 30 трлн км), а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет. К этому уровню относятся наиболее крупные материальные объекты: планеты и их системы, звезды, галактики и их скопления, образующие метагалактики.

Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы - основные структурные элементы микромира. Элементарные частицы могут быть составными (протон, нейтрон) и несоставными (электрон, нейтрино, фотон). К настоящему времени обнаружено более 400 частиц и их античастиц. Некоторые элементарные частицы обладают необычными свойствами. Так, долгое время считалось, что частица нейтрино не имеет массы покоя. В 30-е гг. XX в. при изучении бета-распада было обнаружено, что распределение по энергиям электронов, испускаемых радиоактивными ядрами, происходит непрерывно. Из этого следовало, что или не выполняется закон сохранения энергии, или кроме электронов испускаются трудно регистрируемые частицы, подобные фотонам с нулевой массой покоя, уносящие часть энергии. Ученые предположили, что это нейтрино. Однако зарегистрировать нейтрино экспериментально удалось только в 1956 г. на огромных подземных установках. Сложность регистрации этих частиц заключается в том, что захват частиц нейтрино происходит чрезвычайно редко из-за их высокой проникающей способности. В ходе экспериментов было установлено, что масса покоя нейтрино не равна нулю, хотя от нуля отличается ненамного. Интересными свойствами обладают и античастицы. Они имеют многие из тех же признаков, что и их частицы-двойники (массу, спин, время жизни и т. д.), но отличаются от них знаками электрического заряда или другими характеристиками.

В 1928 г. П. Дирак предсказал существование античастицы электрона - позитрона, который был обнаружен спустя четыре года К. Андерсоном в составе космических лучей. Электрон и позитрон - не единственная пара частиц-двойников, все элементарные частицы, кроме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция (от лат. annihilatio - превращение в ничто) - превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы, число и вид которых определяются законами сохранения. Например, в результате аннигиляции пары электрон- позитрон рождаются фотоны. Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается. Вместе с тем продолжается поиск фундаментальных частиц, которые могли бы быть составными «кирпичиками» для построения известных частиц. Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками, была высказана в 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном (Нобелевская премия 1969 г.).

Элементарные частицы обладают большим количеством характеристик. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Кварки могут соединяться друг с другом парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (протоны и нейтроны). В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель позволила определить квантовые числа многих элементарных частиц.

Элементарные частицы классифицируют по следующим признакам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, времени жизни частиц, спину и др.

В зависимости от массы покоя частицы (масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой легкой из всех частиц, имеющих массу) выделяют:

♦ фотоны (греч. photos - частицы, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света);

♦ лептоны (греч. leptos - легкий) - легкие частицы (электрон и нейтрино);

♦ мезоны (греч. mesos - средний) - средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона (пи-мезон, ка-мезон и др.);

♦ барионы (греч. barys - тяжелый) - тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны и др.).

В зависимости от электрического заряда выделяют:

♦ частицы с отрицательным зарядом (например, электроны);

♦ частицы с положительным зарядом (например, протон, позитроны);

♦ частицы с нулевым зарядом (например, нейтрино).

Существуют частицы с дробным зарядом - кварки. С учетом типа фундаментального взаимодействия, в котором участвуют частицы, среди них выделяют:

♦ адроны (греч. adros - крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

♦ лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

♦ частицы - переносчики взаимодействий (фотоны - переносчики электромагнитного взаимодействия; гравитоны - переносчики гравитационного взаимодействия; глюоны - переносчики сильного взаимодействия; промежуточные векторные бозоны - переносчики слабого взаимодействия).

По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни - 10 -10 -10 -24 с. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10 -10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет 10 -24 -10 -26 с.

2.2. Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие - основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их природного происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие первым из известных фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения, который был сформулирован И. Ньютоном

Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. п. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают. Гравитационное взаимодействие - наиболее слабое из всех известных современной науке взаимодействий. Тем не менее гравитационные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик. Важная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью: все тела, частицы и поля участвуют в нем.

Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны - кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро- и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное - при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается: законом Кулона, законом Ампера и др. и в обобщенном виде - электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Различные агрегатные состояния вещества, силы упругости, трения и т. д. определяются электромагнитным взаимодействием. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны - кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя.

Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодействия. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за стабильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие передается глюонами - частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц.

Слабое взаимодействие также действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом и другими учеными. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов - промежуточные векторные бозоны.

Характеристики фундаментальных взаимодействий представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Из таблицы видно, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее других взаимодействий. Радиус его действия неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время является основным для объектов с большими массами. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного, хотя радиус его действия также неограничен. Сильное и слабое взаимодействия имеют очень ограниченный радиус действия.

Одна из важнейших задач современного естествознания - создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей различные виды взаимодействия. Создание подобной теории означало бы также построение единой теории элементарных частиц.

2.3. Тепловое излучение. Рождение квантовых представлений

В конце XX в. волновая теория не могла объяснить и описать тепловое излучение во всем диапазоне частот электромагнитных волн теплового диапазона. А то, что тепловое излучение, и в частности свет, является электромагнитными волнами, стало научным фактом. Дать точное описание теплового излучения удалось немецкому физику Максу Планку.

14 декабря 1900 г. Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом, в котором изложил свою гипотезу квантовой природы теплового излучения и новую формулу излучения (формула Планка). Этот день физики считают днем рождения новой физики - квантовой. Выдающийся французский математик и физик А. Пуанкаре писал: «Квантовая теория Планка есть, без всякого сомнения, самая большая и самая глубокая революция, которую натуральная философия претерпела со времен Ньютона».

Планк установил, что тепловое излучение (электромагнитная волна) испускается не сплошным потоком, а порциями (квантами). Энергия каждого кванта —

то есть пропорциональна частоте электромагнитной волны - v. Здесь h - постоянная Планка, равная 6,62 · 10 -34 Дж · с.

Совпадение расчетов Планка с опытными данными было полным. В 1919 г. М. Планку присвоили Нобелевскую премию.

На основе квантовых представлений А. Эйнштейн в 1905 г. разработал теорию фотоэффекта (Нобелевская премия 1922 г.), поставив науку перед фактом: свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, он излучается, распространяется и поглощается квантами (порциями). Кванты света стали называть фотонами.

2.4. Гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств частиц

Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) в 1924 г. в докторской диссертации «Исследования по теории квантов» выдвинул смелую гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, утверждая, что поскольку свет ведет себя в одних случаях как волна, а в других - как частица, то и материальные частицы (электроны и др.) в силу общности законов природы должны обладать волновыми свойствами. «В оптике, - писал он, - в течение столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым; не делалась ли в теории вещества обратная ошибка? Не думали ли мы слишком много о картине «частиц» и не пренебрегали ли чрезмерной картиной волн?» В то время гипотеза де Бройля выглядела безумной. Лишь в 1927 г., три года спустя, наука пережила огромное потрясение: физики К. Дэвиссон и Л. Джермер экспериментально подтвердили гипотезу де Бройля, получив дифракционную картину электронов.

Согласно квантовой теории света А. Эйнштейна, волновые характеристики фотонов света (частота колебаний v и длина волна л = c/v) связаны с корпускулярными характеристиками (энергией ε ф, релятивистской массой m ф и импульсом р ф) соотношениями:

По идее де Бройля, любая микрочастица, в том числе и с массой покоя ш 0 Ц 0, должна обладать не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Соответствующие частота v и длина волны л определяются при этом соотношениями, подобными эйнштейновским:

Отсюда длина волны де Бройля —

Таким образом, соотношения Эйнштейна, полученные им при построении теории фотонов в результате гипотезы, выдвинутой де Бройлем, приобрели универсальный характер и стали одинаково применимыми как для анализа корпускулярных свойств света, так и при исследовании волновых свойств всех микрочастиц.

2.5. Опыты Резерфорда. Модель атома Резерфорда

А. Опыты Резерфорда

В 1911 г. Резерфорд провел исключительные по своему значению эксперименты, доказавшие существование ядра атома. Для исследования атома Резерфорд применил его зондирование (бомбардировку) с помощью α-частиц, которые возникают при распаде радия, полония и некоторых других элементов. Резерфордом и его сотрудниками еще в более ранних опытах в 1909 г. было установлено, что α-частицы обладают положительным зарядом, равным по модулю удвоенному заряду электрона q =+2e, и массой, совпадающей c массой атома гелия, то есть

m а = 6,62 · 10 -27 кг,

что примерно в 7300 раз больше массы электрона. Позже было установлено, что α-частицы представляют собой ядра атомов гелия. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут изменить траекторию α-частαицы. Их рассеяние (изменение направления движения) может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α-частиц можно определить характер распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома.

Было известно, что α-частицы, излученные полонием, летят со скоростью 1,6-107 м/с. Полоний помещался внутрь свинцового футляра, вдоль которого высверлен узкий канал. Пучок α-частиц, пройдя канал и диафрагму, падал на фольгу. Золотую фольгу можно сделать исключительно тонкой - толщиной 4-10 -7 м (в 400 атомов золота; это число можно оценить, зная массу, плотность и молярную массу золота). После фольги α-частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), обусловленной флуресценцией, которая наблюдалась в микроскоп.

При хорошем вакууме внутри прибора (чтобы не было рассеяния частиц от молекул воздуха) в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок из сцинтилляций, вызываемых тонким пучком α-частиц. Когда на пути пучка помещалась фольга, то подавляющее большинство α-частиц все равно не отклонялось от своего первоначального направления, то есть проходило сквозь фольгу, как если бы она представляла собой пустое пространство. Однако имелись α-частицы, которые изменяли свой путь и даже отскакивали назад.

Марсден и Гейгер, ученики и сотрудники Резерфорда, насчитали более миллиона сцинтилляций и определили, что примерно одна из 2 тысяч α-частиц отклонялась на углы, большие 90°, а одна из 8 тысяч - на 180°. Объяснить этот результат на основе других моделей атома, в частности Томсона, было нельзя.

Расчеты показывают, что при распределении по всему атому положительный заряд (даже без учета электронов) не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить α-части-цу назад. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Рассеяние α-частиц на большие углы происходит так, как если бы весь положительный заряд атома был сосредоточен в его ядре - области, занимающей весьма малый объем по сравнению со всем объемом атома.

Вероятность попадания α-частиц в ядро и их отклонение на большие углы очень мала, поэтому для большинства α-частиц фольги как бы не существовало.

Резерфорд теоретически рассмотрел задачу о рассеянии α-частиц в кулоновском электрическом поле ядра и получил формулу, позволяющую по плотности потока α-частиц, налетающих на ядро, и измеренному числу частиц, рассеянных под некоторым углом, определить число N элементарных положительных зарядов +е, содержащихся в ядре атомов данной рассеивающей фольги. Опыты показали, что число N равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева, то есть N = Z (для золота Z = 79).

Таким образом, гипотеза Резерфорда о сосредоточении положительного заряда в ядре атома позволила установить физический смысл порядкового номера элемента в периодической системе элементов. В нейтральном атоме должно содержаться также Z электронов. Существенно, что число электронов в атоме, определенное различными методами, совпало с числом элементарных положительных зарядов в ядре. Это послужило проверкой справедливости ядерной модели атома.

Б. Ядерная модель атома Резерфорда

Обобщая результаты опытов по рассеянию α-частиц золотой фольгой, Резерфорд установил:

♦ атомы по своей природе в значительной мере прозрачны для α-частиц;

♦ отклонения α-частиц на большие углы возможны только в том случае, если внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, создаваемое положительным зарядом, связанным с большой и сконцентрированной в очень малом объеме массой.

Для объяснения этих опытов Резерфорд предложил ядерную модель атома: в ядре атома (области с линейными размерами 10 -15 -10 -14 м) сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса атома (99,9 %). Вокруг ядра в области с линейными размерами ~10 -10 м (размеры атома оценены в молекулярно-кинетической теории) движутся по замкнутым орбитам отрицательно заряженные электроны, масса которых составляет лишь 0,1 % массы ядра. Следовательно, электроны находятся от ядра на расстоянии от 10 000 до 100 000 поперечников ядра, то есть основную часть атома составляет пустое пространство.

Ядерная модель атомов Резерфорда напоминает солнечную систему: в центре системы находится «солнце» - ядро, а вокруг него по орбитам движутся «планеты» - электроны, поэтому данную модель называют планетарной. Электроны не падают на ядро потому, что электрические силы притяжения между ядром и электронами уравновешиваются центробежными силами, обусловленными вращением электронов вокруг ядра.

В 1914 г., через три года после создания планетарной модели атома, Резерфорд исследовал положительные заряды в ядре. Бомбардируя электронами атомы водорода, он обнаружил, что нейтральные атомы превратились в положительно заряженные частицы. Так как атом водорода имеет один электрон, Резерфорд решил, что ядро атома является частицей, несущей элементарный положительный заряд +е. Эту частицу он назвал протоном.

Планетарная модель хорошо согласуется с опытами по рассеиванию α-частиц, но она не может объяснить устойчивость атома. Рассмотрим, например, модель атома водорода, содержащего ядро-протон и один электрон, который движется со скоростью v вокруг ядра по круговой орбите радиуса r. Электрон должен по спирали падать на ядро, и частота его обращения вокруг ядра (следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн) должна непрерывно изменяться, то есть атом неустойчив, и его электромагнитное излучение должно иметь непрерывный спектр.

В действительности оказывается, что:

а) атом устойчив;

б) атом излучает энергию лишь при определенных условиях;

в) излучение атома имеет линейчатый спектр, определяемый его строением.

Таким образом, применение классической электродинамики к планетарной модели атома привело к полному противоречию с экспериментальными фактами. Преодоление возникших трудностей потребовало создания качественно новой - квантовой - теории атома. Однако, несмотря на свою несостоятельность, планетарная модель и сейчас принята в качестве приближенной и упрощенной картины атома.

2.6. Теория Бора для атома водорода. Постулаты Бора

Датский физик Нильс Бор (1885-1962) в 1913 г. создал первую квантовую теорию атома, связав в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров водорода, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света.

В основу своей теории Бор положил три постулата, по поводу которых американский физик Л. Купер заметил: «Конечно, было несколько самонадеянно выдвигать предложения, противоречащие электродинамике Максвелла и механике Ньютона, но Бор был молод».

Первый постулат (постулат стационарных состояний): в атоме электроны могут двигаться только по определенным, так называемым разрешенным, или стационарным, круговым орбитам, на которых они, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают электромагнитных волн (поэтому эти орбиты названы стационарными). Электрон на каждой стационарной орбите обладает определенной энергией E n .

Второй постулат (правило частот): атом излучает или поглощает квант электромагнитной энергии при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую:

hv = E 1 - E 2 ,

где E 1 и E 2 - энергия электрона соответственно до и после перехода.

При E 1 > E 2 происходит излучение кванта (переход атома из одного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, то есть переход электрона с любой дальней на любую ближнюю от ядра орбиту); при E 1 < E 2 - поглощение кванта (переход атома в состояние с большей энергией, то есть переход электрона на более удаленную от ядра орбиту).

Будучи уверенным, что постоянная Планка должна играть основную роль в теории атома, Бор ввел третий постулат (правило квантования): на стационарных орбитах момент импульса электрона L n = m e υ n r n кратен величине = h/(2π), то есть

m e υ n r n = nh, n = 1, 2, 3, …,

где = 1,05 · 10 -34 Дж · с - постоянная Планка (величина h/(2π)) встречается столь часто, что для нее введено специальное обозначение («аш» с чертой; в данной работе «аш»- прямое); m е = 9,1 · 10 -31 кг - масса электрона; r п - радиус n-й стационарной орбиты; υ n - скорость электрона на этой орбите.

2.7. Атом водорода в квантовой механике

Уравнением движения микрочастицы в различных силовых полях является волновое уравнение Шредингера.

Для стационарных состояний уравнение Шредингера будет таким:

где Δ - оператор Лапласа

, m - масса частицы, h - постоянная Планка, E - полная энергия, U - потенциальная энергия.

Уравнение Шредингера является дифференциальным уравнением второго порядка и имеет решение, которое указывает на то, что в атоме водорода полная энергия должна иметь дискретный характер:

E 1 , E 2 , E 3…

Эта энергия находится на соответствующих уровнях n =1,2,3,…по формуле:

Самый нижний уровень E соответствует минимальной возможной энергии. Этот уровень называют основным, все остальные - возбужденными.

По мере роста главного квантового числа n энергетические уровни располагаются теснее, полная энергия уменьшается, и при n = ∞ она равна нулю. При E>0 электрон становится свободным, несвязанным с конкретным ядром, а атом - ионизированным.

Полное описание состояния электрона в атоме, помимо энергии, связано с четырьмя характеристиками, которые называются квантовыми числами. К ним относятся: главное квантовое число п, орбитальное квантовое число l, магнитное квантовое число m 1 , магнитное спиновое квантовое число m s .

Волновая φ-функция, описывающая движение электрона в атоме, представляет собой не одномерную, а пространственную волну, соответствующую трем степеням свободы электрона в пространстве, то есть волновая функция в пространстве характеризуется тремя системами. Каждая из них имеет свои квантовые числа: п, l, m l .

Каждой микрочастице, в том числе и электрону, также свойственно собственное внутреннее сложное движение. Это движение может характеризоваться четвертым квантовым числом m s . Поговорим об этом подробнее.

A. Главное квантовое число п, согласно формуле, определяет энергетические уровни электрона в атоме и может принимать значения п = 1, 2, 3…

Б. Орбитальное квантовое число /. Из решения уравнения Шредингера следует, что момент импульса электрона (его механический орбитальный момент) квантуется, то есть принимает дискретные значения, определяемые формулой

где L l - момент импульса электрона на орбите, l - орбитальное квантовое число, которое при заданном п принимает значение i = 0, 1, 2… (n - 1) и определяет момент импульса электрона в атоме.

B. Магнитное квантовое число m l . Из решения уравнения Шредингера следует также, что вектор L l (момент импульса электрона) ориентируется в пространстве под влиянием внешнего магнитного поля. При этом вектор развернется так, что его проекция на направление внешнего магнитного поля будет

L l z = hm l

где m l называется магнитным квантовым числом, которое может принимать значения m l = 0, ±1, ±2,±1, то есть всего (2l + 1) значений.

Учитывая сказанное, можно сделать заключение о том, что атом водорода может иметь одно и то же значение энергии, находясь в нескольких различных состояниях (n - одно и то же, а l и m l - разные).

При движении электрона в атоме электрон заметно проявляет волновые свойства. Поэтому квантовая электроника вообще отказывается от классических представлений об электронных орбитах. Речь идет об определении вероятного места нахождения электрона на орбите, то есть местонахождение электрона может быть представлено условным «облаком». Электрон при своем движении как бы «размазан» по всему объему этого «облака». Квантовые числа n и l характеризуют размер и форму электронного «облака», а квантовое число m l - ориентацию этого «облака» в пространстве.

В 1925 г. американские физики Уленбек и Гаудсмит доказали, что электрон также обладает собственным моментом импульса (спином), хотя мы не считаем электрон сложной микрочастицей. Позднее выяснилось, что спином обладают протоны, нейтроны, фотоны и другие элементарные частицы

Опыты Штерна, Герлаха и других физиков привели к необходимости характеризовать электрон (и микрочастицы вообще) добавочной внутренней степенью свободы. Отсюда для полного описания состояния электрона в атоме необходимо задавать четыре квантовых числа: главное - п, орбитальное - l, магнитное - m l , магнитное спиновое число - m s .

В квантовой физике установлено, что так называемая симметрия или асимметрия волновых функций определяется спином частицы. В зависимости от характера симметрии частиц все элементарные частицы и построенные из них атомы и молекулы делятся на два класса. Частицы с полуцелым спином (например, электроны, протоны, нейтроны) описываются асимметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Ферми—Дирака. Эти частицы называются фермионами. Частицы с целочисленным спином, в том числе и с нулевым, такие как фотон (Ls =1) или л-мезон (Ls = 0), описываются симметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Бозе- Эйнштейна. Эти частицы называются бозонами. Сложные частицы (например, атомные ядра), составленные из нечетного числа фермионов, также являются фермионами (суммарный спин - полуцелый), а составленные из четного - бозонами (суммарный спин - целочисленный).

2.8. Многоэлектронный атом. Принцип Паули

В многоэлектронном атоме, заряд которого равен Ze, электроны будут занимать различные «орбиты» (оболочки). При движении вокруг ядра Z-электроны располагаются в соответствии с квантово-механическим законом, который называется принципом Паули (1925 г.). Он формулируется так:

> 1. В любом атоме не может быть двух одинаковых электронов, определяемых набором четырех квантовых чисел: главного n, орбитального /, магнитного m и магнитного спинового m s .

> 2. В состояниях с определенным значением могут находиться в атоме не более 2n 2 электронов.

Значит, на первой оболочке («орбите») могут находиться только 2 электрона, на второй - 8, на третьей - 18 и т. д.

Таким образом, совокупность электронов в многоэлектронном атоме, имеющих одно и то же главное квантовое число n, называют электронной оболочкой. В каждой из оболочек электроны располагаются по подоболочкам, которые соответствуют определенному значению /. Так как орбитальное квантовое число l принимает значения от 0 до (п - 1), число подоболочек равно порядковому номеру оболочки п. Количество электронов в подоболочке определяется магнитным квантовым числом m l и магнитным спиновым числом m s .

Принцип Паули сыграл выдающуюся роль в развитии современной физики. Так, например, удалось теоретически обосновать периодическую систему элементов Менделеева. Без принципа Паули невозможно было бы создать квантовые статистики и современную теорию твердых тел.

2.9. Квантово-механическое обоснование Периодического закона Д. И. Менделеева

В 1869 г. Д. И. Менделеев открыл периодический закон изменения химических и физических свойств элементов в зависимости от их атомных масс. Д. И. Менделеев ввел понятие порядкового номера Z-элемента и, расположив химические элементы в порядке возрастания их номера, получил полную периодичность в изменении химических свойств элементов. Физический смысл порядкового номера Z-элемента в периодической системе был установлен в ядерной модели атома Резерфорда: Z совпадает с числом положительных элементарных зарядов в ядре (протонов) и, соответственно, с числом электронов в оболочках атомов.

Принцип Паули дает объяснение Периодической системы Д. И. Менделеева. Начнем с атома водорода, имеющего один электрон и один протон. Каждый последующий атом будем получать, увеличивая заряд ядра предыдущего атома на единицу (один протон) и добавляя один электрон, который мы будем помещать в доступное ему, согласно принципу Паули, состояние.

У атома водорода Z = 1 на оболочке 1 электрон. Этот электрон находится на первой оболочке (K-оболочка) и имеет состояние 1S, то есть у него n =1,а l =0(S-состояние), m = 0, m s = ±l/2 (ориентация его спина произвольна).

У атома гелия (Не) Z = 2, на оболочке 2 электрона, оба они располагаются на первой оболочке и имеют состояние 1S, но с антипараллельной ориентацией спинов. На атоме гелия заканчивается заполнение первой оболочки (K-оболочки), что соответствует завершению I периода Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. По принципу Паули, на первой оболочке больше 2 электронов разместить нельзя.

У атома лития (Li) Z = 3, на оболочках 3 электрона:2—на первой оболочке (К-оболочке)и1—на второй (L-оболочке). На первой оболочке электроны в состоянии 1S, а на второй - 2S. Литием начинается II периодтаблицы.

У атома бериллия (Be) Z = 4, на оболочках 4 электрона: 2 на первой оболочке в состоянии IS и 2 на второй в состоянии 2S.

У следующих шести элементов - от В (Z = 5) до Ne(Z = 10) - идет заполнение второй оболочки, при этом электроны находятся как в состоянии 2S, так и в состоянии 2р (у второй оболочки образуется 2 под-оболочки).

У атома натрия (Na) Z = 11. У него первая и вторая оболочки, согласно принципу Паули, полностью заполнены (2 электрона на первой и 8 электронов на второй оболочках). Поэтому одиннадцатый электрон располагается на третьей оболочке (М-оболочке), занимая наинизшее состояние 3S. Натрием открывается III период Периодической системы Д. И. Менделеева. Рассуждая подобным образом, можно построить всю таблицу.

Таким образом, периодичность в химических свойствах элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек у атомов родственных элементов. Так, инертные газы имеют одинаковые внешние оболочки из 8 электронов.

2.10. Основные понятия ядерной физики

Ядра всех атомов можно разделить на два больших класса: стабильные и радиоактивные. Последние самопроизвольно распадаются, превращаясь в ядра других элементов. Ядерные преобразования могут происходить и со стабильными ядрами при их взаимодействии друг с другом и с различными микрочастицами.

Любое ядро заряжено положительно, и величина заряда определяется количеством протонов в ядре Z (зарядовое число). Количество протонов и нейтронов в ядре определяет массовое число ядра A. Символически ядро записывается так:

где X - символ химического элемента. Ядра с одинаковыми зарядовым числом Z и разными массовыми числами A называются изотопами. Например, уран в природе встречается в основном в виде двух изотопов

Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами и разными физическими. Например, изотоп урана 2 3 5 92 U хорошо взаимодействуют с нейтроном 1 0 n любых энергий и может разделиться на два более легких ядра. В то же время изотоп урана 238 92 U делится только при взаимодействии с нейтронами высоких энергий, более 1 мегаэлектроновольта (МэВ) (1 МэВ = 1,6 · 10 -13 Дж). Ядра с одинаковыми A и разными Z называются изобарами.

В то время как заряд ядра равен сумме зарядов входящих в него протонов, масса ядра не равна сумме масс отдельных свободных протонов и нейтронов (нуклонов), она несколько меньше ее. Это объясняется тем, что для связи нуклонов в ядре (для организации сильного взаимодействия) требуется энергия связи E. Каждый нуклон (и протон и нейтрон), попадая в ядро, образно говоря, выделяет часть своей массы для формирования внутриядерного сильного взаимодействия, которое «склеивает» нуклоны в ядре. При этом, согласно теории относительности (см. главу 3), между энергией E и массой m существует соотношение E = mc 2 ,где с - скорость света в вакууме. Так что формирование энергии связи нуклонов в ядре E св приводит к уменьшению массы ядра на так называемый дефект массы Δm = E св · c 2 . Эти представления подтверждены многочисленными экспериментами. Построив зависимость энергии связи на один нуклон E св / A = ε от числа нуклонов в ядре A, мы сразу увидим нелинейный характер этой зависимости. Удельная энергия связи ε с ростом A сначала круто возрастает (у легких ядер), затем характеристика приближается к горизонтальной (у средних ядер), а далее медленно снижается (у тяжелых ядер). У урана ε ≈ 7,5 МэВ, а у средних ядер ε ≈ 8,5 МэВ. Средние ядра наиболее устойчивы, у них большая энергия связи. Отсюда открывается возможность получения энергии при делении тяжелого ядра на два более легких (средних). Такая ядерная реакция деления может осуществиться при бомбардировке ядра урана свободным нейтроном. Например, 2 3 5 92 U делится на два новых ядра: рубидий 37 -94 Rb и цезий 140 55 Cs (один из вариантов деления урана). Реакция деления тяжелого ядра замечательна тем, что помимо новых более легких ядер появляются два новых свободных нейтрона, которые называют вторичными. При этом на каждый акт деления приходится 200 МэВ выделяющейся энергии. Она выделяется в виде кинетической энергии всех продуктов деления и далее может быть использована, например, для нагревания воды или другого теплоносителя. Вторичные нейтроны в свою очередь могут вызвать деление других ядер урана. Образуется цепная реакция, в результате которой в размножающей среде может выделиться огромная энергия. Этот способ получения энергии широко используется в ядерных боеприпасах и управляемых ядерных энергетических установках на электростанциях и на транспортных объектах с атомной энергетикой.

Помимо указанного способа получения атомной (ядерной) энергии есть и другой - слияние двух легких ядер в более тяжелое ядро. Процесс объединения легких ядер может происходить лишь при сближении исходных ядер на расстояние, где уже действуют ядерные силы (сильное взаимодействие), то есть ~ 10 - 15 м. Этого можно достигнуть при сверхвысоких температурах порядка 1 000 000 °C. Такие процессы называют термоядерными реакциями.

Термоядерные реакции в природе идут на звездах и, конечно, на Солнце. В условиях Земли они происходят при взрывах водородных бомб (термоядерное оружие), запалом для которых служит обычная атомная бомба, создающая условия для формирования сверхвысоких температур. Управляемый термоядерный синтез пока имеет только научно-исследовательскую направленность. Промышленных установок нет, однако работы в этом направлении ведутся во всех развитых странах, в том числе и в России.

2.11. Радиоактивность

Радиоактивностью называется самопроизвольное преобразование одних ядер в другие.

Спонтанный распад изотопов ядер в условиях природной среды называют естественной, а в условиях лабораторий в результате деятельности человека - искусственной радиоактивностью.

Естественную радиоактивность открыл французский физик Анри Беккерель в 1896 г. Это открытие вызвало революцию в естествознании вообще и в физике в частности. Классическая физика XIX в. с ее убежденностью в неделимости атома ушла в прошлое, уступив место новым теориям.

Открытие и исследование явления радиоактивности связано также с именами Марии и Пьера Кюри. Этим исследователям в 1903 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

Искусственная радиоактивность открыта и исследована супругами Ирен и Фредериком Жолио-Кюри, которые в 1935 г. также получили Нобелевскую премию.

Необходимо отметить, что принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет.

Для каждого радиоактивного элемента установлены количественные оценки. Так, вероятность распада одного атома в одну секунду характеризуется постоянной распада данного элемента л, а время, за которое распадается половина радиоактивного образца, называется периодом полураспада Г 05 .

Со временем число нераспавшихся ядер N убывает по экспоненциальному закону:

N = N 0 e -λt ,

где N 0 - число нераспавшихся ядер в момент времени t = t 0 (то есть начальное число атомов), N - текущее значение числа нераспавшихся

Этот закон называется элементарным законом радиоактивного распада. Из него можно получить формулу для периода полураспада:

Число радиоактивных распадов в образце за одну секунду называют активностью радиоактивного препарата. Чаще всего активность обозначают буквой A тогда по определению:

где знак «-» означает убывание N во времени.

Единица активности в системе СИ - Беккерель (Бк): 1 Бк=1распад/1с. Часто на практике используется внесистемная единица - Кюри (Ки), 1 Ки = 3,7 · 10 10 Бк.

Можно показать, что активность уменьшается во времени также по экспоненциальному закону:

A = A 0 e -λt .

Вопросы для самопроверки

1. Что такое материя? Какие виды материи различают в современном представлении?

2. Объясните понятие «элементарные частицы». Назовите важнейшие характеристики элементарных частиц. Как классифицируются элементарные частицы?

3. Сколько видов взаимодействия вам известно? Назовите их основные черты.

4. Что такое античастицы?

5. В чем заключается специфика изучения микромира по сравнению с изучением мега- и макромира?

6. Охарактеризуйте кратко историю развития представлений о строении атома.

7. Сформулируйте постулаты Н. Бора. Можно ли с помощью теории Н. Бора объяснить структуру атомов всех элементов таблицы Д. И. Менделеева?

8. Кто и когда создал теорию электромагнитного поля?

9. Что такое радиоактивность?

10. Назовите основные виды радиоактивного распада.