Exemple de materie și substanță. Materia în fizica câmpului. Ce s-a intamplat

Tema cursului: Fizica materiei.
definiție
Materia este conținut tangibil și intangibil existent în spațiu,

umplerea (ocuparea) unui loc în spațiu care are proprietăți fizice.
Mai simplu spus, materia este tot ceea ce există (este prezent) în spațiu, indiferent de natura sa, inclusiv tangibil și intangibil. Toate acestea sunt materie.

Ce trebuie să înțelegeți în acest sens:
Trebuie să înțelegem clar ce este materie și ce nu este materie.
Nu tot ceea ce înțeleg oamenii este materie.
Materia nu este spațiul în sine, ci doar ceea ce se află în ea.

Acesta este primul punct important de înțeles.
A doua pozitie care este important de inteles este aceea
informațiile și abstracțiile nu sunt materie.
Și în ceea ce privește informațiile, doar purtătorul de informații, și nu informația în sine, poate fi material.
Adică, materia este separată, spațiul este separat și informația este separată, toate fanteziile, imaginile, formele de gândire și erorile sunt toate separate. Nu sunt materie.
Nu vom putea sparge televizorul bunicii cu gantere în visul bunicului.

Pe baza definiției materiei ca „conținut existent în spațiu, care posedă proprietăți”), putem distinge cu ușurință materialul de imaterial, de exemplu, modul în care un pinguin material real (existent în realitate) diferă de un intangibil imaginar (inexistent în realitate). ).

Un pinguin adevărat are proprietăți fizice, umple un loc în spațiu și are extensie. Un pinguin imaginar, dimpotrivă, nu are proprietăți reale, nu umple un loc în spațiu și nu este prezent în spațiu, ci în imaginația unui individ și numai într-o formă virtuală, de exemplu, sub forma unui o anumită imagine.
Locația pinguinului imaginar nu este lumea reală, nu spațiul, ci „lumea” abstractă - imaginația.
Și un astfel de pinguin își îndreaptă umerii nu în spațiu, ci în imaginația individului.
Și nu vom putea detecta în creierul uman nici imaginația în sine, nici băltoaica în care stropește pinguinul imaginar.
Daca dorim, putem incerca sa indicam in spatiu dimensiunile unui pinguin imaginar, dar nu putem umple spatiul ales cu un pinguin imaginar.
Pinguinul imaginar nu are proprietăți non-ficționale.
Un pinguin imaginar nu se va coace în cuptor și nici nu vom putea pregăti un astfel de pinguin pentru iarnă, cu atât mai puțin să-l luăm de la Obama.

Nu vom putea arunca cu vopsea un pinguin imaginar sau cu ouă în el. Vopseaua nu se va lipi de ea și va eschiva cu ușurință ouăle .

Adică, prin prezența sau absența proprietăților fizice, o persoană poate distinge imaginarul de real.
Mai departe
Materia fizică reală prezintă diverse proprietăți și putem împărți materia în categorii în conformitate cu caracteristicile generale.
Conform proprietăților discontinuității-continuității (sau discretității), materia este împărțită în forme discrete și nediscrete.

Materia nediscretă (continuă) în natură este prezentată sub forma unui câmp
Materia discretă (discontinuă, granulară) în natură este prezentată sub formă de particule.
Particulele, la rândul lor, se află în una dintre cele două stări:
-se comportă direct pe măsură ce particulele se mișcă în spațiu cu o viteză apropiată de viteza luminii
- sau sunt grupate într-o substanță.
Adică, mai detaliat pe baza grupării - puteți împărți materia mai detaliat și puteți identifica trei categorii principale.
Materie, particule, câmp.

Prima poziție este particulele grupate într-o substanță,
A doua poziție este particulele libere (negrupate într-o substanță)
și câmpul de poziție a treia.
Și materia în natură se manifestă atât ca substanță, cât și ca particule și ca câmp.
------
Și din nou, trebuie să ne amintim bine că numai ceea ce are proprietăți este materie.
„Chavoita” necunoscută, care nu are proprietăți, nu este materie.
Dacă o materie există, dar nu a fost încă descoperită,
apoi atunci când este detectat, conform proprietăților sale, se va încadra într-una dintre categorii
fie materie, fie particule libere, fie un câmp.
Să ne uităm la asta punct cu punct.
Ce este o substanță?
Substanța este un tip de materie care are masă în repaus.
Orice are masă de repaus este materie. Apa (lichid) este o substanță. Gazul este o substanță.
Și toate obiectele din lumea noastră tangibilă constau din materie, nu contează dacă este ardezie sau dirijabilul bunicii - toate acestea constă în cele din urmă din particule și toată această materie.

Având în vedere că o astfel de substanță, de obicei, nu apar dificultăți și, de regulă, toată lumea este capabilă să înțeleagă care este substanța.
Mai departe.
poziție – câmp.
Un câmp este ceva material, dar imaterial. Și nu toată lumea este imediat capabilă să înțeleagă (realizează, înțelege) cum materialul poate fi imaterial.
De fapt, este destul de simplu.
Oamenii de știință au decis inițial ce era considerat material -
Materialul este tot ceea ce este în spațiu și are proprietăți.
Aici avem 100% din ceea ce este în spațiu - aceasta este materie
iar o parte din el prezintă astfel de proprietăți.

Dacă nu ar exista proprietăți, nu ar fi materie.
Prezintă proprietăți - înseamnă că este una dintre formele materiei,
În același timp, conform manifestărilor reale, câmpul nu corespunde definiției materiei în special, câmpul nu are masă;
Și, colectiv, se dovedește că în proprietățile sale câmpul este material, dar nu real.
Pentru a înțelege ce este un câmp, trebuie să-ți imaginezi fizica fără câmp.
Două cărămizi zboară una spre alta.
Cum se ating două cărămizi?
Atomii se ating de-a lungul conturului exterior.
Animashka Oleg
Să ne uităm la modul în care atomii interacționează acolo și cum va arăta fără un câmp:
Doi atomi zboară unul spre celălalt,
protonii au fost așezați, electronii au fost umflați, acum se va întâmpla un big bang

Dar atomii nu au luat câmpul cu ei, nu aveau ce să se prindă unul de celălalt, așa că au alunecat direct.

Acești atomi nu au observat nicio coliziune, nu au putut observa.
Care este volumul total al obiectelor discrete care alcătuiesc un atom?
Câtă carne este în acest atom? Cât de mult poate fi atins și cât volum ocupă? Uneori, atomii sunt desenați foarte cărnoase. Uneori nu atât de mult.

Dar dacă ne uităm mai în detaliu, există o distanță între particule și fiecare element mai mic, la rândul său, este din nou planetar, ceea ce înseamnă că materia discretă ocupă din nou o parte nesemnificativă din volumul total. Și toate acestea tind spre aproape zero.

Adică nu este un atom cărnos care ar trebui înfățișat, ci unul slab.

Să modelăm un atom fără câmp.
Și pentru a fi mai clar, să luăm o jumătate de escadrilă de muște de dimensiuni obișnuite și să le lăsăm să zboare peste șoseaua de centură a Moscovei, chiar deasupra mașinilor într-un cerc mare.

Și în centru, în zona Arbatului, lăsați principalele astfel de muște cu protoni să sară și lăsați restul muștelor să zboare în jurul celei principale într-un inel fără a se apropia.
Avem un model de muscă complet decent al unui atom fără câmpuri.
Acum să plasăm un al doilea model similar de muscă a unui atom undeva în Laponia și să începem să aducem ambele modele mai aproape unul de celălalt.
Lasă-i să zboare unul la altul ca adulții.
Care este probabilitatea ca atunci când modelele acestor doi atomi se apropie unul de celălalt, ei să se lipească unul de celălalt?
Și de ce se vor agăța?
Se aude mult bâzâit, dar nu există deloc câmp.
Chiar dacă vreo două muște se lovesc direct în frunte, nici în acest caz nu se vor putea agăța. Al doilea atom este tot un sistem planetar, practic gol.
Nu există nicio șansă de a fi prins. Nu există nimic de care să te agăți fără un câmp.
În astfel de condiții, doi atomi zboară liber unul prin celălalt.
Cu o astfel de geometrie fără câmp, este un singur proiect continuu.
În principiu, nu am putea ciocni vreo două particule elementare dacă nu ar avea un câmp.
Cărămizile ar zbura minunat unele prin altele.
Acesta este exact rolul pe care îl joacă câmpul.
Fără câmp, noi, în principiu, nu avem nicio posibilitate de interacțiune nici la nivel macro sau micro.
Daţi-i drumul:
Care sunt proprietățile câmpului?
Domeniul nu are discretitate nici interna, nici externa.
Adică, nu are pauze și, de asemenea, nu are granițe externe ca atare.

Puteți înțelege geometria câmpului din graficul de distribuție a impactului asupra sferei în expansiune:

Graficul tinde spre zero, dar nu se resetează. Indiferent cât de departe ne depărtăm de sursa câmpului
Câmpul slăbește, dar nu va dispărea. Câmpul nu are graniță ca atare.
În plus, câmpul este elastic.
(Magnet)
Câmpul este fundamental elastic, nediscret și nu are masă.
Definiția câmpului:
Un câmp este un tip special de materie care nu are masă este un obiect continuu situat în spațiu, în fiecare punct al căruia o particulă este afectată de forțe echilibrate sau dezechilibrate de o anumită magnitudine și direcție.
Și din nou, nu uităm că aceasta este o informație cunoscută de mult timp
iar în cadrul conceptului fizic, materia și câmpul sunt în mod tradițional opuse una cu cealaltă ca două tipuri de materie, primul având o structură discretă, iar al doilea este continuu.

Să pătrundem în material:
Primul lucru pe care trebuie să-l înțelegeți este că întregul univers la nivel macro este umplut uniform cu materie materială, ceea ce înseamnă că este umplut uniform cu un câmp.

Din punct de vedere al forței, acesta este cel mai puternic dintre fenomenele fizice existente și este de natură gravitațională. Câmp gravitațional agregat.
Animashka Oleg 2 stele
Toate interacțiunile fizice, inclusiv fiecare legătură din fiecare atom din corpul tău, sunt determinate de acest câmp.
Câmpul gravitațional este fundamental, iar toate celelalte câmpuri sunt fenomene locale private pe acest câmp gravitațional de bază.
Imaginează-ți dacă aici ar fi miliarde de benzi de cauciuc și am tăia doar una. Și acesta ar fi un analog al unui câmp secundar, de exemplu un câmp electromagnetic.
Perturbare parțială pe câmpul de bază.
Și când luăm în considerare câmpul oricărui magnet, acesta este și un câmp secundar - o perturbare minoră a câmpului gravitațional de bază, care are un potențial colosal.
Într-un anumit sens, câmpul gravitațional este exact acel eter sau, într-un alt fel, „vidul fizic” pe care toată lumea îl caută și nu-l poate găsi. Dar acesta este un singur obiect non-corpuscular non-discret.
Forțele apar în fiecare punct al spațiului umplut de câmp și nu există goluri acolo.

Următoarea poziție a particulei.
O particulă este un microobiect material discret.
Care sunt principalele diferențe dintre particule și câmp.
Particulele sunt discrete (fiecare dintre ele reprezintă un obiect independent cu o structură internă complexă),
Prin aceasta ele se deosebesc de un câmp nediscret care nu are discretitate internă (nu are discontinuități), precum și de un câmp care nu are granițe externe ca atare.

În ceea ce privește particulele, trebuie înțeles că împărțirea materiei în categorii existente în știință nu este în întregime strictă.
În literatura de specialitate sunt permise uneori interpretări laxe, incorecte.

Particulele libere cu masă, conform modului științific modern, aparțin unei categorii independente, iar particulele care nu au masă de repaus sunt în unele cazuri interpretate vag ca un câmp.
Și în acest moment, pentru mulți, are loc o neînțelegere cunoscută sub numele de dualism particule-undă.
Motivele acestui fenomen mental le-am explicat deja separat (în secțiunea Dualism corpuscular-undă). Nu ne vom opri din nou.
În acest moment, este suficient să ne amintim că, în sens științific, particulele, câmpul și unda sunt încă concepte independente.
Și aceasta este cerința primei legi a logicii, care spune:
„...a avea mai multe semnificații înseamnă a nu avea niciun sens; dacă cuvintele nu au sens, atunci se pierde orice posibilitate de a raționa unul cu celălalt și, în realitate, cu sine însuși; căci este imposibil să gândești ceva dacă nu gândești la un lucru.”
Fie un câmp, fie o particulă.

O cărămidă este materie, o cărămidă constă din acea parte a materiei care se numește în mod obișnuit substanță
Dar asta nu este tot.
Există o legătură între o substanță (și deci orice cărămidă) și un câmp. Fiecare cărămidă este situată în câmpul universal total.

Și în plus, fiecare cărămidă are propriul câmp.
Pentru a simplifica, putem numi acest câmp câmpul unei cărămizi, îl putem numi câmp gravitațional al unei cărămizi.

Nu există o singură cărămidă în natură care să nu fie înconjurată de propriul câmp.
un câmp însoțește fiecare cărămidă.
Toată materia materială din natură are un câmp.
Și în acest sens, este necesar să înțelegem că în natură nu există substanță care să nu aibă propriul său domeniu privat.
Și orice obiect material într-un sens fizic fundamental este o combinație de materie și câmp.
Și acest câmp este distribuit uniform în toate direcțiile de la substanță și, pe măsură ce se îndepărtează de substanță, acest câmp slăbește.

Adică, fundamental, fiecare obiect cu masă are propriul său câmp și, în plus, toate masele universului formează împreună un singur câmp gravitațional al universului.
Acum să înțelegem: unde este cărămida și unde este câmpul ei privat. Terenul privat este legat de o cărămidă.
Dacă împărțim cărămida în părți și depărtăm aceste părți, atunci câmpul privat al cărămizii va fi, de asemenea, împărțit și împrăștiat.
(spărgând o cărămidă)
Câmpul privat de cărămidă este împărțit și distanțat.

Acum să ne uităm la ce este comun între particulele legate într-o substanță și între particulele libere nelegate.
Exemplu.
La ce va duce despicarea sistematică a cărămizilor, împărțirea cărămizilor?
Distrugerea sistematică a așa-numitelor conexiuni interne de cărămidă.
Fără excepție, toate conexiunile interne ale unei cărămizi sunt determinate din exterior, din partea câmpului de bază. Câmpul universal total creează o tensiune colosală în spațiu, care determină toate conexiunile interne în obiectele materiale.
Cu cât împărțim cărămida mai adânc, cu atât fracțiunea este mai mică, cu atât mai multe particule vor fi dezlegate de substanță, aceste particule se vor separa de cărămidă și vor începe să se miște cu o viteză apropiată de viteza luminii.
Dacă scindarea continuă, atunci toate fragmentele se vor scinda, vor fi eliberate la nivelul particulelor nelegate și, sub influența unui câmp extern, vor începe să se miște cu o viteză apropiată de viteza luminii în toate direcțiile libere.
Adică, dacă despărțiți complet o cărămidă, până la nivelul particulelor, atunci cărămida se va repezi cu viteza luminii în toate direcțiile libere.
Și dacă nu ar exista deloc câmp extern, atunci cărămida ar face același lucru, dar cu o viteză mult mai mare, cu o viteză care depășește viteza luminii (dar acesta este un subiect pentru o discuție separată, precum și probleme de masa și așa-numitul neutrin).
Pentru o înțelegere generală, să luăm în considerare ce situație ar exista pentru un univers care nu este plin de materie.
Un univers gol și o cărămidă.
S-ar părea, de unde vom ști asta?
Dar, de fapt, știm acest lucru absolut sigur, deoarece există doar două opțiuni pentru aplicarea forțelor asupra corpului: atracție și repulsie.
Și știm, de asemenea, că materia nu poate exista pe forțele de atracție directă, în principiu, acest lucru este imposibil din punct de vedere tehnic, deoarece duce inevitabil la un proces de avalanșă a materiei la un moment dat.
Cei care încă nu știu acest lucru pot urmări partea probatorie la link sau pot viziona filmul „Echilibrium in Physics”.
Hai sa continuăm:
Singura opțiune posibilă pentru existența materiei în spațiu este respingerea reciprocă, care, dacă universul este suficient de saturat cu materie, duce la o împingere complexă a maselor unele către altele.
Gravitația este o împingere complexă.
Deci, ce se va întâmpla cu o cărămidă într-un univers care nu este plin de materie?
(Un univers complet gol și o cărămidă).
Într-un astfel de scenariu, practic nu există nimic care să asigure conexiunile interne ale cărămizii. Nu există câmp exterior, forțe externe, împingere externă. Toată substanța cărămizii, fără opțiuni, se va despica și se va împrăștia complet în toate direcțiile, iar câmpul cărămizii se va disipa în consecință.
Existența oricărui corp fizic material în astfel de condiții este imposibilă.
Într-un univers plin de corpuri și mase, imaginea este diferită.
Masele au „creat” un câmp comun,
la nivel macro, universul era umplut uniform, un covor de galaxii.
Acest câmp a furnizat conexiuni interne în fiecare cărămidă.
Și vedem că în universul real, materia nu se descompune în particule și nu zboară separat.

Asta e tot.

Materia: substanță, particule, câmp.
Și dacă nu ar exista câmp, atunci nu ar exista interacțiuni între particule și nici particulele în sine, în înțelegerea obișnuită, nu ar exista.
Viktor Katuschik a fost cu tine.
Urmărește publicațiile noastre.

În primul rând, să ne concentrăm asupra faptului că termenul binecunoscut "materie" nu este întotdeauna folosit corect în literatură. Ceea ce vedem, măsurăm sau studiem nu este materie, ci substanță.

Pentru a stabili o mai mare certitudine în conceptele de materie și substanță, vom lua în considerare în continuare trei definiții binecunoscute.

„Materia este întreaga varietate de obiecte care, existând independent și în afara omului, accesibil lui prin simțuri” [ P. Holbach, materialist francez al Iluminismului].

„Materia este o categorie filozofică pentru a desemna realitatea obiectivă, care este dată unei persoane în senzațiile sale, care este copiată, fotografiată, afișată de senzațiile noastre, existând independent de ele.” [IN SI. Lenin, „Materialism și empiriocriticism”, 1909].

Toate cele trei definiții conectează prezența materiei cu percepția senzorială umană. in orice caz aparatul senzorial uman selectează doar o cantitate mică de informații(din punct de vedere al radiațiilor - mai puțin de 5%) din lumea din jurul nostru. Astfel, vedem doar o parte îngustă a radiației optice, în timp ce radiațiile radioactive și radiofrecvența existente în mod obiectiv nu sunt observate deloc. Gama de percepție auditivă variază în funcție de indivizi, dar este și limitată de o limită superioară (în jur de ~20 kHz).

Să fim atenți la faptul că formulările de mai sus spun despre materie ca bază a tuturor lucrurilor și fenomenelor, ci despre lucrurile și fenomenele în sine, cu toate acestea, categoriile de materie și substanță nu sunt clar separate.

Încercările de a folosi orice particulă materială cunoscută ca bază a universului nu au dus nicăieri o astfel de „prima cărămidă” nu a fost încă găsită.

Ideile fizice despre microcosmos arată că niciuna dintre microparticulele cunoscute în prezent nu poate pretinde că este fundamentală și să acționeze ca bază a universului.

Prin urmare, pentru a explica proprietățile substanței misterioase - materie, se folosesc diverse ipoteze.

În conformitate cu prima ipoteză, ideea de discreție și structurare, inerentă micro și macrolumilor, este păstrată în submicrolume. Singurul lucru este că nivelul modern de știință și tehnologie nu ne permite în mod fundamental să detectăm astfel de obiecte mici (obiecte ale submicrolumilor), cu atât mai puțin să lucrăm cu aceste obiecte. Un exemplu este munca de cercetare internațională incompletă privind studierea caracteristicilor bosonului Higgs, care este creditată cu proprietățile unui purtător de caracteristici de masă în lumea particulelor elementare.

O ilustrare a acestei poziții metodologice este celebra expresie a lui V. Lenin: „Electronul este la fel de inepuizabil ca atomul”.

A doua ipoteză se bazează pe inevitabilitatea diferențelor fundamentale în caracteristicile materiei și substanței. Capacitatea materiei de a fi baza fundamentală a tuturor lucrurilor și fenomenelor cere asta materia avea o calitate unica, diferita de proprietatile materiei. Întrucât principala caracteristică a unei substanțe este ea discretie, materia trebuie să aibă calitatea opusă – adică. continuitate.

Astfel, se presupune că materia este substanță continuă, fără structură, ale căror calități principale sunt absența discretieȘi măsuri(obișnuit pentru metrologia clasică) cu caracteristici însoțitoare (multe - puține, calde - rece, grele - ușoare etc.).

Rezultă că materia nu poate fi dată în senzații. Puteți simți obiecte reale, discrete, care au măsură. Niciun mijloc tehnic modern de observație nu poate „observa” materia continuă și lipsită de structură. Materia nu este observabilă în principiu (să lămurim – la nivelul actual de dezvoltare a științei și tehnologiei). Numai derivata secundară a materiei — substanța — este observabilă. Numai realizările sale sunt date în senzații.

Să încercăm să desenăm un analog aproximativ al materiei în termeni mai accesibili. Să ne imaginăm un recipient plin cu ceva lichid. Să încălzim lichidul și să aducem o oglindă răcită la suprafață. Suprafața oglinzii va fi acoperită cu condens („aburire”), care sunt micropicături de lichid. Dacă aveți un suport tehnic bun, puteți cuantifica caracteristicile nivelului molecular al condensului - miros, compoziție etc. În funcție de proprietățile oglinzii (temperatura, materialul folosit etc.), caracteristicile aburului condensat- amestecul gaz-aer se va schimba. Să eliminăm factorul provocator - încălzirea. Va dispărea procesul descris? Nu, doar eficiența lui va scădea. Cu toate acestea, ținând cont de micro-nivelul elementelor care interacționează, putem vorbi în continuare despre o varietate de evenimente individuale la granițele fazelor de interacțiune - lichid, aer și oglindă. Să revenim la termenii inițiali. Lichidul este un analog gros al materiei continue. Acesta din urmă, împreună cu oglinda, formează mediul material al vidului fizic. Condensul și amestecul de abur-gaz-aer sunt manifestări ale structurilor materiale fizice reale născute din materie lichidă.

Nu este nevoie să căutați inconsecvențe între materie și lichid în modelul propus, nu există un model științific strict al materiei. Nu asta e ideea. Cert este că proprietățile câmpului (!) ale nivelului subnuclear sugerează posibilitatea unor procese de schimb la granițele fazelor materie-substanță. Detaliile unor astfel de procese la nivel subnuclear nu sunt încă cunoscute în detaliu, dar există o abundență de analogi fizico-chimici la nivel material.

Care este relația fundamentală între astfel de entități contradictorii? Conform ce legi au loc tranzițiile de la continuu la discret și discret la continuu? Cele mai multe probleme din fizică rămân nerezolvate din cauza lipsei de răspunsuri la aceste întrebări. Din aceleași motive, nu a existat o distincție clară între materie și materie, iar fizica, numindu-se o știință materialistă, a studiat în primul rând materia și câmpul, adică. manifestări ale materiei.

Raționamentul despre un obiect biologic ca substanță materială ne conduce, așadar, la o analiză a laturii materiale a materiei. Aparent, încă nu există suficiente informații pentru a înțelege, analiza și studia materia ca atare. Această situație nu înlătură relevanța studierii submicrolumilor, dar realizările științifice, ipotezele și teoriile din acest domeniu sunt destinul viitorului.

În ceea ce privește studiul în continuare al tabloului material al lumii, clarificarea doar a acestei părți a problemei promite, de asemenea, progrese semnificative în biologie și medicină.

V. Vernadsky a scris: „Ceea ce este surprinzător nu este că omul a apărut, ceea ce este surprinzător este că au apărut condițiile din cauza cărora a apărut.” Această afirmație ne trimite direct la începuturile apariției și dezvoltării materiei materiale. Este surprinzător, în special, că toate nivelurile ierarhice cunoscute de noi îndeplinesc o sarcină generală comună (folosind, bineînțeles, mecanisme diferite), care duce la manifestări de holism, sinergie și autoorganizare.

Masa. Nivele ierarhice, elemente structurale ale corpului cu definirea funcțiilor și semnalelor informaționale ale diverselor sisteme.

Cele mai importante concepte fundamentale în descrierea fizică a naturii includ spațiu, timp, mișcare și materie.

În imaginea fizică modernă a lumii, ideile despre relativitatea spațiului și timpului, dependența lor de materie. Spațiul și timpul încetează să mai fie independente unul de celălalt și, conform teoriei relativității, se contopesc într-un singur continuum spațiu-timp cu patru dimensiuni.

Ideea de circulaţie, care devine doar un caz special de interacțiune fizică. Există patru tipuri de interacțiuni fizice fundamentale: gravitaționale, electromagnetice, puternice și slabe. Ele sunt descrise pe baza principiului interacțiunii cu rază scurtă de acțiune, interacțiune, transmisă de câmpurile corespunzătoare de la un punct la altul, viteza de transmitere a interacțiunii este întotdeauna finită și nu poate depăși viteza luminii în vid (300.000 km/). s).

1. Dualismul corpuscular-undă al materiei. Imagine de câmp cuantic a lumii. Materia este o categorie filosofică pentru a desemna realitatea obiectivă, care este reflectată de senzațiile noastre, existând independent de ele - aceasta este definiția filozofică a materiei.

În știința naturală clasică se disting două tipuri de materie: substanță și câmp. Conform conceptelor moderne, este recunoscută existența unui alt tip de materie - vidul fizic.

În mecanica clasică a lui Newton, formațiunile materiale sunt reprezentate de o particulă materială de dimensiuni mici - un corpuscul, adesea numit punct material, și un corp fizic, ca un singur sistem de corpusculi, cumva interconectați. Formele specifice acestor formațiuni materiale conform conceptelor clasice sunt un grăunte de nisip, piatră, apă etc.

În secolul al XIX-lea, odată cu apariția ideilor despre câmp electromagnetic a început o nouă eră în știința naturii.

Fizicianul danez Oersted (1777 - 1851) și fizicianul francez Ampere (1775 - 1836) au arătat experimental că un conductor cu curent electric generează efectul de deviere a unui ac magnetic. Oersted a sugerat că există un câmp magnetic în jurul unui conductor care poartă curent, care este un câmp vortex. Ampere a observat că fenomenele magnetice apar atunci când curentul trece printr-un circuit electric. A apărut o nouă știință - electrodinamica.

Fizicianul englez Faraday (1791 - 1867) a descoperit fenomenul inducției electromagnetice - apariția unui curent într-un conductor lângă un magnet în mișcare.

Pe baza descoperirilor lui Faraday în domeniul electromagnetismului, matematicianul și fizicianul englez Maxwell (1831 – 1879) a introdus conceptul de câmp electromagnetic.

Conform teoriei lui Maxwell, fiecare particulă încărcată este înconjurată de un câmp - un halou invizibil care afectează alte particule încărcate din apropiere, de exemplu. câmpul unei particule încărcate acționează asupra altor particule încărcate cu o anumită forță.

Teoria câmpului electromagnetic a introdus o nouă idee că câmpul electromagnetic este o realitate, un purtător material de interacțiune. Lumea a început să apară treptat ca un sistem electrodinamic, construit din particule încărcate electric care interacționează prin intermediul electricității câmpuri.

2. Mecanica cuantică. La sfârșitul celui de-al treilea deceniu al secolului XX, fizica clasică a întâmpinat dificultăți în descrierea fenomenelor microlumii. Este nevoie de a dezvolta noi metode de cercetare. Apare o nouă mecanică - teoria cuantică, care stabilește metoda de descriere și legile mișcării microparticulelor.

În 1901, fizicianul german Max Planck (1858 - 1947), în timp ce studia radiațiile termice, a ajuns la concluzia că În procesele de radiație, energia nu este emisă sau absorbită continuu, ci doar în porțiuni mici - cuante, iar energia fiecărui cuantum este proporțională cu frecvența radiației emise: E = hy, unde y este frecvența luminii, h este constanta lui Planck.

În 1905, Einstein a aplicat ipoteza lui Planck la lumină și a ajuns la concluzia că structura corpusculară a luminii ar trebui recunoscută.

Teoria cuantică a materiei și radiațiilor a fost confirmată în experimente (efect fotoelectric), care au descoperit că atunci când corpurile solide sunt iradiate cu lumină, electronii sunt scoși din ele. Un foton lovește un atom și elimină un electron.

Einstein a explicat acest așa-numit efect fotoelectric bazat pe teoria cuantică, demonstrând că energia necesară pentru a elibera un electron depinde de frecvența luminii. (cuantum de lumină) absorbit de substanță.

S-a dovedit că lumina prezintă proprietăți de undă în experimentele de difracție și interferență și proprietăți corpusculare în experimentele fotoelectrice, de exemplu. se poate comporta atât ca o particulă, cât și ca o undă, ceea ce înseamnă că are dualism.

Ideile lui Einstein despre cuantele de lumină au condus la ideea „undelor de materie”; aceasta a servit drept bază pentru dezvoltarea teoriei dualității undă-particulă a materiei.

În 1924, fizicianul francez Louis de Broglie (1892-1987) a ajuns la concluzia că combinarea proprietăților undelor și particulelor este o proprietate fundamentală a materiei. Proprietățile undelor sunt inerente tuturor tipurilor de materie (electroni, protoni, atomi, molecule, chiar și corpuri macroscopice).

În 1927, oamenii de știință americani Davis și Germer și independent de ei P.S. Tartakovsky a descoperit proprietățile undei ale electronilor în experimente privind difracția electronilor pe structurile cristaline. Ulterior, proprietățile undelor au fost descoperite în alte microparticule (neutroni, atomi, molecule). Pe baza sistemului de formule ale mecanicii ondulatorii, au fost prezise și descoperite noi particule elementare.

Fizica modernă a recunoscut dualismul unde-particulă al materiei. Orice obiect material apare atât ca particulă, cât și ca undă, în funcție de condițiile de observare.

Odată cu dezvoltarea teoriei vidului fizic, definiția materiei este completată. Definiția modernă a materiei: materia este substanță, câmp și vid fizic.

Teoria vidului fizic este în stadiul de dezvoltare, natura vidului nu a fost pe deplin explorată, dar se știe că nici o singură particulă materială nu poate exista fără prezența vidului, acesta este mediul în care există; care apare. Vidul și materia sunt inseparabile.

3. Principii ale fizicii moderne. În 1925, fizicianul elvețian W. Pauli(1900-1958) fundamentat principiu:în orice sistem cuantic (atom), 2 sau mai mulți electroni nu pot fi în aceeași stare cuantică (la același nivel de energie sau pe aceeași orbită). Principiul Pauli determină modelele de umplere a învelișurilor electronice ale atomilor, periodicitatea proprietăților lor chimice, valența și reactivitatea. Aceasta este o lege fundamentală a naturii.

În 1924 N. Bohr a formulat principiul complementaritatii: nicio teorie nu poate descrie un obiect atât de exhaustiv încât să excludă posibilitatea unor abordări alternative. Un exemplu este soluția la situația dualității undă-particulă a materiei. „Conceptele de particule și unde se completează reciproc și, în același timp, se contrazic, sunt imagini complementare ale a ceea ce se întâmplă.”

În 1927, fizicianul german W. Heisenberg a formulat celebrul principiu al incertitudinii. Sensul este că este imposibil să se măsoare simultan atât coordonatele, cât și viteza (momentul) unei particule. Nu poți ști niciodată simultan unde se află o particulă și cât de repede și în ce direcție se mișcă.

Relația de incertitudine exprimă imposibilitatea observării microlumii fără a o perturba. Exemplu: dacă într-un experiment este necesară stabilirea coordonatei unei particule cu o viteză cunoscută, aceasta trebuie să fie iluminată, i.e. direcționează un fascicul de fotoni, dar fotonii care se ciocnesc cu particulele le vor transfera o parte din energie și particula va începe să se miște cu o nouă viteză și într-o nouă direcție. Observatorul-experimentator, intervenind în sistem, introducându-se în el cu instrumentele sale, perturbă ordinea curentă a evenimentelor.

Ideea principală a mecanicii cuantice este că în microlume factorul determinant este ideea probabilității evenimentelor. Predicțiile în mecanica cuantică sunt de natură probabilistică, este imposibil să se prezică cu exactitate rezultatul unui experiment;

Din punct de vedere al fizicii, la nivel micro, tiparele statistice domină, pe legile dinamice la nivel macro. Înțelegerea filozofică a principiului incertitudinii arată că aleatorietatea și incertitudinea sunt proprietăți fundamentale ale naturii și sunt inerente atât microlumii, cât și macrolumii - lumea activității umane.

4. Particule elementare și forțe în natură. Astăzi, există 4 niveluri de organizare a microlumii: molecular, atomic, proton (nucleon) și cuarc.

Particulele elementare sunt cele care, la nivelul actual de dezvoltare științifică, nu pot fi considerate o combinație a altora, mai simple.

Distinge particule reale– pot fi fixate cu ajutorul instrumentelor și virtual– posibil, a cărui existență nu poate fi judecată decât indirect.

Aristotel considera materia ca fiind continuă, adică orice bucată de materie poate fi zdrobită la infinit. Democrit credea că materia are o structură granulară și că totul în lume este format din diverși atomi care sunt absolut indivizibili.

Prăbușirea ideilor despre indivizibilitatea absolută a atomului care a existat până la sfârșitul secolului al XIX-lea a început odată cu descoperirea în 1897 de către fizicianul englez J. Thomson a celei mai simple particule elementare de materie - electron, care a zburat din atom. În 1911, fizicianul englez Ernst Rutherford a dovedit că atomii materiei au o structură internă: ei constau dintr-o formă încărcată pozitiv. miezuriși electronii care se rotesc în jurul lui.

La început s-a presupus că nucleul unui atom este format din particule încărcate pozitiv, care au fost numite protoni. În 1932, James Chadwig a descoperit că există și alte particule în nucleu - neutroni, a căror masă este egală cu masa unui proton, dar care nu sunt încărcate.

În 1928, fizicianul teoretician P. Dirac a propus o teorie ondulatorie a electronului, bazată pe natura sa corpuscular-undă. Conform teoriei particule-unde, particulele se pot comporta ca undele. Una dintre premisele acestei teorii a fost că trebuie să existe o particulă elementară care are aceleași proprietăți ca electron, dar cu o sarcină pozitivă. O astfel de particulă a fost descoperită și numită Pozitron. De asemenea, a rezultat din teoria lui Dirac că un pozitron și un electron, interacționând unul cu celălalt ( reacție de anihilare), formează o pereche fotonii, adică cuante de radiație electromagnetică. Un pozitron și un electron se mișcă în același orbital. Când se ciocnesc, se transformă în cuante de radiație.

În anii 60 ai secolului XX, protonii și neutronii erau considerați particule elementare. Dar s-a dovedit că protonii și neutronii constau din particule și mai mici. În 1964, oamenii de știință americani M. Gell-Mann și D. Zweig au prezentat în mod independent o ipoteză similară a existenței „subparticulelor”. Gell-Mann i-a sunat quarcuri. Titlul a fost preluat dintr-un vers de poezie („Finegan’s Wake” al lui Joyce).

Sunt cunoscute mai multe soiuri de quarci; Se sugerează că există șase arome, la care se răspunde prin: sus (u), inferior (d), ciudat, fermecat, minunat,t- kv... Fiecare quark de aromă poate avea una dintre cele trei culori - roșu, galben și albastru, deși aceasta este doar o desemnare.

Quarcii diferă unul de celălalt în ceea ce privește sarcina și caracteristicile cuantice. De exemplu, un neutron și un proton sunt fiecare compus din trei quarci: proton - dinuud, cu sarcina +2/3 +2/3 -1/3 = 1;

neutron - dinudd, cu sarcina +2/3 -1/3 -1/3 = 0.

Fiecare quarc, conform legii simetriei, are un antiquarc.

Caracteristica cuantică este spin: S = 0; S= 1; S = 2; S = ½.. Spinul este o caracteristică cuantică foarte importantă a unei particule elementare, nu mai puțin importantă decât sarcina sau masa.

În 2008, în Europa, prin eforturile comune ale fizicienilor din mai multe țări, a fost construit un colisionator de hadron, în urma căruia se pot obține informații despre „blocurile inițiale” din care este construită materia din natură.

5. Interacțiuni fizice fundamentale. În prima jumătate a secolului al XX-lea, fizica a studiat materia în cele două manifestări ale ei - substanța și câmpul. Mai mult, cuantele de câmp și particulele de materie se supun unor statistici cuantice diferite și se comportă în moduri diferite.

Particulele de materie sunt Fermi-particule ( fermioni). Toți fermionii au o valoare de spin semiîntreg de ½. Pentru particulele cu spin pe jumătate întreg este valabil principiul Pauli, conform căruia două particule identice cu spin pe jumătate întreg nu pot fi în aceeași stare cuantică.

Toate cuantele de câmp sunt particule Bose (bosoni). Acestea sunt particule cu o valoare de spin întreagă. Sistemele de particule Bose identice se supun statisticilor Bose-Einstein. Principiul Pauli nu este valabil pentru ei: orice număr de particule poate fi într-o singură stare. Particulele Bose și Fermi sunt considerate particule de natură diferită.

Conform conceptelor moderne, interacțiunea de orice tip nu are loc fără un intermediar, trebuie să aibă propriul său agent fizic. Atracția sau respingerea particulelor se transmite prin mediul care le separă, un astfel de mediu este vidul. Viteza de transmitere a interacțiunii este limitată de o limită fundamentală - viteza luminii.

În mecanica cuantică, se presupune că toate forțele sau interacțiunile dintre particulele de materie sunt purtate de particule cu spin întreg egal cu 0, 1, 2 (particule Bose, bosoni). Acest lucru se întâmplă după cum urmează: o particulă de materie (fermion), de exemplu un electron sau cuarc, emite o altă particulă, care este un purtător de interacțiune, de exemplu, un foton. Ca urmare a reculului, viteza unei particule de materie (fermion) se modifică. O particulă purtătoare (boson) se ciocnește cu o altă particulă de materie (fermion) și este absorbită de aceasta. Această coliziune modifică viteza celei de-a doua particule.

Particulele purtătoare (bosonii) care sunt schimbate între particulele de materie (fermioni) se numesc virtuale deoarece, spre deosebire de cele reale, nu pot fi detectate direct cu ajutorul unui detector de particule, deoarece există pentru o perioadă foarte scurtă de timp.

Deci, se creează un câmp în jurul unei particule de materie (fermion), generând particule - bozoni. Două particule reale, odată în raza de acțiune a unor sarcini similare, încep să schimbe constant bosoni virtuali: o particulă emite un boson și absoarbe imediat un boson identic emis de o altă particulă parteneră și invers.

Purtătorii de particule pot fi clasificați în 4 tipuri, în funcție de amploarea interacțiunii transferate și de particulele cu care au interacționat. Astfel, în natură există patru tipuri de interacțiune.

Forta gravitationala.

Aceasta este cea mai slabă dintre toate interacțiunile. În macrocosmos, se manifestă cu cât mai puternic, cu atât este mai mare masa corpurilor care interacționează, dar în microcosmos se pierde pe fundalul unor forțe mai puternice.

În abordarea mecanică cuantică a câmpului gravitațional, se crede că forța gravitațională care acționează între două particule de materie este transferată de către particulă cu rotire 2, Care e numit graviton. Gravitonul nu are propria sa masă și forța pe care o poartă este cu rază lungă de acțiune.

Forțe electromagnetice.

Acționează între particulele încărcate electric. Datorită forțelor electromagnetice, apar atomi, molecule și corpuri macroscopice. Toate reacțiile chimice sunt interacțiuni electromagnetice.

Conform electrodinamicii cuantice, o sarcină creează un câmp, al cărui cuantum este un boson fără masă cu spin egal 1 - foton. Purtătorul interacțiunii electromagnetice este fotonul.

Forțele electromagnetice sunt mult mai puternice decât cele gravitaționale. Aceste forțe se pot manifesta atât ca atracție, cât și ca respingere, în contrast cu forțele gravitaționale, care se manifestă doar ca atracție.

Interacțiune slabă.

Această a treia interacțiune fundamentală există doar în microcosmos. Este responsabil pentru radioactivitate și există între toate particulele de materie cu spin ½, dar particulele bozonice cu spin 0, 1, 2 - fotoni și gravitoni - nu participă la el.

Dezintegrarea radioactivă este cauzată de transformarea unui quark cu aromă d într-un quarc cu aromă u în interiorul unui neutron (un proton se transformă într-un neutron, un pozitron într-un neutrin), încărcătura particulelor se modifică. Neutrinul emis are o putere de penetrare enormă - trece printr-o placă de fier de miliarde de kilometri grosime. Datorită interacțiunii slabe, Soarele strălucește.

Interacțiune puternică.

Interacțiunile puternice reprezintă atracția reciprocă a părților constitutive ale nucleului atomic. Ei păstrează quarcii în interiorul protonului și neutronului, iar protonii și neutronii în interiorul nucleului. Fără interacțiuni puternice, nucleele atomice nu ar exista, iar stelele și Soarele nu ar putea genera căldură și lumină prin energia nucleară.

Interacțiunea puternică se manifestă în forțele nucleare. Au fost descoperite de E. Rutherford în 1911 simultan cu descoperirea nucleului atomic. Conform ipotezei lui Yukawa, interacțiunile puternice constau în emisia unei particule intermediare - un pi-mezon - un purtător al forțelor nucleare, precum și alți mezoni găsiți mai târziu (masa mezonilor este de 6 ori mai mică decât masa nucleonilor). Nucleonii (protoni și neutroni) sunt înconjurați de nori de mezoni. Nucleonii pot intra în stări excitate – rezonanțe barionice – și pot schimba alte particule (mezoni).

Visul fizicienilor moderni este să construiască teoria mare unificată, care ar combina toate cele patru interacțiuni.

Astăzi, fizicienii cred că pot crea această teorie bazată pe teoria superstringurilor. Această teorie ar trebui să unifice toate interacțiunile fundamentale la energii ultraînalte.

Întrebări:

Cum au fost dovedite proprietățile corpusculare și ondulatorii ale materiei?

Ce studiază mecanica cuantică și de ce se numește așa?

Ce este un vid și ce înseamnă „vid excitat”?

Care este principiul complementarității?

Care este principiul incertitudinii?

Descrie principiul simetriei.

Cum sunt legate principiile simetriei și legile conservării mărimilor fizice?

Care este semnificația principiului suprapunerii în mecanica cuantică?

Care sunt particularitățile relației dispozitiv-obiect în mecanica cuantică?

Definiți materia conform conceptelor moderne.

Cum diferă materia de un domeniu?

Din ce sunt alcătuiți protonii și neutronii?

Ce interacțiuni fundamentale sunt integrate în prezent?

Literatură:

Dubnischeva T.Ya. KSE. 2003. – P. 238-261. p. 265-309.

Gorelov A.A. KSE. – 2004. – P. 79-94

Ignatova V.A. Științele naturii. 2002. – P.110-125..

Heisenberg V. Paşi dincolo de orizont. – M. – 1987.

Landau L.D. si altele. Curs de fizica generala. – M: Nauka, 1969. – P.195-214.

Weinberg S. Visează la teoria finală. M. - 1995.

Lindner G. Imagini ale fizicii moderne. – M. – 1977.

IMAGINEA CHIMICĂ MODERNĂ A LUMII

materie- un set infinit de toate obiectele și sistemele care coexistă în lume, totalitatea proprietăților și conexiunilor, relațiilor și formelor de mișcare ale acestora. Ea include nu numai obiectele și corpurile naturii observabile direct, ci și toate cele care nu sunt date omului în simțurile sale.

O proprietate integrală a materiei este mișcarea. Mișcarea materiei reprezintă orice modificări care apar cu obiectele materiale ca urmare a interacțiunilor lor. În natură se observă diferite tipuri de mișcare a materiei: mecanică, vibrațională și ondulatorie, mișcarea termică a atomilor și moleculelor, procese de echilibru și de neechilibru, dezintegrare radioactivă, reacții chimice și nucleare, dezvoltarea organismelor vii și a biosferei.

În stadiul actual de dezvoltare a științei naturii, cercetătorii disting următoarele tipuri de materie: materie, câmp fizic și vid fizic.

Substanţă reprezintă principalul tip de materie cu masă în repaus. Obiectele materiale includ: particule elementare, atomi, molecule și numeroase obiecte materiale formate din acestea. Proprietățile unei substanțe depind de condițiile externe și de intensitatea interacțiunii atomilor și moleculelor, ceea ce determină diferitele stări de agregare a substanțelor.

Câmpul fizic este un tip special de materie care asigură interacțiunea fizică a obiectelor materiale și a sistemelor acestora. Cercetătorii includ câmpuri fizice: câmpuri electromagnetice și gravitaționale, câmpul forțelor nucleare, câmpuri de undă corespunzătoare diferitelor particule. Sursa câmpurilor fizice sunt particulele.

Vacuum fizic este cea mai joasă stare de energie a câmpului cuantic. Acest termen a fost introdus în teoria câmpului cuantic pentru a explica anumite procese. Numărul mediu de particule - cuante de câmp - în vid este zero, dar în el se pot naște particule în stări intermediare care există pentru o perioadă scurtă de timp.

Când descriu sisteme materiale, ele folosesc corpusculare (din lat. corpusculum- particulă) și continuu (din lat. continuum- teorie continuă). Continuum teoria are în vedere procese continue repetate, oscilații care apar în vecinătatea unei anumite poziții medii. Când vibrațiile se propagă într-un mediu, apar unde. Teoria oscilației este un domeniu al fizicii care studiază aceste modele. Astfel, teoria continuumului descrie procesele ondulatorii. Alături de descrierea valului (continuum), conceptul de particulă - corpuscul este utilizat pe scară largă. Din punct de vedere continuum concept, toată materia a fost considerată ca o formă de câmp, uniform distribuită în spațiu, iar după o perturbare aleatorie a câmpului au apărut unde, adică particule cu proprietăți diferite. Interacțiunea acestor formațiuni a dus la apariția atomilor, moleculelor, macrocorpurilor care formează macrocosmosul. Pe baza acestui criteriu, se disting următoarele niveluri de materie: microlume, macrolume și megalume.

Microlumea este o regiune de microobiecte materiale extrem de mici, direct neobservabile, a căror dimensiune este calculată în intervalul de la 10 -8 la 10 -16 cm, iar durata de viață este de la infinit la 10 -24 s. Aceasta este lumea de la atomi la particule elementare. Toate au proprietăți ondulatorii și corpusculare.

Macroworld- lumea obiectelor materiale comparabile ca scară cu oamenii. La acest nivel, cantitățile spațiale sunt măsurate de la milimetri la kilometri, iar timpul - de la secunde la ani. Macrolumea este reprezentată de macromolecule, substanțe în diferite stări de agregare, organisme vii, oameni și produsele activităților lor.

Megaworld- o sferă de scări și viteze cosmice enorme, distanța în care se măsoară în unități astronomice (1 AU = 8,3 minute lumină), ani lumină (1 an lumină = 10 trilioane km) și parsecs (1pc = 30 trilioane km) și Durata de viață a obiectelor spațiale este de milioane și miliarde de ani. Acest nivel include cele mai mari obiecte materiale: planete și sistemele lor, stele, galaxii și grupurile lor care formează metagalaxii.

Clasificarea particulelor elementare

Particulele elementare sunt principalele elemente structurale ale microlumii. Particulele elementare pot fi compozit(proton, neutron) și necompozit(electron, neutrin, foton). Până în prezent, au fost descoperite peste 400 de particule și antiparticulele lor. Unele particule elementare au proprietăți neobișnuite. Astfel, multă vreme s-a crezut că particula de neutrin nu are masă de repaus. În anii 30 secolul XX La studierea dezintegrarii beta, s-a descoperit că distribuția energiei electronilor emise de nucleele radioactive are loc continuu. De aici rezultă că fie legea conservării energiei nu este îndeplinită, fie, pe lângă electroni, sunt emise particule greu de detectat, asemănătoare fotonilor cu masă de repaus zero, care duc o parte din energie. Oamenii de știință au sugerat că era un neutrin. Cu toate acestea, a fost posibil să se detecteze experimental neutrinii abia în 1956 în uriașe instalații subterane. Dificultatea de a detecta aceste particule constă în faptul că captarea particulelor de neutrini are loc extrem de rar datorită capacității lor mari de penetrare. În timpul experimentelor, s-a constatat că masa în repaus a neutrinului nu este egală cu zero, deși nu diferă mult de zero. Antiparticulele au și proprietăți interesante. Au multe dintre aceleași caracteristici ca și omologii lor de particule (masă, spin, durata de viață etc.), dar diferă de ele prin semnele sarcinii electrice sau alte caracteristici.

În 1928, P. Dirac a prezis existența antiparticulei electronului - pozitronul, care a fost descoperit patru ani mai târziu de K. Anderson ca parte a razelor cosmice. Electronul și pozitronul nu sunt singura pereche de particule gemene, toate particulele elementare, cu excepția celor neutre, au propriile lor antiparticule. Când o particulă și o antiparticulă se ciocnesc, ele se anihilează (din lat. anihilare- transformarea în nimic) - transformarea particulelor elementare și a antiparticulelor în alte particule, al căror număr și tip sunt determinate de legile de conservare. De exemplu, ca urmare a anihilării unei perechi electron-pozitron, se nasc fotoni. Numărul de particule elementare detectate crește în timp. În același timp, continuă căutarea particulelor fundamentale care ar putea fi elementele de bază pentru construcția particulelor cunoscute. Ipoteza despre existența unor particule de acest fel, numite quarci, a fost înaintată în 1964 de către fizicianul american M. Gell-Man (Premiul Nobel 1969).

Particulele elementare au un număr mare de caracteristici. Una dintre caracteristicile distinctive ale quarcilor este că au sarcini electrice fracționate. Quarcii pot fi conectați între ei în perechi și tripleți. Combinația de trei quarci formează barionii(protoni și neutroni). Quarcii nu au fost observați în stare liberă. Cu toate acestea, modelul cuarcilor a făcut posibilă determinarea numerelor cuantice ale multor particule elementare.

Particulele elementare sunt clasificate în funcție de următoarele criterii: masa particulelor, sarcina electrică, tipul de interacțiune fizică la care participă particulele elementare, durata de viață a particulei, spin etc.

În funcție de masa în repaus a particulei (masa în repaus, care este determinată în raport cu masa în repaus a electronului, care este considerată cea mai ușoară dintre toate particulele cu masă), se disting următoarele:

♦ fotoni (greacă. fotografii- particule care nu au masă de repaus și se mișcă cu viteza luminii);

♦ leptoni (greacă. leptos- lumina) - particule de lumina (electron si neutrini);

♦ mezoni (greacă. mesos- mediu) - particule medii cu o masă de la unu la o mie de mase de electroni (pi-mezon, ka-mezon etc.);

♦ barioni (greacă. barys- grele) - particule grele cu o masă mai mare de o mie de ori masa unui electron (protoni, neutroni etc.).

În funcție de sarcina electrică, există:

♦ particule cu sarcină negativă (de exemplu, electroni);

♦ particule cu sarcină pozitivă (de exemplu, protoni, pozitroni);

♦ particule cu sarcină zero (de exemplu, neutrini).

Există particule cu sarcini fracționale - quarcuri. Luând în considerare tipul de interacțiune fundamentală la care participă particulele, acestea includ:

♦ hadroni (greacă. adros- mare, puternic), participând la interacțiuni electromagnetice, puternice și slabe;

♦ leptoni care participă numai la interacțiuni electromagnetice și slabe;

♦ particule - purtători de interacțiuni (fotoni - purtători de interacțiune electromagnetică; gravitoni - purtători de interacțiune gravitațională; gluoni - purtători de interacțiune puternică; bosoni vectori intermediari - purtători de interacțiune slabă).

Pe baza duratei lor de viață, particulele sunt împărțite în stabile, cvasi-stabile și instabile. Majoritatea particulelor elementare sunt instabile, durata lor de viață este de 10 -10 -10 -24 s. Particulele stabile nu se dezintegrează mult timp. Ele pot exista de la infinit la 10 -10 s. Particulele stabile sunt considerate a fi fotoni, neutrini, protoni și electroni. Particulele aproape se degradează ca urmare a interacțiunilor electromagnetice și slabe, altfel numite rezonanțe. Durata lor de viață este de 10 -24 -10 -26 s.

2.2. Interacțiuni fundamentale

Interacțiunea este motivul principal al mișcării materiei, prin urmare interacțiunea este inerentă tuturor obiectelor materiale, indiferent de originea lor naturală și organizarea sistemică. Caracteristicile diferitelor interacțiuni determină condițiile de existență și proprietățile specifice ale obiectelor materiale. În total, sunt cunoscute patru tipuri de interacțiuni: gravitațională, electromagnetică, puternică și slabă.

Gravitațional interacțiunea a fost prima dintre interacțiunile fundamentale cunoscute care a devenit subiect de cercetare de către oamenii de știință. Se manifestă prin atracția reciprocă a oricăror obiecte materiale care au masă, se transmite prin câmpul gravitațional și este determinată de legea gravitației universale, care a fost formulată de I. Newton.

Legea gravitației universale descrie căderea corpurilor materiale în câmpul Pământului, mișcarea planetelor sistemului solar, a stelelor etc. Pe măsură ce masa materiei crește, interacțiunile gravitaționale cresc. Interacțiunea gravitațională este cea mai slabă dintre toate interacțiunile cunoscute de știința modernă. Cu toate acestea, interacțiunile gravitaționale determină structura întregului Univers: formarea tuturor sistemelor cosmice; existența planetelor, stelelor și galaxiilor. Rolul important al interacțiunii gravitaționale este determinat de universalitatea sa: toate corpurile, particulele și câmpurile participă la ea.

Purtătorii interacțiunii gravitaționale sunt gravitonii - cuante ale câmpului gravitațional.

Electromagnetic interacțiunea este, de asemenea, universală și există între orice corp din micro-, macro- și mega-lume. Interacțiunea electromagnetică este cauzată de sarcini electrice și este transmisă prin intermediul câmpurilor electrice și magnetice. Un câmp electric apare în prezența sarcinilor electrice, iar un câmp magnetic apare în mișcarea sarcinilor electrice. Interacțiunea electromagnetică este descrisă de: legea lui Coulomb, legea lui Ampere etc., iar într-o formă generalizată - de teoria electromagnetică a lui Maxwell, conectând câmpurile electrice și magnetice. Datorită interacțiunii electromagnetice, apar atomi, molecule și au loc reacții chimice. Reacțiile chimice sunt o manifestare a interacțiunilor electromagnetice și sunt rezultatul redistribuirii legăturilor dintre atomi din molecule, precum și a numărului și compoziției atomilor din moleculele diferitelor substanțe. Diverse stări ale materiei, forțe elastice, frecare etc. sunt determinate de interacțiunea electromagnetică. Purtătorii interacțiunii electromagnetice sunt fotonii - cuante ale câmpului electromagnetic cu masă în repaus zero.

În interiorul nucleului atomic există interacțiuni puternice și slabe. Puternic interacţiunea asigură conectarea nucleonilor în nucleu. Această interacțiune este determinată de forțele nucleare care au independență de sarcină, acțiune cu rază scurtă de acțiune, saturație și alte proprietăți. Interacțiunea puternică deține nucleonii (protoni și neutroni) în nucleu și quarcii în interiorul nucleonilor și este responsabil pentru stabilitatea nucleelor ​​atomice. Folosind interacțiunea puternică, oamenii de știință au explicat de ce protonii nucleului atomic nu se despart sub influența forțelor de respingere electromagnetice. Interacțiunea puternică este transmisă de gluoni - particule care „lipesc” quarcii, care fac parte din protoni, neutroni și alte particule.

Slab interacțiunea operează și numai în microcosmos. Toate particulele elementare, cu excepția fotonului, participă la această interacțiune. Ea provoacă cele mai multe dintre descompunerea particulelor elementare, așa că descoperirea sa a venit după descoperirea radioactivității. Prima teorie a interacțiunii slabe a fost creată în 1934 de E. Fermi și dezvoltată în anii 1950. M. Gell-Man, R. Feynman și alți oameni de știință. Purtătorii interacțiunii slabe sunt considerați a fi particule cu o masă de 100 de ori mai mare decât masa protonilor - bosoni vectori intermediari.

Caracteristicile interacțiunilor fundamentale sunt prezentate în tabel. 2.1.

Tabelul 2.1

Caracteristicile interacțiunilor fundamentale

Tabelul arată că interacțiunea gravitațională este mult mai slabă decât alte interacțiuni. Raza sa de acțiune este nelimitată. Nu joacă un rol semnificativ în microprocese și în același timp este fundamental pentru obiectele cu mase mari. Interacțiunea electromagnetică este mai puternică decât interacțiunea gravitațională, deși raza sa de acțiune este, de asemenea, nelimitată. Interacțiunile puternice și slabe au o gamă de acțiune foarte limitată.

Una dintre cele mai importante sarcini ale științelor naturale moderne este crearea unei teorii unificate a interacțiunilor fundamentale care unește diferite tipuri de interacțiuni. Crearea unei astfel de teorii ar însemna și construirea unei teorii unificate a particulelor elementare.

2.3. Radiație termala. Nașterea conceptelor cuantice

La sfârşitul secolului al XX-lea. teoria undelor nu a putut explica și descrie radiația termică pe întregul interval de frecvență al undelor electromagnetice din domeniul termic. Și faptul că radiațiile termice, și în special lumina, sunt unde electromagnetice a devenit un fapt științific. Fizicianul german Max Planck a reușit să ofere o descriere exactă a radiației termice.

La 14 decembrie 1900, Planck a prezentat un raport la o reuniune a Societății Germane de Fizică, în care și-a subliniat ipoteza cu privire la natura cuantică a radiației termice și o nouă formulă pentru radiație (formula lui Planck). Această zi este considerată de fizicieni ca fiind ziua de naștere a noii fizici - cuantică. Remarcabilul matematician și fizician francez A. Poincaré a scris: „Teoria cuantică a lui Planck este, fără îndoială, cea mai mare și mai profundă revoluție pe care a suferit-o filosofia naturală de pe vremea lui Newton”.

Planck a stabilit că radiația termică (unda electromagnetică) este emisă nu într-un flux continuu, ci în porțiuni (quanta). Energia fiecărui cuantum este

adică este proporțională cu frecvența undei electromagnetice - v. Aici h- constanta lui Planck egală cu 6,62 · 10 -34 J · s.

Acordul dintre calculele lui Planck și datele experimentale a fost complet. În 1919, M. Planck a primit Premiul Nobel.

Pe baza conceptelor cuantice, A. Einstein a dezvoltat teoria efectului fotoelectric în 1905 (Premiul Nobel 1922), prezentând științei un fapt: lumina are atât proprietăți ondulatorii, cât și corpusculare, este emisă, distribuită și absorbită în cuante (porțiuni). Quantele de lumină au început să fie numite fotoni.

2.4. Ipoteza lui De Broglie despre dualitatea undă-particulă a proprietăților particulelor

Omul de știință francez Louis de Broglie (1892-1987) în 1924, în teza sa de doctorat „Research on Quantum Theory”, a prezentat o ipoteză îndrăzneață despre universalitatea dualității undă-particulă, susținând că, deoarece lumina se comportă în unele cazuri ca o undă. , iar în altele - ca particulă, apoi particulele materiale (electroni etc.), datorită generalității legilor naturii, trebuie să aibă proprietăți de undă. „În optică”, a scris el, „timp de un secol, metoda corpusculară de examinare a fost prea neglijată în comparație cu cea ondulată; Nu s-a făcut greșeala inversă în teoria materiei? Ne-am gândit prea mult la imaginea „particulelor” și am neglijat prea mult imaginea undei? La acea vreme, ipoteza lui de Broglie părea o nebunie. Abia în 1927, trei ani mai târziu, știința a experimentat un șoc imens: fizicienii K. Davisson și L. Germer au confirmat experimental ipoteza lui de Broglie prin obținerea unui model de difracție a electronilor.

Conform teoriei cuantice a luminii a lui A. Einstein, caracteristicile undei ale fotonilor luminii (frecvența de oscilație vși lungimea de undă l = c/v) sunt legate de caracteristicile corpusculare (energia ε f, masa relativistă m f și impulsul p f) prin relațiile:

Conform ideii lui de Broglie, orice microparticulă, inclusiv una cu o masă în repaus w 0 C 0, trebuie să aibă nu numai proprietăți corpusculare, ci și de undă. Frecvența corespunzătoare v iar lungimea de undă l sunt determinate de relații similare cu cele ale lui Einstein:

Prin urmare, lungimea de undă de Broglie este

Astfel, relațiile lui Einstein, obținute de el la construirea teoriei fotonilor ca urmare a ipotezei propuse de de Broglie, au căpătat un caracter universal și au devenit în mod egal aplicabile atât pentru analiza proprietăților corpusculare ale luminii, cât și pentru studiul proprietățile de undă ale tuturor microparticulelor.

2.5. experimentele lui Rutherford. Modelul atomic al lui Rutherford

Experimentele lui A. Rutherford

În 1911, Rutherford a efectuat experimente de o semnificație excepțională care au dovedit existența nucleului atomic. Pentru a studia atomul, Rutherford a folosit sondarea acestuia (bombardarea) folosind particule alfa, care apar în timpul dezintegrarii radiului, poloniului și a altor elemente. Rutherford și colegii săi, în experimentele anterioare din 1909, au stabilit că particulele α au o sarcină pozitivă egală ca mărime cu dublul sarcinii electronilor. q =+2e,și o masă care coincide cu masa unui atom de heliu, adică

m A= 6,62 10 -27 kg,

care este de aproximativ 7300 de ori masa unui electron. S-a descoperit ulterior că particulele α sunt nucleele atomilor de heliu. Rutherford a bombardat atomii elementelor grele cu aceste particule. Electronii, datorită masei lor reduse, nu pot schimba traiectoria unei particule α. Imprăștirea lor (schimbarea direcției de mișcare) poate fi cauzată doar de partea încărcată pozitiv a atomului. Astfel, din împrăștierea particulelor α, este posibil să se determine natura distribuției sarcinii pozitive și, prin urmare, a masei, în interiorul atomului.

Se știa că particulele alfa emise de poloniu zboară cu o viteză de 1,6-107 m/s. Poloniul a fost plasat într-o carcasă de plumb, de-a lungul căreia a fost forat un canal îngust. Un fascicul de particule α, care a trecut prin canal și diafragmă, a căzut pe folie. Folia de aur poate fi realizată extrem de subțire - 4-10 -7 m grosime (400 atomi de aur; acest număr poate fi estimat cunoscând masa, densitatea și masa molară a aurului). După folie, particulele α au căzut pe un ecran translucid acoperit cu sulfură de zinc. Ciocnirea fiecărei particule cu ecranul a fost însoțită de un fulger de lumină (scntilație) cauzat de fluorescență, care a fost observat la microscop.

Cu un vid bun în interiorul dispozitivului (astfel încât să nu existe împrăștiere a particulelor din moleculele de aer), în absența foliei, pe ecran a apărut un cerc ușor de scintilații cauzate de un fascicul subțire de particule α. Când folia a fost plasată pe calea fasciculului, marea majoritate a particulelor α încă nu s-au abătut de la direcția lor inițială, adică au trecut prin folie ca și cum ar fi un spațiu gol. Cu toate acestea, au existat particule alfa care și-au schimbat calea și chiar și-au revenit.

Marsden și Geiger, studenții și colaboratorii lui Rutherford, au numărat mai mult de un milion de scintilații și au determinat că aproximativ una din 2 mii de particule alfa a fost deviată cu unghiuri mai mari de 90° și una din 8 mii cu 180°. A fost imposibil de explicat acest rezultat pe baza altor modele ale atomului, în special Thomson.

Calculele arată că atunci când este distribuită pe întregul atom, o sarcină pozitivă (chiar fără a lua în considerare electronii) nu poate crea un câmp electric suficient de intens capabil să arunce o particulă α înapoi. Intensitatea câmpului electric al unei bile încărcate uniform este maximă pe suprafața bilei și scade la zero pe măsură ce se apropie de centru. Imprăștirea particulelor α la unghiuri mari are loc ca și cum întreaga sarcină pozitivă a atomului ar fi concentrată în nucleul său - o regiune care ocupă un volum foarte mic în comparație cu întregul volum al atomului.

Probabilitatea ca particulele α să intre în nucleu și deviația lor la unghiuri mari este foarte mică, astfel încât pentru majoritatea particulelor α folia nu părea să existe.

Rutherford a considerat teoretic problema împrăștierii particulelor α în câmpul electric coulombian al unui nucleu și a obținut o formulă care permite să se determine numărul de particule α incidente pe nucleu și numărul măsurat de particule împrăștiate la un anumit unghi. . N sarcini pozitive elementare +e conținute în nucleul atomilor unei folii de împrăștiere date. Experimentele au arătat că numărul N egal cu numărul de serie al elementului din sistemul periodic al lui D.I Mendeleev, adică N=Z(pentru aur Z= 79).

Astfel, ipoteza lui Rutherford despre concentrarea unei sarcini pozitive în nucleul unui atom a făcut posibilă stabilirea semnificației fizice a numărului de serie al unui element din tabelul periodic al elementelor. Un atom neutru trebuie să conțină și el Z electroni. Este semnificativ faptul că numărul de electroni dintr-un atom, determinat prin diferite metode, a coincis cu numărul de sarcini pozitive elementare din nucleu. Aceasta a servit ca un test al validității modelului nuclear al atomului.

B. Modelul nuclear al atomului lui Rutherford

Rezumând rezultatele experimentelor privind împrăștierea particulelor α prin folie de aur, Rutherford a stabilit:

♦ atomii prin natura lor sunt în mare măsură transparenți la particulele alfa;

♦ deviațiile particulelor α la unghiuri mari sunt posibile numai dacă în interiorul atomului există un câmp electric foarte puternic, creat de o sarcină pozitivă asociată cu o masă mare concentrată într-un volum foarte mic.

Pentru a explica aceste experimente, Rutherford a propus un model nuclear al atomului: întreaga sarcină pozitivă și aproape întreaga masă a atomului (99,9%) sunt concentrate în nucleul atomului (o zonă cu dimensiuni liniare de 10 -15 -10). -14 m). În jurul nucleului într-o regiune cu dimensiuni liniare de ~10 -10 m (dimensiunile atomului sunt estimate în teoria cinetică moleculară), electronii încărcați negativ se mișcă pe orbite închise, a căror masă este doar 0,1% din masa nucleului. nucleu. În consecință, electronii sunt localizați din nucleu la o distanță de 10.000 până la 100.000 de ori diametrul nucleului, adică cea mai mare parte a atomului este spațiu gol.

Modelul nuclear al atomilor al lui Rutherford seamănă cu sistemul solar: în centrul sistemului există un „soare” - nucleul, iar în jurul lui „planete” - electroni - se mișcă pe orbite, motiv pentru care acest model se numește planetar. Electronii nu cad pe nucleu deoarece forțele electrice de atracție dintre nucleu și electroni sunt echilibrate de forțele centrifuge cauzate de rotația electronilor în jurul nucleului.

În 1914, la trei ani după crearea modelului planetar al atomului, Rutherford a investigat sarcinile pozitive din nucleu. Bombardând atomii de hidrogen cu electroni, el a descoperit că atomii neutri se transformau în particule încărcate pozitiv. Deoarece atomul de hidrogen are un electron, Rutherford a decis că nucleul atomului este o particulă care poartă o sarcină pozitivă elementară +e. El a numit această particulă proton.

Modelul planetar este de acord cu experimentele privind împrăștierea particulelor α, dar nu poate explica stabilitatea atomului. Luați în considerare, de exemplu, un model de atom de hidrogen care conține un nucleu de proton și un electron care se mișcă cu o viteză vîn jurul nucleului pe o orbită circulară de rază r. Electronul trebuie să cadă în spirală pe nucleu, iar frecvența revoluției sale în jurul nucleului (și, prin urmare, frecvența undelor electromagnetice emise de acesta) trebuie să se schimbe continuu, adică atomul este instabil, iar radiația sa electromagnetică trebuie să cadă. au un spectru continuu.

În realitate, se dovedește că:

a) atomul este stabil;

b) un atom emite energie numai în anumite condiţii;

c) radiatia unui atom are un spectru de linii, determinat de structura sa.

Astfel, aplicarea electrodinamicii clasice la modelul planetar al atomului a condus la o contradicție completă cu faptele experimentale. Depășirea dificultăților apărute a necesitat crearea unui nou - calitativ cuantic- teorii atomice. Cu toate acestea, în ciuda inconsecvenței sale, modelul planetar este încă acceptat ca o imagine aproximativă și simplificată a atomului.

2.6. Teoria lui Bohr pentru atomul de hidrogen. postulatele lui Bohr

Fizicianul danez Niels Bohr (1885-1962) a creat prima teorie cuantică a atomului în 1913, legând într-un singur întreg legile empirice ale spectrelor de linii ale hidrogenului, modelul nuclear Rutherford al atomului și natura cuantică a emisiei și absorbția luminii.

Bohr și-a bazat teoria pe trei postulate, despre care fizicianul american L. Cooper a remarcat: „Desigur, a fost oarecum arogant să prezinți propuneri care contraziceau electrodinamica lui Maxwell și mecanica lui Newton, dar Bohr era tânăr”.

Primul postulat(postulat al stărilor staționare):într-un atom, electronii se pot deplasa doar de-a lungul anumitor orbite circulare, așa-numitele permise sau staționare, în care ei, în ciuda prezenței accelerației, nu emit unde electromagnetice (prin urmare, aceste orbite sunt numite staționare). Un electron pe fiecare orbită staționară are o anumită energie E n .

Al doilea postulat(regula frecventei): un atom emite sau absoarbe o cantitate de energie electromagnetică atunci când un electron se mișcă de pe o orbită staționară pe alta:

hv = E 1 - E 2,

Unde E 1 Și E 2 - energia electronilor înainte și respectiv după tranziție.

Când E 1 > E 2 are loc emisia cuantică (tranziția unui atom de la o stare cu energie mai mare la o stare cu energie mai mică, adică tranziția unui electron de pe orice orbită îndepărtată la orice orbită apropiată de nucleu) ; la E 1< E 2 - поглощение кванта (переход атома в состояние с большей энергией, то есть переход электрона на более удаленную от ядра орбиту).

Convins că constanta lui Planck ar trebui să joace un rol major în teoria atomică, a introdus Bohr al treilea postulat(regula de cuantizare):în orbite staţionare momentul unghiular al electronului L n = m e υ n r n este un multiplu al lui = h/(2π), adică

m e υ n r n = nh, n = 1, 2, 3, …,

unde = 1,05 · 10 -34 J · s este constanta lui Planck (valoarea h/(2π)) apare atât de des încât a fost introdusă o denumire specială pentru aceasta („cenusa” cu o bară; în această lucrare „cenusa” este dreptă ); m e = 9,1 · 10 -31 kg - masa electronilor; r P- raza celei de-a n-a orbite staţionare; υ n- viteza electronului pe această orbită.

2.7. Atomul de hidrogen în mecanica cuantică

Ecuația de mișcare a unei microparticule în diferite câmpuri de forță este unda Ecuația Schrödinger.

Pentru stările staționare, ecuația Schrödinger va fi:

unde Δ este operatorul Laplace

, m- masa particulelor, h- constanta lui Planck, E- energie deplină, U- energie potențială.

Ecuația Schrödinger este o ecuație diferențială de ordinul doi și are o soluție care indică faptul că într-un atom de hidrogen energia totală trebuie să fie discretă:

E 1 , E 2 , E 3…

Această energie este la niveluri adecvate n=1,2,3,...cu formula:

Cel mai scăzut nivel E corespunde energiei minime posibile. Acest nivel se numește de bază, toate celelalte sunt numite entuziasmate.

Pe măsură ce numărul cuantic principal crește n nivelurile de energie sunt situate mai aproape, energia totală scade și când n= ∞ este egal cu zero. La E>0 electronul devine liber, nelegat de un nucleu specific, iar atomul devine ionizat.

O descriere completă a stării unui electron dintr-un atom, pe lângă energie, este asociată cu patru caracteristici numite numere cuantice. Acestea includ: numărul cuantic principal P, numărul cuantic orbital eu număr cuantic magnetic m 1 , număr cuantic spin magnetic m s.

Funcția de undă φ, care descrie mișcarea unui electron într-un atom, nu este o undă unidimensională, ci o undă spațială corespunzătoare la trei grade de libertate a electronului în spațiu, adică funcția de undă în spațiu este caracterizată prin trei sisteme. Fiecare dintre ele are propriile numere cuantice: p, l, m l .

Fiecare microparticulă, inclusiv electronul, are și propria sa mișcare complexă internă. Această mișcare poate fi caracterizată prin al patrulea număr cuantic m s. Să vorbim despre asta mai detaliat.

A. Numărul cuantic principal n, conform formulei, determină nivelurile de energie ale electronului din atom și poate lua următoarele valori: P= 1, 2, 3…

B. Numărul cuantic orbital /. Din soluția ecuației Schrödinger rezultă că momentul unghiular al electronului (momentul său orbital mecanic) este cuantificat, adică ia valori discrete determinate de formula

Unde L l- momentul unghiular al electronului aflat pe orbită, l- numărul cuantic orbital, care pentru un dat P ia valoare i= 0, 1, 2… (n- 1) și determină momentul unghiular al unui electron dintr-un atom.

B. Numărul cuantic magnetic m l. Din soluția ecuației Schrödinger rezultă și că vectorul Ll(momentul unghiular al electronului) este orientat în spațiu sub influența unui câmp magnetic extern. În acest caz, vectorul se va desfășura astfel încât proiecția sa pe direcția câmpului magnetic extern va fi

L l z= hm l

Unde m l numit număr cuantic magnetic, care poate lua valori m l= 0, ±1, ±2, ±1, adică un total de (2l + 1) valori.

Ținând cont de cele de mai sus, putem concluziona că un atom de hidrogen poate avea aceeași valoare energetică, aflându-se în mai multe stări diferite (n este același, și lȘi m l- diferit).

Când un electron se mișcă într-un atom, electronul prezintă în mod vizibil proprietăți de undă. Prin urmare, electronica cuantică abandonează în general ideile clasice despre orbitele electronilor. Vorbim despre determinarea locației probabile a electronului pe orbită, adică locația electronului poate fi reprezentată printr-un „nor” convențional. În timpul mișcării sale, electronul este, așa cum ar fi, „untat” pe întregul volum al acestui „nor”. Numerele cuantice nȘi l caracterizați dimensiunea și forma „norului” de electroni și numărul cuantic m l- orientarea acestui „nor” în spațiu.

În 1925, fizicienii americani UhlenbeckȘi Goudsmit a demonstrat că electronul are și propriul său moment unghiular (spin), deși nu considerăm electronul ca fiind o microparticulă complexă. Mai târziu s-a dovedit că protonii, neutronii, fotonii și alte particule elementare au spin

Experimente Stern, Gerlach iar alți fizicieni au condus la necesitatea de a caracteriza electronul (și microparticulele în general) printr-un grad intern suplimentar de libertate. Prin urmare, pentru a descrie pe deplin starea unui electron într-un atom, este necesar să se precizeze patru numere cuantice: principalul lucru este P, orbital - eu magnetic - m l, număr de rotație magnetică - m s .

În fizica cuantică s-a stabilit că așa-numita simetrie sau asimetrie a funcțiilor de undă este determinată de spinul particulei. În funcție de natura simetriei particulelor, toate particulele elementare și atomii și moleculele construite din ele sunt împărțite în două clase. Particulele cu spin semiîntreg (de exemplu, electroni, protoni, neutroni) sunt descrise prin funcții de undă asimetrice și se supun statisticilor Fermi-Dirac. Aceste particule sunt numite fermioni. Particule cu spin întreg, inclusiv zero, cum ar fi un foton (Ls=1) sau l-mezon (Ls= 0), sunt descrise prin funcții de undă simetrice și se supun statisticilor Bose-Einstein. Aceste particule sunt numite bozoni. Particulele complexe (de exemplu, nucleele atomice) compuse dintr-un număr impar de fermioni sunt, de asemenea, fermioni (spinul total este jumătate întreg), iar cele compuse dintr-un număr par sunt bosoni (spinul total este întreg).

2.8. Atom multi-electron. principiul Pauli

Într-un atom cu mai mulți electroni a cărui sarcină este Ze, electronii vor ocupa diferite „orbite” (cochilii). Când se deplasează în jurul nucleului, electronii Z sunt aranjați în conformitate cu o lege mecanică cuantică numită principiul Pauli(1925). Este formulat astfel:

> 1. În orice atom nu pot exista doi electroni identici, determinati de un set de patru numere cuantice: cel principal n, orbital /, magnetic mși spin magnetic m s .

> 2. În stările cu o anumită valoare, într-un atom nu pot fi prezenți mai mult de 2n 2 electroni.

Aceasta înseamnă că doar 2 electroni pot fi în prima înveliș („orbita”), 8 în a doua, 18 în a treia etc.

Astfel, se numește colecția de electroni dintr-un atom multielectron care are același număr cuantic principal n carcasa electronica.În fiecare înveliș, electronii sunt dispuși în subînvelișuri care corespund unei anumite valori a lui /. Din moment ce numărul cuantic orbital l ia valori de la 0 la (n - 1), numărul de subshell-uri este egal cu numărul ordinal al shell-ului P. Numărul de electroni dintr-un subshell este determinat de numărul cuantic magnetic m lși numărul de spin magnetic m s .

Principiul Pauli a jucat un rol remarcabil în dezvoltarea fizicii moderne. De exemplu, a fost posibil să se fundamenteze teoretic sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev. Fără principiul Pauli ar fi fost imposibil să se creeze statistici cuantice și teoria modernă a solidelor.

2.9. Fundamentarea mecanică cuantică a Legii periodice a lui D. I. Mendeleev

În 1869, D.I Mendeleev a descoperit legea periodică a modificărilor proprietăților chimice și fizice ale elementelor în funcție de masele lor atomice. D.I Mendeleev a introdus conceptul de număr de serie al elementului Z și, prin aranjarea elementelor chimice în ordinea crescătoare a numărului lor, a obținut periodicitate completă în modificarea proprietăților chimice ale elementelor. Semnificația fizică a numărului de serie al elementului Z din tabelul periodic a fost stabilită în modelul nuclear Rutherford al atomului: Z coincide cu numărul de sarcini elementare pozitive din nucleu (protoni) și, în consecință, cu numărul de electroni din învelișul atomilor.

Principiul Pauli oferă o explicație pentru Tabelul periodic al lui D.I. Mendeleev. Să începem cu atomul de hidrogen, care are un electron și un proton. Vom obtine fiecare atom ulterior prin cresterea sarcinii nucleului atomului anterior cu unul (un proton) si adaugarea unui electron, pe care il vom plasa intr-o stare accesibila acestuia, dupa principiul Pauli.

La atomul de hidrogen Z= 1 înveliș are 1 electron. Acest electron se află în primul înveliș (K-shell) și are o stare 1S, adică are n=1,a l=0(starea S), m= 0, m s = ±l/2 (orientarea spinului său este arbitrară).

Atomul de heliu (He) are Z = 2, sunt 2 electroni pe înveliș, ambii sunt localizați pe primul înveliș și au starea 1S, dar cu orientare de spin antiparalelă. Umplerea primului înveliș (K-shell) se termină pe atomul de heliu, ceea ce corespunde încheierii primei perioade a Tabelului periodic al elementelor lui D. I. Mendeleev. Conform principiului Pauli, mai mult de 2 electroni nu pot fi plasați pe primul înveliș.

La atomul de litiu (Li) Z= 3, există 3 electroni în învelișuri: 2 în prima înveliș (K-shell) și 1 în a doua (L-shell). Pe primul înveliș, electronii sunt în stare 1S, iar pe a doua - 2S. A doua perioadă a tabelului începe cu litiu.

La atomul de beriliu (Be) Z= 4, sunt 4 electroni în învelișuri: 2 în primul înveliș din stare ESTEși 2 pe al doilea în starea 2S.

Pentru următoarele șase elemente - de la B (Z = 5) la Ne (Z = 10) - al doilea înveliș este umplut, în timp ce electronii sunt în ambele stări 2S și 2p (în a doua înveliș sunt formate 2 sub-cochilii). ).

La atomul de sodiu (Na) Z= 11. Primul și al doilea înveliș, conform principiului Pauli, sunt complet umplute (2 electroni în primul și 8 electroni în al doilea). Prin urmare, al unsprezecelea electron este situat în a treia înveliș (M-shell), ocupând cea mai joasă stare 3 S. Sodiul deschide a treia perioadă a sistemului periodic al lui D.I. Raționând în acest fel, se poate construi întregul tabel.

Astfel, periodicitatea proprietăților chimice ale elementelor se explică prin repetabilitatea în structura învelișurilor exterioare ale atomilor elementelor înrudite. Astfel, gazele nobile au învelișuri exterioare identice de 8 electroni.

2.10. Concepte de bază ale fizicii nucleare

Nucleele tuturor atomilor pot fi împărțite în două mari clase: stabile și radioactive. Acestea din urmă se descompun spontan, transformându-se în nucleele altor elemente. Transformările nucleare pot apărea și cu nuclee stabili atunci când interacționează între ele și cu diferite microparticule.

Orice nucleu este încărcat pozitiv, iar cantitatea de sarcină este determinată de numărul de protoni din nucleul Z (numărul de sarcină). Numărul de protoni și neutroni din nucleu determină numărul de masă al nucleului A. În mod simbolic, nucleul se scrie după cum urmează:

Unde X- simbolul unui element chimic. Nuclee cu același număr de încărcare Zși numere de masă diferite A se numesc izotopi. De exemplu, uraniul apare în natură în principal sub formă de doi izotopi

Izotopii au aceleași proprietăți chimice, dar proprietăți fizice diferite. De exemplu, izotopul uraniului 2 3 5 92 U interacționează bine cu neutronul 10 n orice energie și se poate diviza în două nuclee mai ușoare. În același timp, izotopul uraniului 238 92 U fisionabilă numai atunci când interacționează cu neutroni de înaltă energie, mai mult de 1 megaelectronvolt (MeV) (1 MeV = 1,6 10 -13 J). Miezuri cu același A si diferita Z sunt numite izobare.

În timp ce sarcina unui nucleu este egală cu suma sarcinilor protonilor incluși în acesta, masa nucleului nu este egală cu suma maselor protonilor și neutronilor liberi individuali (nucleoni), este oarecum mai mică decât aceasta. Acest lucru se explică prin faptul că energia de legare este necesară pentru a lega nucleonii din nucleu (pentru a organiza o interacțiune puternică) E. Fiecare nucleon (atât proton, cât și neutron), care intră în nucleu, vorbind la figurat, eliberează o parte din masa sa pentru a forma o interacțiune puternică intranucleară, care „lipește” nucleonii din nucleu. Mai mult, conform teoriei relativității (vezi capitolul 3), între energie E si masa m există o relaţie E = mc 2, unde Cu- viteza luminii in vid. Deci formarea energiei de legare a nucleonilor din nucleul E Sf. duce la o scădere a masei nucleului prin așa-numitul defect de masă Δm = E Sf.· c 2 . Aceste idei au fost confirmate de numeroase experimente. După ce am trasat dependența energiei de legare per nucleon Esv/ A= ε pe numărul de nucleoni din nucleu A, vom vedea imediat natura neliniară a acestei dependențe. Energia de legare specifică ε cu creșterea A La început crește brusc (pentru nucleele ușoare), apoi caracteristica se apropie de orizontală (pentru nucleele medii), iar apoi scade încet (pentru nucleele grele). Pentru uraniu ε ≈ 7,5 MeV, iar pentru nucleele medii ε ≈ 8,5 MeV. Nucleii mijlocii sunt cei mai stabili, au o energie de legare mare. Acest lucru deschide posibilitatea de a obține energie prin împărțirea unui nucleu greu în două mai ușoare (medii). O astfel de reacție de fisiune nucleară poate avea loc prin bombardarea unui nucleu de uraniu cu un neutron liber. De exemplu, 2 3 5 92 U este împărțit în două noi nuclee: rubidiu 37 -94 Rb și cesiu 140 55 Cs (una dintre variantele fisiunii uraniului). Reacția de fisiune a unui nucleu greu este remarcabilă prin faptul că, pe lângă noile nuclee mai ușoare, apar doi noi neutroni liberi, care sunt numiți secundari. În acest caz, pentru fiecare eveniment de fisiune există 200 MeV de energie eliberată. Este eliberat sub formă de energie cinetică a tuturor produselor de fisiune și apoi poate fi folosit, de exemplu, pentru a încălzi apa sau alt lichid de răcire. Neutronii secundari, la rândul lor, pot provoca fisiunea altor nuclee de uraniu. Se formează o reacție în lanț, în urma căreia o energie enormă poate fi eliberată în mediul de reproducere. Această metodă de generare a energiei este utilizată pe scară largă în armele nucleare și centralele nucleare controlate din centralele electrice și instalațiile de transport nuclear.

Pe lângă metoda indicată de obținere a energiei atomice (nucleare), există o alta - fuziunea a două nuclee ușoare într-un nucleu mai greu. Procesul de combinare a nucleelor ​​ușoare poate avea loc numai atunci când nucleele inițiale sunt apropiate de o distanță în care forțele nucleare acționează deja (interacțiune puternică), adică ~ 10 - 15 m. Acest lucru poate fi realizat la temperaturi foarte ridicate ordinul 1.000.000 °C. Astfel de procese se numesc reacții termonucleare.

Reacțiile termonucleare în natură au loc pe stele și, desigur, pe Soare. În condițiile Pământului, ele apar în timpul exploziilor de bombe cu hidrogen (arme termonucleare), a căror fitință este o bombă atomică obișnuită, care creează condiții pentru formarea de temperaturi ultra-înalte. Fuziunea termonucleară controlată are până acum doar un focus de cercetare. Nu există instalații industriale, dar se lucrează în această direcție în toate țările dezvoltate, inclusiv în Rusia.

2.11. Radioactivitate

Radioactivitatea este transformarea spontană a unui nucleu în altul.

Dezintegrarea spontană a izotopilor nucleari în condiții naturale de mediu se numește natural,și în condiții de laborator ca urmare a activității umane - radioactivitate artificială.

Radioactivitatea naturală a fost descoperită de fizicianul francez Henri Becquerel în 1896. Această descoperire a provocat o revoluție în știința naturii în general și în fizică în special. Fizica clasică a secolului al XIX-lea. cu convingerea ei în indivizibilitatea atomului a devenit un lucru al trecutului, dând loc unor noi teorii.

Descoperirea și studiul fenomenului radioactivității este asociată și cu numele lui Marie și Pierre Curie. Acești cercetători au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1903.

Radioactivitatea artificială a fost descoperită și studiată de soții Irene și Frederic Joliot-Curie, care au primit și Premiul Nobel în 1935.

Trebuie remarcat faptul că nu există nicio diferență fundamentală între aceste două tipuri de radioactivitate.

Au fost stabilite estimări cantitative pentru fiecare element radioactiv. Astfel, probabilitatea dezintegrarii unui atom într-o secundă este caracterizată de constanta de dezintegrare a unui element dat l, iar timpul în care jumătate dintr-o probă radioactivă se descompune se numește timp de înjumătățire G05.

De-a lungul timpului, numărul de nuclee nedezintegrate N scade conform legii exponentiale:

N= N 0 e -λt ,

unde N 0 este numărul de nuclee nedezintegrate la un moment dat t = t 0 (adică numărul inițial de atomi), N- valoarea curentă a numărului de nedegradate

Această lege se numește legea elementară a dezintegrarii radioactive. Din aceasta putem obține formula timpului de înjumătățire:

Se numește numărul de dezintegrari radioactive dintr-o probă pe secundă activitatea medicamentului radioactiv. Cel mai adesea, activitatea este indicată prin literă A apoi prin definitie:

unde semnul „-” înseamnă scădere N la timp.

Unitatea de activitate în sistemul SI este Becquerel (Bq): 1 Bq=1decay/1s. Deseori, în practică, se utilizează o unitate nesistemică - Curie (Ci), 1 Ci = 3,7 10 10 Bq.

Se poate arăta că activitatea scade în timp și conform unei legi exponențiale:

A = A 0 e -λt .

Întrebări de autotest

1. Ce este materia? Ce tipuri de materie se disting în înțelegerea modernă?

2. Explicați conceptul de „particule elementare”. Numiți cele mai importante caracteristici ale particulelor elementare. Cum sunt clasificate particulele elementare?

3. Câte tipuri de interacțiuni cunoașteți? Numiți caracteristicile lor principale.

4. Ce sunt antiparticulele?

5. Care este specificul studierii microlumii în comparație cu studiul mega și macrolumii?

6. Descrieți pe scurt istoria dezvoltării ideilor despre structura atomului.

7. Formulați postulatele lui N. Bohr. Este posibil, folosind teoria lui N. Bohr, să explicăm structura atomilor tuturor elementelor din tabelul lui D. I. Mendeleev?

8. Cine și când a creat teoria câmpului electromagnetic?

9. Ce este radioactivitatea?

10. Numiți principalele tipuri de dezintegrare radioactivă.

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Postat pe http://www.allbest.ru

1. Introducere

2. Despre conceptul de „materie”. Formarea și dezvoltarea ideilor generale despre materie

2.2 Materia în filosofie

2.3 Materia în fizică

3. Principalele tipuri de materie

4. Proprietăţile şi atributele materiei

5. Formele mișcării materiei

6. Niveluri structurale de organizare a materiei

Concluzie

Literatură

1. INTRODUCERE

Problema determinării esenței materiei este foarte complexă. Complexitatea constă în gradul ridicat de abstractizare a conceptului însuși de materie, precum și în varietatea diferitelor obiecte materiale, forme ale materiei, proprietățile și interdependența acesteia.

Îndreptându-ne atenția către lumea din jurul nostru, vedem o colecție de diverse obiecte și lucruri. Aceste articole au o varietate de proprietăți. Unele dintre ele au dimensiuni mari, altele mai mici, unele simple, altele mai complexe, unele sunt cuprinse destul de complet într-un mod direct senzorial, pentru a pătrunde în esența altora, este necesară activitatea de abstractizare a minții noastre. Aceste obiecte diferă și prin puterea impactului lor asupra simțurilor noastre.

Cu toate acestea, cu toată multiplicitatea și diversitatea lor, cele mai diverse obiecte ale lumii din jurul nostru au un numitor comun, ca să spunem așa, care ne permite să le unim cu conceptul de materie. Această generalitate este independența întregii varietăți de obiecte față de conștiința oamenilor. În același timp, această comunalitate în existența diferitelor formațiuni materiale este o condiție prealabilă pentru unitatea lumii. Cu toate acestea, observarea comunității într-o mare varietate de obiecte, fenomene și procese este departe de a fi o sarcină ușoară. Acest lucru necesită un anumit sistem de cunoștințe stabilite și o abilitate dezvoltată pentru activitățile de abstractizare ale minții umane. Deoarece cunoștințele sunt un produs dobândit și acumulate treptat, de-a lungul unei lungi perioade de timp, judecățile multor oameni despre natură și societate au fost inițial foarte vagi, aproximative și uneori pur și simplu incorecte. Acest lucru se aplică pe deplin definiției categoriei de materie.

2. DESPRE CONCEPTUL DE „MATERIE”. FORMAREA ŞI DEZVOLTAREA CONCEPTELOR GENERALE DESPRE MATERIE

2.1 Formarea și dezvoltarea ideilor generale despre materie

Cea mai superficială analiză a ideilor oamenilor de știință antici despre materie arată că toate erau materialiste în spirit, dar dezavantajul lor comun a fost, în primul rând, reducerea conceptului de materie la un anumit tip de substanță sau o serie de substanțe. Și în al doilea rând, recunoașterea materiei ca material de construcție, o anumită substanță primară neschimbătoare, exclude automat trecerea dincolo de limitele ideilor existente despre ea. Astfel, cunoașterea și pătrunderea ulterioară în esența materiei au fost limitate la orice tip specific de substanță cu proprietățile sale inerente. Cu toate acestea, marele merit al vechilor materialiști a fost alungarea ideilor despre un Dumnezeu creator și recunoașterea relației dintre materie și mișcare, precum și eternitatea existenței lor.

O amprentă notabilă în dezvoltarea doctrinei materiei a lăsat-o gânditorii Greciei antice Leucip și în special Democrit - fondatorii doctrinei atomiste a lumii înconjurătoare. Ei au fost primii care au exprimat ideea că toate obiectele constau din particule minuscule indivizibile - atomi. Substanța primară - atomii se mișcă în vid, iar diferitele lor combinații sunt una sau alta formație materială. Distrugerea lucrurilor, potrivit lui Democrit, înseamnă doar descompunerea lor în atomi. Însuși conceptul de atom conține ceva comun, inerent diferitelor corpuri.

O încercare foarte importantă de a defini materia a fost făcută de materialistul francez din secolul al XVIII-lea Holbach, care în lucrarea sa „The System of Nature” a scris că „în relație cu noi, materia în general este tot ceea ce ne influențează simțurile într-un fel”.

Aici vedem o dorință de a evidenția ceea ce este comun în diverse forme de materie, și anume că ele evocă senzații în noi. În această definiție, Holbach face deja abstracție de la proprietățile specifice ale obiectelor și oferă o idee despre materie ca o abstracție. Cu toate acestea, definiția lui Holbach a fost limitată. Nu a dezvăluit pe deplin esența a tot ceea ce ne afectează simțurile, nu a dezvăluit specificul a ceea ce nu ne poate afecta simțurile. Această incompletitudine a definiției materiei propusă de Holbach a creat oportunități pentru interpretări atât materialiste, cât și idealiste ale acesteia.

Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, știința naturii, și în special fizica, atinsese un nivel destul de ridicat de dezvoltare. Au fost descoperite principii generale și aparent de neclintit ale structurii lumii. Celula a fost descoperită, a fost formulată legea conservării și transformării energiei, calea evolutivă de dezvoltare a naturii vii a fost stabilită de Darwin, iar sistemul periodic de elemente a fost creat de Mendeleev. Atomii au fost recunoscuți ca bază a existenței tuturor oamenilor și obiectelor - cele mai mici, din punctul de vedere al acelui timp, particule indivizibile de materie. Conceptul de materie a fost astfel identificat cu conceptul de substanță a fost caracterizat ca o măsură a cantității de substanță sau o măsură a cantității de materie. Materia a fost considerată fără legătură cu spațiul și timpul. Datorită muncii lui Faraday și apoi lui Maxwell, au fost stabilite legile mișcării câmpului electromagnetic și natura electromagnetică a luminii. În același timp, propagarea undelor electromagnetice a fost asociată cu vibrațiile mecanice ale unui mediu ipotetic - eterul. Fizicienii au remarcat cu satisfacție: în sfârșit, s-a creat o imagine a lumii, fenomenele din jurul nostru se încadrează în cadrul prescris de aceasta.

Pe fundalul aparent prosper al unei „teorii armonioase”, a urmat brusc o serie întreagă de descoperiri științifice, inexplicabile în cadrul fizicii clasice. În 1896, au fost descoperite razele X. În 1896, Becquerel a descoperit accidental radioactivitatea uraniului, iar în același an Curies a descoperit radiul. Thomson a descoperit electronul în 1897, iar în 1901 Kaufman a arătat variabilitatea masei electronului pe măsură ce se mișcă într-un câmp electromagnetic. Compatriotul nostru Lebedev descoperă o presiune ușoară, stabilind astfel în cele din urmă materialitatea câmpului electromagnetic. La începutul secolului al XX-lea, Planck, Lorentz, Poincaré și alții au pus bazele mecanicii cuantice și, în cele din urmă, în 1905. Einstein creează teoria specială a relativității.

Mulți fizicieni din acea perioadă, gândind metafizic, nu au fost în stare să înțeleagă esența acestor descoperiri. Credința în inviolabilitatea principiilor de bază ale fizicii clasice i-a determinat să alunece de la poziții materialiste către idealism. Logica raționamentului lor a fost următoarea. Un atom este cea mai mică particulă de materie. Atomul are proprietăți de indivizibilitate, impenetrabilitate, constanță a masei și neutralitate a sarcinii. Și dintr-o dată se dovedește că atomul se dezintegrează în niște particule, care în proprietățile lor sunt opuse proprietăților atomului. Deci, de exemplu, un electron are o masă, o sarcină variabilă etc. Această diferență fundamentală în proprietățile unui electron și ale unui atom a condus la ideea că electronul este imaterial. Și întrucât conceptul de materie a fost identificat cu conceptul de atom, substanță și atomul a dispărut, a urmat concluzia: „materia a dispărut”. Pe de altă parte, variabilitatea masei electronilor, ceea ce însemna cantitatea de materie, a început să fie interpretată ca transformarea materiei în „nimic”. Astfel, unul dintre cele mai importante principii ale materialismului s-a prăbușit - principiul indestructibilității și increabilității materiei.

Definiția dialectico-materialistă a materiei este îndreptată împotriva identificării conceptului de materie cu tipurile și proprietățile sale specifice. Astfel, permite posibilitatea existenței și, prin urmare, a descoperirii în viitor a unor noi tipuri de materie necunoscute, „extravagante”. Trebuie spus că în ultimii ani, fizicienii și filozofii au prezis din ce în ce mai mult această posibilitate.

2.2 Materia în filosofie

Materia în filosofie (din latină materia - substanță) este o categorie filozofică pentru a desemna realitatea obiectivă, care este reflectată de senzațiile noastre, existând independent de acestea (în mod obiectiv).

Materia este o generalizare a conceptelor de material și ideal, datorită relativității lor. În timp ce termenul „realitate” are o conotație epistemologică, termenul „materie” are o conotație ontologică.

Conceptul de materie este unul dintre conceptele fundamentale ale materialismului și, în special, un astfel de concept în filozofie precum materialismul dialectic.

2.3 Materia în fizică

Materia în fizică (din latină materia - substanță) este un concept fizic fundamental asociat cu orice obiecte care există în natură, care pot fi judecate prin senzații.

Fizica descrie materia ca ceva care există în spațiu și timp; sau ca ceva care definește în sine proprietățile spațiului și timpului.

Modificări în timp care apar cu diferite forme ale materiei, inventa fenomene fizice. Sarcina principală a fizicii este de a descrie proprietățile anumitor tipuri de materie.

3. TIPURI DE BAZĂ DE MATERIE

În știința naturală modernă, există 3 tipuri de materie:

Substanța este principalul tip de materie care are masă. Obiectele materiale includ particule elementare, atomi, molecule și numeroase obiecte materiale formate din acestea. În chimie, substanțele sunt împărțite în simple (cu atomi ai unui element chimic) și complexe (compuși chimici). proprietățile unei substanțe depind de condițiile externe și de intensitatea interacțiunii atomilor și moleculelor. Aceasta determină diferitele stări agregate ale materiei (solid, lichid, gazos + plasmă la o temperatură relativ ridicată, trecerea materiei de la o stare la alta poate fi considerată ca unul dintre tipurile de mișcare a materiei).

Un câmp fizic este un tip special de materie care asigură interacțiunea fizică a obiectelor și sistemelor materiale.

Domenii fizice:

Electromagnetice și gravitaționale

Câmp de forță nucleară

Câmpuri ondulatorii (cuantice).

Sursa câmpurilor fizice sunt particulele elementare. Direcția câmpului electromagnetic - sursă, particule încărcate

Câmpurile fizice care sunt create de particule poartă interacțiunea dintre aceste particule la o viteză finită.

Teorii cuantice - interacțiunea este cauzată de schimbul de quante de câmp între particule.

Vidul fizic este cea mai scăzută stare de energie a câmpului cuantic. Acest termen a fost introdus în teoria câmpului cuantic pentru a explica unele microprocese.

Numărul mediu de particule (cuante de câmp) într-un vid este zero, dar în el se pot naște particule virtuale, adică particule într-o stare intermediară care există pentru o perioadă scurtă de timp. Particulele virtuale influențează procesele fizice.

Este general acceptat că nu numai materia, ci și câmpul și vidul au o structură discretă. Conform teoriei cuantice, câmpul, spațiul și timpul la scară foarte mică formează un mediu spațiu-timp cu celule. Celulele cuantice sunt atât de mici (10-35--10-33) încât pot fi ignorate atunci când descriu proprietățile particulelor electromagnetice, considerând spațiu și timp continuu.

Materia este percepută ca un mediu continuu. Pentru a analiza și a descrie proprietățile unei astfel de substanțe, în majoritatea cazurilor se ia în considerare doar continuitatea acesteia. Cu toate acestea, atunci când se explică fenomenele termice, legăturile chimice și radiația electromagnetică, aceeași substanță este considerată un mediu discret care constă din atomi și molecule care interacționează între ele.

Discretența și continuitatea sunt inerente câmpului fizic, dar atunci când se rezolvă multe probleme fizice, se obișnuiește să se considere câmpurile gravitaționale, electromagnetice și alte câmpuri continue. Cu toate acestea, în teoria câmpurilor cuantice se presupune că câmpurile fizice sunt discrete, prin urmare, aceleași tipuri de materie sunt caracterizate prin discontinuitate și continuitate.

Pentru o descriere clasică a fenomenelor naturale, este suficient să se țină seama de proprietățile continue ale materiei și pentru caracterizarea diferitelor microprocese - cele discrete.

4. PROPRIETĂȚI ȘI ATRIBUȚI ALE MATERIEI

Atributele materiei, formele universale ale existenței sale sunt circulaţie, spaţiuȘi timp, care nu există în afara materiei. În același mod, nu pot exista obiecte materiale care să nu aibă proprietăți spațiu-temporale.

Friedrich Engels a identificat cinci forme de mișcare a materiei:

fizic;

chimic;

biologic;

social;

mecanic.

Proprietățile universale ale materiei sunt:

increabilitatea și indestructibilitatea

eternitatea existenței în timp și infinitul în spațiu

materia se caracterizează întotdeauna prin mișcare și schimbare, autodezvoltare, transformarea unei stări în alta

determinism toate fenomenele

cauzalitate- dependența fenomenelor și obiectelor de conexiunile structurale din sistemele materiale și de influențele externe, de cauzele și condițiile care le dau naștere;

reflecţie-- se manifestă în toate procesele, dar depinde de structura sistemelor care interacționează și de natura influențelor externe. Dezvoltarea istorică a proprietății de reflecție duce la apariția formei sale cele mai înalte - abstractă gândire.

Legile universale ale existenței și dezvoltării materiei:

Legea unității și a luptei contrariilor

Legea tranziției modificărilor cantitative în cele calitative

Legea negației negației

Studiind proprietățile materiei, se poate observa relația lor dialectică inextricabilă. Unele proprietăți determină reciproc celelalte proprietăți.

Materia are, de asemenea, o structură structurală complexă. Pe baza realizărilor științei moderne, putem indica unele dintre tipurile și nivelurile sale structurale.

Se știe că până la sfârșitul secolului al XIX-lea. Știința naturii nu a mers dincolo de molecule și atomi. Odată cu descoperirea radioactivității electronilor, a început o descoperire a fizicii în regiuni mai profunde ale materiei. Mai mult, să subliniem încă o dată, ceea ce este fundamental nou în acest caz este refuzul de a absolutiza niște prime cărămizi, esența neschimbată a lucrurilor. În prezent, fizica a descoperit multe particule elementare diferite. S-a dovedit că fiecare particulă are propriul antipod - o antiparticulă care are aceeași masă, dar sarcina opusă, spin etc. Particulele neutre au, de asemenea, propriile lor antiparticule, care diferă prin spin opus și alte caracteristici. Particule și antiparticule, care interacționează, „anihilează”, adică dispar, transformându-se în alte particule. De exemplu, un electron și un pozitron se anihilează și se transformă în doi fotoni.

Simetria particulelor elementare ne permite să sugerăm posibilitatea existenței unei antilumi formată din antiparticule, antiatomi și antimaterie. Mai mult, toate legile care operează în anti-lume trebuie să fie asemănătoare cu legile lumii noastre.

Numărul total de particule, inclusiv așa-numitele „rezonanțe”, a căror durată de viață este extrem de scurtă, ajunge acum la aproximativ 300. Este prezisă existența unor particule ipotetice - quarci, cu sarcină fracțională. Cuarcii nu au fost încă descoperiți, dar fără ei este imposibil de explicat satisfăcător unele fenomene de mecanică cuantică. Este posibil ca în viitorul apropiat această predicție teoretică să găsească o confirmare experimentală.

Prin sistematizarea informațiilor cunoscute despre structura materiei, putem indica următoarea imagine structurală a acesteia.

În primul rând, ar trebui să distingem trei tipuri principale de materie, care includ: materie, antimaterie și câmp. Câmpurile electromagnetice, gravitaționale, electronice, mezonice și alte sunt cunoscute. În general, fiecare particulă elementară este asociată cu un câmp corespunzător. Materia include particule elementare (excluzând fotonii), atomi, molecule, macro și megacorpi, de exemplu. tot ceea ce are o masă de repaus.

Toate aceste tipuri de materie sunt interconectate dialectic. O ilustrare în acest sens este descoperirea în 1922 de către Louis de Broglie a naturii duale a particulelor elementare, care în unele condiții își dezvăluie natura corpusculară, iar în altele - calitățile undelor.

În al doilea rând, în forma cea mai generală, se pot distinge următoarele niveluri structurale ale materiei:

1. Particule și câmpuri elementare.

2. Nivel atomo-molecular.

3. Toate macrocorpurile, lichidele și gazele.

4. Obiecte spațiale: galaxii, asociații stelare, nebuloase etc.

5. Nivel biologic, natură vie.

6. Nivel social – societate.

Fiecare nivel structural al materiei în mișcarea și dezvoltarea sa este supus propriilor legi specifice. De exemplu, la primul nivel structural, proprietățile particulelor și câmpurilor elementare sunt descrise de legile fizicii cuantice, care sunt de natură probabilistică și statistică. Natura vie are propriile ei legi. Societatea umană funcționează conform unor legi speciale. Există o serie de legi care operează la toate nivelurile structurale ale materiei (legile dialecticii, legea gravitației universale etc.), care este una dintre dovezile interconexiunii inextricabile a tuturor acestor niveluri.

Fiecare nivel superior al materiei include nivelurile sale inferioare. De exemplu, atomii și moleculele includ particule elementare, macrocorpurile constau din particule elementare, atomi și molecule. Cu toate acestea, formațiunile materiale de la un nivel superior nu sunt doar o sumă mecanică de elemente la un nivel inferior. Acestea sunt formațiuni materiale calitativ noi, cu proprietăți radical diferite de simpla sumă a proprietăților elementelor lor constitutive, care se exprimă în specificul legilor care le descriu. Se știe că un atom format din particule încărcate diferit este neutru. Sau un exemplu clasic. Oxigenul susține arderea, hidrogenul arde, iar apa, ale cărei molecule constau din oxigen și hidrogen, stinge focul. Mai departe. Societatea este o colecție de oameni individuali - ființe biosociale. În același timp, societatea nu este reductibilă nici la o persoană individuală, nici la o anumită sumă de oameni.

În al treilea rând, pe baza clasificării de mai sus, se pot distinge trei sfere diferite ale materiei: neînsuflețit, viu și organizat social - societatea. Mai sus am considerat aceste sfere pe un alt plan. Faptul este că orice clasificare este relativă și, prin urmare, în funcție de nevoile cunoașterii, se poate da o clasificare foarte diferită a nivelurilor, sferelor etc., reflectând structura complexă, cu mai multe fațete a materiei. Să subliniem că baza aleasă pentru clasificare este doar o reflectare a diversității realității obiective în sine. Putem distinge micro-, macro- și mega-lumi. Acest lucru nu epuizează clasificarea structurii materiei sunt posibile și alte abordări ale acesteia.

5. FORME DE MIȘCARE A MATERIEI

materia fiind mişcarea

Formele de mișcare a materiei sunt principalele tipuri de mișcare și interacțiune a obiectelor materiale, exprimând modificările lor holistice. Fiecare corp are nu una, ci o serie de forme de mișcare materială. În știința modernă, există trei grupuri principale, care, la rândul lor, au multe dintre propriile lor forme specifice de mișcare:

în natură anorganică,

mișcarea spațială;

mișcarea particulelor și câmpurilor elementare - interacțiuni electromagnetice, gravitaționale, puternice și slabe, procese de transformare a particulelor elementare etc.;

mișcarea și transformarea atomilor și moleculelor, inclusiv reacțiile chimice;

modificări ale structurii corpurilor macroscopice - procese termice, modificări ale stărilor de agregare, vibrații sonore etc.;

procese geologice;

schimbări în sistemele spațiale de diferite dimensiuni: planete, stele, galaxii și clusterele lor.;

în natura vie,

metabolism,

autoreglare, management și reproducere în biocenoze și alte sisteme ecologice;

interacțiunea întregii biosfere cu sistemele naturale ale Pământului;

procese biologice intraorganismale care vizează asigurarea conservării organismelor, menținerea stabilității mediului intern în condițiile de existență în schimbare;

procesele supraorganismele exprimă relațiile dintre reprezentanții diferitelor specii din ecosisteme și determină numărul și zona de distribuție a acestora ( gamă) și evoluție;

în societate,

diverse manifestări ale activității conștiente a oamenilor;

toate formele superioare de reflecție și transformarea intenționată a realității.

Formele superioare de mișcare a materiei apar din punct de vedere istoric pe baza celor relativ inferioare și le includ într-o formă transformată. Există unitate și influență reciprocă între ei. Dar cele mai înalte forme de mișcare sunt calitativ diferite de cele inferioare și nu pot fi reduse la ele. Dezvăluirea relațiilor materiale este de mare importanță pentru înțelegerea unității lumii, dezvoltarea istorică a materiei, pentru înțelegerea esenței fenomenelor complexe și gestionarea lor practică.

6. NIVELURI STRUCTURALE DE ORGANIZAREA MATERIEI

Nivelurile structurale ale materiei se formează dintr-un anumit set de obiecte din orice clasă și se caracterizează printr-un tip special de interacțiune între elementele lor constitutive.

Criteriile de identificare a diferitelor niveluri structurale sunt următoarele:

scale spatio-temporale;

un set de proprietăți esențiale;

legi specifice de mișcare;

gradul de complexitate relativă care apare în procesul de dezvoltare istorică a materiei într-o anumită zonă a lumii;

alte semne.

Micro-, macro- și megalumi

Nivelurile structurale cunoscute în prezent ale materiei pot fi clasificate în funcție de caracteristicile de mai sus în următoarele zone.

1. Microlume. Acestea includ:

particule elementare și nuclee atomice - aria de ordinul a 10-15 cm;

atomi și molecule 10-8--10-7 cm.

2. Macroworld: corpuri macroscopice 10-6--107 cm.

3. Megaworld: sisteme spațiale și cântare nelimitate până la 1028 cm.

Diferitele niveluri de materie sunt caracterizate de diferite tipuri de conexiuni.

Pe o scară de 10-13 cm există interacțiuni puternice, integritatea nucleului este asigurată de forțele nucleare.

Integritatea atomilor, moleculelor și macrocorpurilor este asigurată de forțele electromagnetice.

La scară cosmică - forțe gravitaționale.

Pe măsură ce dimensiunea obiectelor crește, energia de interacțiune scade. Dacă luăm energia interacțiunii gravitaționale ca unitate, atunci interacțiunea electromagnetică într-un atom va fi de 1039 de ori mai mare, iar interacțiunea dintre nucleoni - particulele care alcătuiesc nucleul - va fi de 1041 de ori mai mare. Cu cât dimensiunile sistemelor de materiale sunt mai mici, cu atât elementele lor sunt mai ferm interconectate.

Împărțirea materiei în niveluri structurale este relativă. La scarile spatio-timp disponibile, structura materiei se manifesta in organizarea sa sistemica, existenta sub forma unei multitudini de sisteme care interactioneaza ierarhic, de la particule elementare pana la Metagalaxie.

Vorbind despre structuralitate - dezmembrarea internă a existenței materiale, se poate observa că, oricât de largă este gama viziunii despre lume a științei, aceasta este strâns legată de descoperirea a tot mai multe formațiuni structurale noi. De exemplu, dacă mai devreme perspectiva Universului era limitată la Galaxie, apoi extinsă la un sistem de galaxii, acum Metagalaxia este studiată ca un sistem special cu legi specifice, interacțiuni interne și externe.

7. CONCLUZIE

Toate disciplinele științelor naturii se bazează pe conceptul de materie, ale cărei legi ale mișcării și modificărilor sunt studiate.

Un atribut integral al mamei este mișcarea ei, ca formă de existență a materiei, atributul ei cel mai important. Mișcarea în forma sa cea mai generală este orice schimbare în general. Mișcarea materiei este absolută, în timp ce restul este relativ.

Fizicienii moderni au respins ideea spațiului ca gol și a timpului ca unul pentru Univers.

Întreaga experiență a omenirii, inclusiv datele cercetării științifice, sugerează că nu există obiecte, procese și fenomene eterne. Chiar și corpurile cerești care există de miliarde de ani au un început și un sfârșit, apar și mor. La urma urmei, atunci când obiectele mor sau se prăbușesc, ele nu dispar fără urmă, ci se transformă în alte obiecte și fenomene. Un citat din ideile lui Berdiaev confirmă acest lucru: „...Dar pentru filozofie, timpul existent, în primul rând, și apoi spațiul, este generarea evenimentelor, a acțiunilor în adâncul ființei, înaintea oricărei obiectivități. Actul primar nu presupune nici timp, nici spațiu, el dă naștere timpului și spațiului.”

Materia este eternă, necreată și indestructibilă. Ea a existat întotdeauna și pretutindeni și va exista întotdeauna și pretutindeni.

LITERATURĂ

1. Basakov M.I., Golubintsev V.O., Kazhdan A.E. Spre conceptul de știință naturală modernă. ? Rostov n/d: Phoenix, 1997. ? 448p.

2. Dubnischeva T.Ya. Concepte ale științelor naturale moderne - ed. a VI-a, rev. si suplimentare - M.: Centrul de Editură „Academia”, 2006. - 608 p.

3. Resursa de internet „Wikipedia” - www.wikipedia.org

4. Sadokhin A.P. Concepte ale științelor naturale moderne: un manual pentru studenții care studiază în științe umaniste și specialități în economie și management. ? M.: UNITATEA-DANA, 2006. ? 447p.

Postat pe www.allbest.ru

Documente similare

Problema determinării esenței materiei, istoria studiului ei de către oamenii de știință antici și moderni. Caracteristicile relației dialectice dintre proprietățile și elementele structurale ale materiei. Principalele cauze și forme de mișcare a materiei, specificul lor calitativ.

rezumat, adăugat 14.12.2011


Înțelegerea materiei ca realitate obiectivă. Materia în istoria filozofiei. Niveluri de organizare a naturii neînsuflețite. Structura materiei la nivel biologic și social. Categoria filozofică a materiei și rolul ei fundamental în înțelegerea lumii și a omului.

rezumat, adăugat 05.06.2012


Materia ca concept filozofic. Mișcarea, spațiul și timpul sunt atribute universale și principalele moduri de existență a materiei. Dialectică și probleme moderne ale materiei. Conceptul de materie este rezultatul unei generalizări a tuturor conceptelor despre lumea materială.

rezumat, adăugat 06.05.2009


Studiul principiilor de bază ale existenței, structurii și modelelor acesteia. Ființa este socială și ideală. Materia ca realitate obiectivă. Analiza ideilor moderne despre proprietățile materiei. Clasificarea formelor de mișcare a materiei. Nivelurile faunei sălbatice.

prezentare, adaugat 16.09.2015


O analiză cuprinzătoare a formării și evoluției conceptului filozofic al materiei. Caracteristicile generale ale structurii materiei, studiul sistematizării și evaluarea componentelor generale ale problemelor de sistemicitate a materiei. Întrebări filozofice ale unității materiale a lumii și a naturii.

lucru curs, adăugat 01.08.2012


Conceptul de materie ca concept fundamental al filosofiei și științelor naturale. Istoria apariției și dezvoltării acestui concept. Înțelegerea religios-idealistă a materiei în filosofia greacă antică. Înțelegerea și definirea lui Lenin a esenței materiei.

rezumat, adăugat 22.11.2009


Fiind ca categorie universală a unității Lumii. Problema fiinţei în istoria gândirii filosofice. Materia ca categorie fundamentală a filosofiei. Proprietățile de bază ale materiei. Principii metodologice în elaborarea unei clasificări a formelor de mișcare a materiei.

rezumat, adăugat 06.12.2012


Definiții antice ale materiei. Teoria atomistă a structurii materiei naturale. Forme de existență a materiei. Spațiul și timpul ca forme universale de existență a lumii materiale. Caracteristici ale formării continuumului spațiu-timp.

rezumat, adăugat 27.12.2009


Apariția conceptului de „materie” în filozofie și știință. Un sistem de vederi asupra realității din jurul nostru. Spațiul și timpul ca forme de existență a materiei. Model atomistic al lumii. Problema de a fi și a deveni. Ideile metafizice.

test, adaugat 20.03.2009


Materia ca unul dintre cele mai fundamentale concepte ale filozofiei, ideea ei în diferite sisteme filozofice. Idei materialiste (K. Marx, F. Engels și V. Lenin) despre structura materiei. Proprietăți, forme de bază și metode ale existenței sale.