10734 (Типы материальных систем, их связь и соотношение)

Содержание

Введение

1. Научное познание мира «вглубь» и «вширь»

2. Микромир

3. Макромир

4. Мегамир

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта.

Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.

Становление теории атомно-молекулярного строения мира приходится на начало 19 века, хотя еще Демокрит предполагал, что Вселенная слагается из мельчайших неделимых частиц, однако доказать экспериментально, что каждый химический элемент состоит из одинаковых атомов, удалось лишь в 1808 году. Сделал это английский химик и физик Дж.Дальтон - создатель химического атомизма, а в 1811 году итальянский физик и химик А.Авогадро выдвинул гипотезу молекулярного строения веществ. В первое время физики были поражены необычными свойствами тех мельчайших частиц материи, которые они изучали в микромире.

В конце XIX - начале XX вв. физика вышла на новый уровень исследований. Понятия и принципы классической физики оказались неприменимыми не только к изучению свойств пространства и времени, но еще в большей мере к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи или микрообъектов, таких, как электроны, протоны, нейтроны, атомы и подобные им объекты.

В настоящее время сложилось представление об иерархичности физических явлений. В рамках физической картины мира выделяют по меньшей мере три структурных уровня - микро-, макро- и мегамир.

Все вышесказанное обосновывает актуальность данной темы.

Цель работы: всестороннее изучение и анализ микро-, макро- и мегамиров.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы 15 страниц.

1. Научное познание мира «вглубь» и «вширь»

Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на три качественно различные области: микро-, макро- и мегамиры.

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10~⁸ до 10~¹⁶ см, а время жизни – от бесконечности до 10~²⁴ сек.

Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

Предложено также (К.Х. Рахматуллиным) выделить еще два уровня — гипомир (микромир в микромире) и гипермир (сверхмегамир). Однако последние два уровня следует считать пока гипотетичными, лишь предсказываемыми теорией, но еще не ставшими экспериментально наблюдаемыми, достоверно установленными.

Еще в начале XX в. немецкий физик М. Планк определил фундаментальные константы — длины (10^-33 см) и времени (10 ^-44 с), получившие название «планковская длина» и «планковское время». Это более чем в миллиард миллиардов раз меньше размеров атомных ядер (10^-13 см), которые сами на пять порядков (в 10⁵, т.е. в сто тысяч раз) мельче атомов, характеризующихся величинами в 10^-8 см. Считается, что в области планковских масштабов неприменима общая теория относительности. Это свидетельствует не только о количественном, но и о качественном отличии предполагаемого гипомира от надежно установленного микромира - мира атомов и большого семейства (примерно четырехсот) так называемых элементарных частиц - электронов, протонов, нейтронов и др. В области реально, экспериментально изучаемого мира физики фиксируют размеры порядка 10^-16 см (в тысячу раз меньше размеров атомных ядер).

Наряду с углублением познания в области микромира (познанием мира «вглубь») для науки XX в. очень характерно стремительное движение познания по линии увеличения размеров изучаемых объектов, т.е. познание мира «вширь» — Это мир галактик.

Самым большим объектом, установленным наукой, является Метагалактика, включающая все известные скопления галактик. Размеры ее — порядка 10²⁸ см. Такое расстояние свет проходит со скоростью 300 000 км/с за 20 миллиардов лет. Некоторые ученые отождествляют Метагалактику со Вселенной в целом, но все больше ученых склоняется к тому, что миров, подобных Метагалактике, во Вселенной множество. Представления о множестве мегамиров и ведут к выделению нового уровня в строении Вселенной — гипермира.

Таким образом, сейчас выделяют 5 уровней материального мира: гипомир, микромир, макромир, мегамир, гипермир. Им соответствуют расстояния от 10^-33 см до 10²⁸ см. В этих рамках микромир выделяется прежде всего как объект квантовой механики, макромир - как объект классической механики, мегамир - как объект релятивистской механики.

2. Микромир

В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными.

В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж.Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А.Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов.

Понятие «Микромир» охватывает фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Элементарные частицы – это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. К ним относят также и те частицы, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, которые возникают при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излучения. К наиболее известным элементарным частицам относятся электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. В строгом смысле слова элементарные частицы не должны содержать в себе какие-либо другие частицы. Однако далеко не все из наиболее известных элементарных частиц удовлетворяют этому требованию. Было обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно превращаться, т.е. не являются «последними кирпичиками» мироздания. В настоящее время уже известны сотни элементарных частиц, хотя согласно теории их число не должно быть особенно большим. Новейшие исследования, в частности, подтверждают выдвинутую ранее гипотезу о существовании еще «более элементарных» частиц – кварков.

Первой элементарной частицей, открытой в физике, стал электрон, который в 1897 году, изучая газовые разряды открыл английский физик Джозеф Томсон и измерил отношение его заряда к массе: поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Электрон — один из основных структурных элементов вещества; электронные оболочки атомов определяют оптические, электрические, магнитные и химические свойства атомов и молекул, а также большинство свойств твердых тел.

В обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона. После установления сложной структуры многих элементарных частиц потребовалось ввести новое понятие – фундаментальные частицы, под которыми понимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.

Во всех взаимодействиях элементарные частицы ведут себя как единое целое. Характеристиками элементарных частиц являются, кроме массы покоя, электрического заряда, спина, также такие специфические характеристики (квантовые числа), как барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т.п.

В настоящее время достаточно много известно об атомарном строении вещества и элементарных частицах. Поскольку элементарные частицы способны к взаимным превращениям, это не позволяет рассматривать их, так же как и атом, в качестве простейших, неизменных «кирпичиков мироздания». Число элементарных частиц очень велико. Всего открыто более 350 элементарных частиц, из которых стабильны лишь фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы (каждая элементарная частица, за исключением абсолютно нейтральных, имеет свою античастицу). Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 10³ с (свободный нейтрон) до 10^-22- 10^-24 с (резонансы).

Существует несколько групп элементарных частиц, различающихся по своим свойствам и характеру взаимодействия, которые принято делить на две большие группы: фермионы и бозоны (см. рисунок).

Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся «виртуальных» частиц. Например, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции (лат. annihilatio, букв. уничтожение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова.

Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы.

Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной, в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно, потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры материального мира.

Атомом (от греч. atomos - неделимый) называют часть вещества микроскопических размеров и массы, мельчайшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства. Атомы состоят из элементарных частиц и имеют сложную внутреннюю структуру, представляя собой целостную ядерно-электронную систему. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; вокруг движутся электроны, образующие электронные оболочки, размеры которых (~10-8 см) определяют размеры атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра), число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке; соединяясь химически, атомы образуют молекулы.

Важная характеристика атома — его внутренняя энергия, которая может принимать лишь определенные (дискретные) значения, соответствующие устойчивым состояниям атома, и изменяется только скачкообразно путем квантового перехода. Поглощая определенную порцию энергии, атом переходит в возбужденное состояние (на более высокий уровень энергии). Из возбужденного состояния атом, испуская фотон, может перейти в состояние с меньшей энергией (на более низкий уровень энергии). Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным, остальные — возбужденными. Квантовые переходы обусловливают атомные спектры поглощения и испускания, индивидуальные для атомов всех химических элементов.

Под ядром атома понимается его центральная часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. Ядро состоит из нуклонов – протонов и нейтронов (обозначение p и n). Масса протона m_P = 1,673×10^-27 =1,836m_e , m_n = 1,675×10^-27 = 1835,5m_e. Масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него (т.н. «дефект масс»). Протон несет элементарный положительный заряд, нейтрон – частица незаряженная. Число электронов в атоме равно порядковому номеру Z элемента в таблице Менделеева, а число протонов, поскольку в целом атом нейтрален, равно числу электронов. Тогда число нейтронов в ядре определяется следующим образом: N_P = A – Z, где А – массовое число, т.е. целое число, ближайшее к атомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (число протонов).

Для обозначения ядер применяется запись _ZX^A, где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Сейчас известно более 300 устойчивых и более 1000 неустойчивых изотопов. С неустойчивыми изотопами связано явление радиоактивности – ядерного распада.