Модели атомов
Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов[2].
Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом», англ. Plum pudding model). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.
Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.
Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году[3] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.
Квантово-механическая модель атома
Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженнымиэлектронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).
Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).
Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.
Соотношения неопределённостей Гейзенберга являются теоретическим пределом точности одновременных измерений двух некоммутирующих наблюдаемых. Они справедливы как дляидеальных измерений, иногда называемых измерениями фон Неймана, так и для неидеальных измерений.
Согласно принципу неопределённостей, частица[* 2] не может быть описана как классическая частица, то есть например у нее не могут быть одновременно точно измерено положение и скорость (импульс)[* 3]. Принцип неопределённости уже в виде, первоначально предложенном Гейзенбергом, применим и в случае, когда ни одна из двух крайних ситуаций (полностью определенный импульс и полностью неопределенная пространственная координата - или полностью неопределенный импульс и полностью определенная координата) не реализуется.
Пример: частица с определённым значением энергии, находящаяся в коробке с идеально отражающими стенками; она не характеризуется ни каким-либо определённым «положением» или пространственной координатой (волновая функция частицы делокализована на всё пространство коробки, то есть ее координаты не имеют определенного значения, локализация частицы осуществлена не точнее размеров коробки), ни определённым значением импульса (учитывая его направление![* 4]).
Соотношения неопределённостей не ограничивают точность однократного измерения любой величины (для многомерных величин тут подразумевается в общем случае только одна компонента). Если её оператор коммутирует сам с собой в разные моменты времени, то не ограничена точность и многократного (или непрерывного) измерения одной величины. Например, соотношение неопределённостей для свободной частицы не препятствует точному измерению её импульса, но не позволяет точно измерить её координату (это ограничение называется стандартный квантовый предел для координаты).
Соотношение неопределенностей в квантовой механике в математическом смысле есть непосредственное прямое следствие некоего свойства преобразования Фурье[* 5].
Существует
точная количественная аналогия между
соотношениями неопределённости
Гейзенберга и свойствами волн или сигналов.
Рассмотрим переменный во времени сигнал,
например звуковую волну.
Бессмысленно говорить о частотном
спектре сигнала в какой-либо момент
времени. Для точного определения частоты
необходимо наблюдать за сигналом в
течение некоторого времени, таким
образом теряя точность определения
времени. Другими словами, звук не может
одновременно иметь и точное значение
времени его фиксации, как его имеет
очень короткий импульс, и точного
значения частоты, как это имеет место
для непрерывного (и в принципе бесконечно
длительного) чистого тона (чистой
синусоиды). Временно́е положение и
частота волны математически полностью
аналогичны координате и (квантово-механическому)
импульсу частицы. Что совсем не
удивительно, если вспомнить, что 
,
то есть импульс в квантовой механике —
это и есть пространственная частота
вдоль соответствующей координаты.
В
повседневной жизни мы обычно не наблюдаем
квантовую неопределённость потому, что
значение 
чрезвычайно
мало, и поэтому соотношения неопределенностей
накладывают такие слабые ограничения
на погрешности измерения, которые
заведомо незаметны на фоне реальных
практических погрешностей[*
6] наших
приборов или органов чувств.
10. Определите понятия “материя”, “структурный уровень организации материи”, “атом”. Конкретным примером проиллюстрируйте познавательную и практическую значимость изучения строения атома.
11. Определите понятия “материя”, “структурный уровень организации материи”, “химический элемент”. Изложите содержание периодического закона Д. И. Менделеева, выделите его концепцию. Используя периодическую систему химических элементов, проиллюстрируйте количественную и качественную неисчерпаемость материи.
Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева[1]. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.[2]
Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества (одноэлементные)[
В настоящее время Периодический закон Д. И. Менделеева имеет следующую формулировку: «свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов».
12. Определите понятия “материя”, “структурный уровень организации материи”, “химический элемент”. Проведя рейтинг химических элементов, конкретным примером проиллюстрируйте познавательную и практическую значимость их изучения.
13. Определите понятия “материя”, “структурный уровень организации материи”, “молекула”. Представьте общую характеристику строения молекул. Назовите и опишите виды химической связи.
Моле́кула (новолат. molecula, уменьшительное от лат. moles — масса) — электрически нейтральная частица, состоящая из двух или более связанных ковалентными связями атомов[1], наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами[2].
Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами, молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) — радикалами.
Молекулы относительно высокой молекулярной массы, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных фрагментов, называются макромолекулами[
Ковалентная
связь образуется в результате
обобществления электронов (с образованием
общих электронных пар), которое происходит
в ходе перекрывания электронных облаков.
В образовании ковалентной связи участвуют
электронные облака двух атомов.
Различают две основные разновидности
ковалентной связи: а) неполярную и б)
полярную.
а) Ковалентная неполярная связь образуется
между атомами неметалла одного и того
лее химического элемента. Такую связь
имеют простые вещества, например О2; N2;
C12. Можно привести схему образования
молекулы водорода: 
(на
схеме электроны обозначены
точками).
б) Ковалентная полярная связь образуется
между атомами различных неметаллов.
Схематично образование ковалентной
полярной связи в молекуле НС1 можно
изобразить так:
Общая
электронная плотность оказывается
смещенной в сторону хлора, в результате
чего на атоме хлора возникает частичный
отрицательный заряд 
,
а на атоме водорода — частичный
положительный 
.
Таким образом, молекула становится
полярной: 
Ионной называется связь между ионами,
т. е. заряженными частицами, образовавшимися
из атома или группы атомов в результате
присоединения или
отдачи электронов Ионная связь характерна
для солей и щелочей. Сущность ионной
связи лучше рассмотреть на примере
образования хлорида натрия. Натрий, как
щелочной металл, склонен отдавать
электрон, находящийся на внешнем
электронном слое. Хлор же, наоборот,
стремится присоединить к себе один
электрон. В результате натрий отдает
свой электрон хлору.
В итоге образуются противоположно
заряженные
частицы — ионы Na+ и Сl-, которые притягиваются
друг к другу. При ответе следует обратить
внимание, что вещества, состоящие из
ионов, образованы типичными металлами
и неметаллами. Они представляют собой
ионные кристаллические вещества, т. е.
вещества, кристаллы которых образованы
ионами, а не молекулами.
После рассмотрения каждого вида связи
следует перейти к их сравнительной
характеристике.
Для ковалентной неполярной, полярной
и ионной связи общим является участие
в образовании связи внешних электронов,
которые еще называют валентными. Различие
же состоит в том, насколько электроны,
участвующие в образовании связи,
становятся общими. Если эти электроны
в одинаковой мере принадлежат обоим
атомам, то связь ковалент-ная неполярная;
если эти электроны смещены к одному
атому больше, чем другому, то связь
ковалент-ная полярная. В случае, если
электроны, участвую щие в образовании
связи, принадлежат одному атому, то
связь ионная.
Металлическая связь — связь между
ион-атомами в кристаллической решетке
металлов и сплавах, осуществляемая за
счет притяжения свободно перемещающихся
(по кристаллу) электронов (Mg, Fe).
14. Определите понятия “материя”, “структурный уровень организации материи”, “вещество”. Сформулируйте положения молекулярно-кинетической теории, на основании которых опишите различные агрегатные состояния вещества.
Вещество́ — форма материи, в отличие от поля, обладающая массой покоя. Вещество состоит из частиц, среди которых чаще всего встречаются электроны, протоны и нейтроны. Последние два образуют атомные ядра, а все вместе — атомы (атомное вещество), из которых -молекулы, кристаллы и т. д. Вещество есть энергообразование из фрагментов материи.
все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов;
частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);
частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.
15. Определите понятия “материя”, “движение”, “вещество”. На примере агрегатных состояний воды проиллюстрируйте взаимосвязь основных форм движения материи.
16. Определите понятия “химический элемент”, “вещество”. Охарактеризуйте концептуальные системы химических знаний, поясните, от чего зависят свойства вещества.
Вещество́ — форма материи, в отличие от поля, обладающая массой покоя. Вещество состоит из частиц, среди которых чаще всего встречаются электроны, протоны и нейтроны. Последние два образуют атомные ядра, а все вместе — атомы (атомное вещество), из которых -молекулы, кристаллы и т. д. Вещество есть энергообразование из фрагментов материи.
Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева[1]. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.[2]
Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества (одноэлементные)[
17. Определите понятия “материя”, “структурный уровень организации материи”, “жизнь”. Назовите признаки, совокупностью которых обладает живой организм. Опишите структурные уровни живой природы.
Материя - это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента. С точки зрения марксистско-ленинского понимания материи, она органически связана с диалектико-материалистическим решением основного вопроса философии; оно исходит из принципа материального единства мира, первичности материи по отношению к человеческому сознанию и принципа познаваемости мира на основе последовательного изучения конкретных свойств, связей и форм движения материи.
Мате́рия (от лат. māteria «вещество») — фундаментальное физическое понятие, связанное с любыми объектами, существующими в природе, о которых можно судить благодаря ощущениям[1].
Физика описывает материю как нечто, существующее в пространстве и во времени (в пространстве-времени) — представление, идущее от Ньютона (пространство — вместилище вещей, время — событий); либо как нечто, само задающее свойства пространства и времени — представление, идущее от Лейбница и, в дальнейшем, нашедшее выражение в общей теории относительности Эйнштейна. Изменения во времени, происходящие с различными формами материи, составляют физические явления. Основной задачей физики является описание свойств тех или иных видов материи и ее взаимодействия
Жизнь — активная форма существования материи, в некотором смысле высшая по сравнению с её физической и химической формами существования[1][2][3]; совокупность физических и химических процессов, протекающих вклетке, позволяющих осуществлять обмен веществ и деление клетки (митоз)[источник не указан 104 дня]. Основной атрибут живой материи — генетическая информация, используемая для репликации. Вне клетки жизнь не существует, вирусы проявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку[источник не указан 104 дня]. Приспосабливаясь к окружающей среде, живая клетка формирует все многообразие живых организмов.
Также под словом «жизнь» понимают период существования отдельно взятого организма от момента возникновения до его смерти.
1. Живые организмы — важный компонент биосферы. Клеточное строение — характерный признак всех организмов, за исключением вирусов. Наличие в клетках плазматической мембраны, цитоплазмы, ядра. Особенность бактерий: отсутствие оформленного ядра, митохондрий, хлоропластов. Особенности растений: наличие в клетке клеточной стенки, хлоропластов, вакуолей с клеточным соком, автотрофный способ питания. Особенности животных: отсутствие в клетках хлоропластов, вакуолей с клеточным соком, оболочки из клетчатки, гетеротрофный способ питания. 2. Наличие в составе живых организмов органических веществ: сахара, крахмала, жира, белка, нуклеиновых кислот и неорганических веществ: воды и минеральных солей. Сходство химического состава у представителей разных царств живой природы. 3. Обмен веществ — главный признак живого, включающий питание, дыхание, транспорт веществ, их преобразование и создание из них веществ и структур собственного организма, освобождение энергии в одних процессах и использование в других, выделение конечных продуктов жизнедеятельности. Обмен веществами и энергией с окружающей средой. 4. Размножение, воспроизведение потомства — признак живых организмов. Развитие дочернего организма из одной клетки (зиготы при половом размножении) или группы клеток (при вегетативном размножении) материнского организма. Значение размножения в увеличении численности особей вида, их расселении и освоении новых территорий, сохранении сходства и преемственности между родителями и потомством в ряду многих поколений. 5. Наследственность и изменчивость — свойства организмов. Наследственность — свойство организмов передавать присущие им особенности строения и развития потомству. Примеры наследственности: из семян березы вырастают растения березы, у кошки рождаются похожие на родителей котята. Изменчивость — возникновение у потомства новых признаков. Примеры изменчивости: растения березы, выросшие из семян материнского растения одного поколения, различаются по длине и окраске ствола, числу листьев и др. 6. Раздражимость — свойство живых организмов. Способность организмов воспринимать раздражения из окружающей среды и в соответствии с ними координировать свою деятельность, поведение — комплекс приспособительных двигательных реакций, возникающих в ответ на разнообразные раздражения из окружающей среды. Особенности поведения животных. Рефлексы и элементы рассудочной деятельности животных. Поведение растений, бактерий, грибов: разные формы движения — тро-пизмы, настии, таксисы.
Молекулярно-генетический уровень.
Это тот уровень организации материи, на котором совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого. При изучении молекулярно-генетического уровня достигнута, видимо, наибольшая ясность в определении основных понятий, а также в выявлении элементарных структур и явлений. Развитие хромосомной теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов вскрыли основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений.
Клеточный уровень.
Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.
Любой живой организм состоит из клеток. В простейшем случае -- из единственной клетки (бактерии, амебы). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и является первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми сложными многоступенчатыми процессами в клетке управляет особая структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот.
Тканевый уровень.
Совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образует живую ткань. Из тканей состоят различные органы живых организмов.
Организменный уровень.
Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от предыдущих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем. Организменный уровень именуют также онтогенетическим.
Популяционно-видовой уровень.
Он образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция -- это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов). Она является надорганизменной живой системой, так же, как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.
Биогеоценотический уровень.
Он образован биоценозами -- исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ.
Биосферный уровень.
Включает в себя всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения для отдельных биологических наук, то есть условными разграничителями биологического знания. Так, молекулярный уровень изучается молекулярной биологией, генетикой; клеточный уровень служит объектом для цитологии, микробиологии; анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях; зоология и ботаника имеют дело с организменным и популяционно-видовым уровнями; экология охватывает биоценотический и биосферный уровни.
18. Определите понятия “жизнь”, “биосфера”. Укажите границы биосферы, компоненты её образующие, структуру, биохимические функции.
Биосфе́ра (от др.-греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальнаяэкосистема Земли.