Структурные уровни организации материи

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

Критерием для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки:

• пространственно-временные масштабы;

• совокупность важнейших свойств;

• специфические законы движения;

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

• некоторые другие признаки.

Микро-, макро - и мегамиры

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

1. Микромир. Сюда относятся:

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

• атомы и молекулы 10^-8—10^-7 см.

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

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

Разные уровни материи характеризуются разными типами связей.

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

2. Целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают электромагнитные силы.

3. В космических масштабах — гравитационные силы.

С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Если принять энергию гравитационного взаимодействия за единицу, то электромагнитное взаимодействие в атоме будет в 10³⁹ больше, а взаимодействие между нуклонами — составляющими ядро

частицами — в 10⁴¹ раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

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

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

Элементарные частицы

В соответствии с достижениями квантовой физики основополагающим понятием современного атомизма является понятие элементарной частицы, но им присущи такие свойства, которые не имели ничего общего с атомизмом древности.

Развитие физики микромира показало неисчерпаемость свойств элементарных частиц и их взаимодействий. Все частицы, имеющие достаточно большую энергию, способны к взаимопревращениям, но при соблюдении ряда законов сохранения. Число известных элементарных частиц постоянно растет и превышает уже 350 разновидностей, включая неустойчивые резонансные состояния.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Важнейшим свойством частицы является ее масса покоя.

Нейтрино было открыто в 1956 г., тогда как название его было дано в 1933 г. Э. Ферми, а гипотезу о его существовании высказал в 1930 г. швейцарский физик В. Паули. Нейтрино играет большую роль в космических процессах во всей эволюции материи во Вселенной. Время их жизни практически бесконечно. По подсчетам ученых, нейтрино уносят значительную долю излучаемой звездами энергии. Наше Солнце теряет за счет излучения нейтрино примерно 7% энергии. На каждый квадратный сантиметр Земли перпендикулярно солнечным лучам ежесекундно падает примерно 300 миллионов нейтрино. Однако они не регистрируются нашими органами чувств и приборами ввиду их слабого взаимодействия с веществом. Дальнейшая судьба этого излучения неизвестна, но, очевидно, нейтрино должно вновь включиться в круговорот материи в природе. Скорость распространения нейтрино равна скорости света в вакууме.

Особенностью элементарных частиц является то, что большинство из них могут возникать при столкновении с другими частицами достаточно высокой энергии: протон большой энергии превращается в нейтрон с испусканием пи-мезона. При этом эти элементарные частицы распадаются на другие: нейтрон — на электрон, протон и антинейтрино, а нейтральный пи-мезон — на два фотона. Пи-мезоны, таким образом, являются квантами ядерного поля, объединяющими нуклоны в ядра.

В ходе развития науки открываются все новые свойства элементарных частиц. Взаимная обусловленность свойств частиц свидетельствует о сложной их природе, наличии многогранных связей и отношений. В зависимости от специфики элементарной частицы может появиться тот или иной вид взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое. Сильное взаимодействие обуславливается ядерными силами, оно обеспечивает устойчивость атомных ядер. Электромагнитные взаимодействия, слабые взаимодействия — в процессах распада нейтронов, радиоактивных ядер и предполагают участие в этих взаимодействиях нейтрино. Слабые взаимодействия в 1010—1012 раз слабее сильных. Этот вид взаимодействий в настоящее время достаточно хорошо изучен.

У большинства элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрических зарядов и магнитных моментов: антипротоны, антинейтроны и т.д. Из античастиц могут быть образованы устойчивые атомные ядра и антивещество, подчиняющееся тем же законам движения, что и обычное вещество. В больших количествах антивещество в космосе не обнаружено, поэтому существование «антимира», т.е. галактик из антивещества является проблематичным.

Таким образом, с каждым новым открытием строение микромира уточняется и оказывается все более сложным. Чем глубже мы уходим в него, тем больше новых свойств обнаруживает наука.

Наука идет по пути дальнейшего познавания все новых свойств неисчерпаемости материального мира.

Современный атомизм обогащает и конкретизирует такие основные категории, как единство мира, неисчерпаемость материи, всеобщая взаимосвязь и взаимодействие материальных объектов и т.п.

Фундаментальные физические взаимодействия

Под взаимодействием понимается развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением.

В настоящее время известны четыре типа фундаментальных взаимодействий, которые определяют структуру объектов во Вселенной и к которым сводятся все взаимодействия природе: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное.

Согласно современной концепции близкодействия, в отличие от концепции дальнодействия, любое взаимодействие протекает с конечной скоростью, пределом которой является скорость света в вакууме, и нуждается в носителе передачи взаимодействия.

В современной концепции близкодействия различают две модели: полевую и квантовую. Согласно полевой модели, взаимодействие осуществляется посредством некоторых физических полей. Их примерами могут служить гравитационное и электромагнитное поля. Согласно квантовой модели, взаимодействие между микрочастицами осуществляется путем обмена виртуальными частицами - переносчиками взаимодействия. К основным характеристикам фундаментальных взаимодействий относят их интенсивность и радиус действия, т. е. расстояния, на которых данное взаимодействие проявляет себя заметным образом.

Сильное взаимодействие обусловливает связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. Оно является наиболее интенсивным из всех фундаментальных взаимодействий, радиус действия его порядка 10^-15 м (примерный радиус атомного ядра). При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи - атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие, примерами которого могут служить силы Кулона и силы Ампера, примерно в сто раз менее интенсивно, чем сильное. Силы электромагнитного взаимодействия медленно убывают с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния), и радиус его действия принимают равным бесконечности. Носителями электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант э/м поля. В процессе э/м взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы в молекулы.

Слабое взаимодействие вызывает превращения элементарных частиц и обусловлено обменом промежуточными бозонами. Например, бета-распад. Радиус действия слабого взаимодействия составляет порядка 10^-18.

Гравитационное взаимодействие, проявлением которого служит сила тяжести, является наименее интенсивным. Силы гравитационного взаимодействия медленно убывают с расстоянием, и радиус его действия считают бесконечным.

Человек может воспринимать два типа взаимодействий: гравитационное и электромагнитное. Сильное и слабое взаимодействия непосредственно человеком не воспринимаются, но они играют основополагающую роль в образовании объектов микромира.

В настоящее время заметна тенденция к объединению фундаментальных взаимодействий. Первым успехом здесь стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие. Осуществляются попытки объединения электрослабого и сильного взаимодействий. В перспективе ставится задача объединения всех четырех типов взаимодействий - суперобъединение.

Основные концепции квантовой механики. Строение атомов.

Квантовая физика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. Ее начало совпало с началом XX в. Немецкий физик М. Планк в 1900 г. Предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии – квантами и представил это в виде формулы E=hv, где E- энергия, v-частота света, h- универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли, т.о., прерывистые физические величины, изменяющиеся только скачками.

Изучение внутреннего строения атомов начинается с 1897 г., когда английский физик Д.Д. Томсон (1856-1940) при исследовании катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах, открыл электрон.

В 1911г. английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) после исследования движения альфа-частиц в газах и др. веществах предложил планетарную модель атома. Согласно модели Резерфорда, в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Так как масса электрона ничтожно мала, то почти вся масса атома сосредоточена в ядре.

Далее было установлено, что чем больше заряд ядра, тем сильнее отклоняются альфа-частицы от прямолинейного пути при прохождении через вещество. Это позволило уточнить формулировку периодического закона Д.М. Менделеева: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости не от атомной массы элементов, а от электрического заряда их ядер. В соответствии с величиной заряда ядер элементы выстраиваются в определенной последовательности.

В свою очередь, в модели Резерфорда имелись существенные недостатки. Согласно классической электродинамике, электрон в процессе вращения с центростремительным ускорением должен часть своей энергии терять на излучение и за короткое время упасть на ядро. Спектр излучения атома должен быть непрерывным.

Частично эти недостатки удалось исправить датскому физику Нильсу Бору(1885-1962), который сформулировал два постулата:

1. В атоме существуют стационарные ( не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение по стационарным орбитам не сопровождается излучением.

2. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией, равной разности энергий соответствующих стационарных состояний.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода. Дальнейшее распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти трудности главным образом были связаны с волновыми свойствами электрона. Длина волны движущегося в атоме электрона равна примерно 10^-8см, т. е. она того же порядка, что и размер атома. Электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.

Атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально. Процессы в атоме, в принципе, нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире.

Корпускулярно-волновой дуализм вещества.

Французский физик Луи де Бройль (1892-1987) в1923г. выдвинул гипотезу о двойственном характере поведения микрочастиц. Согласно этой гипотезе: всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства; в зависимости от внешних условий микрообъекты проявляют либо свойства микрочастиц, либо волновые свойства.

Т. о., корпускулярно- волновой дуализм приобретает универсальный характер: не только фотоны, но и электроны, и любые другие микрочастицы наряду с корпускулярными обладают и волновыми свойствами.

Огромный вклад в развитие квантовой механики был внесен немецким физиком Вернером Карлом Гейзенбергом(1901-1976) и австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шредингером (1887-1961). Шредингера можно считать основателем волновой квантовой механики, в которой описание состояния микрочастицы осуществляется с помощью волновой функции, введенной немецким физиком Максом Борном(1882-1970). Согласно Борну, состояние микрообъекта носит вероятностный характер, а квадрат модуля волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в той или иной точке пространства (плотность вероятности).

Гейзенберг явился основателем матричной квантовой механики. Для описания поведения микрообъектов он использует матричный математический аппарат. Здесь каждой характеристике электрона или микрочастицы: координате, импульсу, энергии и др.- ставятся в соответствие определенные матрицы, для которых затем записываются соответствующие уравнения. Матричный подход Гейзенберга нашел широкое применение, и в настоящее время именно он в большинстве задач используется для практических вычислений.

Гейзенберг отмечает, что квантовомеханические матрицы координаты и импульса не коммутируют друг с другом ( не подчиняются перестановочному закону, т.е. АВ≠ВА)Это является математическим выражением принципа неопределенностей, сформулированного им в 1927г.: микрочастица не имеет одновременно точных значений координаты и соответствующей ей проекции импульса, а следовательно, не имеет траектории движения. В частности, электрон в атоме не имеет траектории; вместо непрерывных кривых (стационарные орбиты Бора) есть некоторый дискретный набор чисел (квантовые числа), значения которых зависят от номера начального и конечного состояний электрона.

Таким образом, принцип неопределенности — это фундаментальное положение квантовой теории, утверждающей, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс принимают вполне определенное значение. Никакой эксперимент не может привести к одновременному точному определению таких динамических переменных. При этом неопределенность в определении связана не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами материи. Отсюда следует, что понятия координаты и импульса не могут быть применены в классическом смысле к микроскопическим объектам

В 1927г. Нильс Бор формулирует принцип дополнительности: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

Так, координата и соответствующая ей проекция импульса являются дополнительными друг к другу величинами.

Дальнейшее развитие квантовая теория получает в исследованиях английского физика Поля Дирака. В 1928г. им была построена релятивистская теория движения электрона на основе применения в квантовой механике основных положений теории относительности. Из теории Дирака вытекал вывод о возможности существования положительно заряженного «электрона». Через четыре года такая частица – позитрон уже была открыта.

С теоретическим исследованием поведения электронов в атомах связаны работы швейцарского физика-теоретика Вольфганга Паули. Он сформулировал один из важнейших принципов теоретической физики – принципа запрета (принципа Паули).

Принцип Паули определяет образование электронных оболочек, поскольку в одном и том же состоянии на одном подуровне могут находиться только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерности периодической системы элементов Менделеева. В современной формулировке этот принцип звучит так: две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном квантовом состоянии. Под спином частицы понимается собственный механический момент импульса частицы, который всегда присущ данному виду частиц, определяет их свойства и обусловлен их квантовой природой. В отличие от классического момента импульса, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только определенные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности – спиновое квантовое число у одних частиц имеет только целочисленные значения (бозоны), а у других – полуцелые (фермионы). Все кванты полей являются бозе-частицами. Частицы вещества являются ферми-частицами. Принцип Паули распространяется только на фермионы, к их числу относятся электрон, протон, нейтрон. Их квантовое число ½.. Принцип Паули позволил объяснить расположение химических элементов в периодической системе и состав атомных ядер.

34