
- •31. Принцип неопределенности Гейзенберга в квантовой механике.
- •32. Отличие синтетической теории эволюции от дарвиновской.
- •33. Концепция дополнительности н.Бора и двойственная природа объектов микромира.
- •34. Алхимия как предшественница химической науки.
- •35. Основные элементы биосферы.
- •36. Понятие поля в электромагнитной картине мира.
- •37. Молекулярная биология о механизме наследственности в живых организмах.
- •38. Синергетика как концепция самоорганизации сложных систем.
- •39. «Большой взрыв» и этапы эволюции Вселенной.
- •40. Космологические парадоксы как предпосылка становления концепций изменяющейся Вселенной.
- •41. Принцип всеобщего эволюционизма.
- •42. Органогены и их роль в развитии живых организмов.
- •43. Принцип корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц материи.
- •44. Современная концепция экологии.
- •45. Характеристика трофических цепей в современной экологии.
42. Органогены и их роль в развитии живых организмов.
ОРГАНОГЕНЫ
[от орган и ...ген(ы)], химические элементы, играющие ту или иную роль в жизни организмов. К органогенам относится 21 элемент, среди которых Б. Б. Полынов (1968) выделилабсолютные органогены (кислород, водород, углерод, азот, марганец, калий, сера), без которых невозможно существование жизни, и специальные органогены (кремний, натрий, кальций, железо, фтор, магний, стронций, бор, цинк, медь, бром, йод), которые необходимы многим, но не всем организмам.
43. Принцип корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц материи.
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ
- важнейшее универсальное свойство природы, заключающееся в том, что всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные и волновые характеристики. Так, напр., электрон, нейтрон, фотон в одних условиях проявляются как частицы, движущиеся по классич. траекториям и обладающие определ. энергией и импульсом, а в других - обнаруживают свою волновую природу, характерную для явлений интерференции и дифракции частиц. В качестве первичного принципа К.-в. д. лежит в основе квантовой механики и квантовой теории поля.
Впервые
К.-в. д. был установлен для света.
Выполненные к кон. 19 в. опыты по
интерференции, дифракции и поляризации
света, казалось, однозначно свидетельствовали
о его волновой природе и подтверждали
теорию Максвелла, установившую, что
свет представляет собой эл.-магн. волны.
Вместе с тем М. Планк (М. Planck) в 1900 показал,
что для объяснения закона равновесного
теплового излучения необходимо принять
гипотезу о дискретном характере
излучения, полагая, что энергия излучения
кратна нек-рой величине е, названной им
квантом энергии:
,
где
-
частота волны, a
- постоянная,
имеющая размерность действия и
названная позже Планка
постоянной. Впоследствии
выяснилось, что более удобной является
величина
эрг*с,
тогда
-
круговая частота волны. Поскольку
предположение о дискретном характере
излучения противоречило волновой теории
света, согласно к-рой энергия световой
волны может принимать любые (непрерывные)
значения, пропорциональные квадрату
амплитуды эл.-магн. колебаний, Планк
сначала связывал дискретность энергии
излучения со свойствами излучателей
(атомов). Однако в 1905 А. Эйнштейн (A.
Einstein), исходя из экспериментально
установленного Вина
закона излучения (к-рый
является предельным случаем Планка
закона излучения, справедливым
при больших частотах:
,
где Т-
абс. темп-pa), показал, что энтропия
излучения в области справедливости
закона Вина совпадает с энтропией газа,
состоящего из частиц с энергией
.
Так возникло представление о частицах
света - фотонах, несущих
квант энергии
и
движущихся со скоростью света. В
дальнейшем, исходя из релятивистской
кинематики, фотонам был приписан
импульс
[где n -
единичный вектор вдоль направления
движения фотона,
-
волновой вектор]. Представление о фотонах
было успешно использовано для объяснения
законов фотоэффекта и спектров тормозного
рентг. излучения; оно получило окончат.
подтверждение после открытия Комптона
эффекта(1922).
Т. о., было установлено, что эл.-магн.
излучение наряду с волновыми обладает
корпускулярными свойствами. В наиб.
отчётливой форме значение существования
К.-в. д. для излучения было выявлено в
1909 А. Эйнштейном, показавшим, что закон
излучения Планка приводит к ф-ле для
флуктуации энергии излучения, содержащей
два члена, один из к-рых отвечает
флуктуации энергии для совокупности
классич. световых волн, а второй -
флуктуации энергии газа, состоящего из
независимых частиц.
Для
установления всеобщего характера К.-в.
д. решающее значение имело изучение
законов движения электронов в атоме. В
1913 Н. Бор (N. Bohr) использовал постоянную
Планка для определения стационарных
состояний в атоме водорода. При этом
ему удалось объяснить наблюдаемые на
опыте спектральные закономерности и
выразить через заряд электрона, его
массу и постоянную Планка радиус атома
и Ридберга
постоянную, оказавшиеся
в хорошем согласии с эксперим. данными.
Способ нахождения стационарных состояний
электронов в атомах был усовершенствован
А. Зоммерфельдом (A. Sommerfeld), показавшим,
что для стационарных орбит классич.
действие является целым кратным 2p h. Успех
теории Бора, привлёкшего для объяснения
атомных явлений квантовые представления
и постоянную Планка, к-рая до этого,
казалось, связывала лишь корпускулярные
и волновые характеристики эл.-магн.
излучения, навёл на мысль о существовании
К.-в. д. и для электронов. В связи с этим
Л. де Бройль (L. de Broglie) в 1924 высказал
гипотезу о всеобщем характере К.-в. д.
Согласно гипотезе де Бройля, любой
движущейся частице с энергией е и
импульсом р соответствует
волна с
и
волновым вектором
,
так же как с любой волной связаны частицы,
обладающие энергией
и
импульсом
.
Де Бройль отметил релятивистскую
инвариантность приведённого
соотношения, связывающего четырёхмерный
вектор энергии-импульса частицы
с
четырёхмерным волновым вектором
,
и высказал предположение о том, что
волновая механика частиц должна
находиться в таком же соотношении с
классич. механикой, как волновая оптика
с геом. оптикой. Это предположение
послужило исходным пунктом
построения квантовой
механики в
форме Шрёдингера (см. Шрёдингера
представление). Прямое
доказательство существования волновых
свойств электронов было получено впервые
в 1927 К. Дэвиссоном (С. Davisson) и Л. Джермером
(L. Germer), наблюдавшими интерференц.
максимумы при отражении электронов от
монокристаллов никеля. Позднее были
обнаружены интерференц. эффекты для
атомных пучков гелия, молекул водорода,
нейтронов и др. частиц, т. е. получено
эксперим. подтверждение универсальности
К.-в. д.
В терминах наглядных представлений о классич. частицах (как материальных точках, движущихся по определ. траекториям) и классич. волнах (как распространяющихся в пространстве колебаний к.-л. физ. величин) К.-в. д. кажется логически внутренне противоречивым, т. к. для объяснения разл. явлений, происходящих с одним и тем же микрообъектом (напр., электроном), приходится использовать гипотезы как об его корпускулярной, так и волновой природе. Разрешение этого логич. противоречия, послужившее созданию физ. основ квантовой механики и квантовой теории поля, было найдено с помощью отказа от наглядных (классич.) представлений о частицах и волнах. Для объяснения волновых явлений на основе корпускулярных представлений было введено описание микрочастиц (и систем микрочастиц) с помощью векторов состояния,подчиняющихся суперпозиции состояний принципу, и принята их статистич. (вероятностная) интерпретация, позволившая избежать формального логич. противоречия с корпускулярными представлениями (нахождение частицы одновременно в нескольких разл. состояниях). С др. стороны, рассматривая классич. (волновые) поля как механич. систему с бесконечным числом степеней свободы и требуя, чтобы эти степени свободы подчинялись определ. условиям квантования, в квантовой теории поля переходят от классич. полей к квантовым. В таком подходе частицы выступают как возбуждённые состояния системы (поля). При этом взаимодействию частиц отвечает взаимодействие их полей. Для нерелятивистского движения в системе с фиксированным числом частиц квантово-полевое описание полностью эквивалентно описанию системы частиц с помощьюШрёдингера уравнения (см. Вторичное квантование). Эта эквивалентность отражает симметрию корпускулярного и волнового описания вещества (материи), отвечающую К.-в. д. Вместе с тем в релятивистской квантовой механике, к-рая может быть сформулирована лишь на основе квантовополевого подхода, важнейшим проявлением К.-в. д. является возможность испускания и поглощения частиц в результате взаимодействия квантовых полей (что имеет фундам. значение в теории элементарных частиц).