Квантовая механика (мир элементарных частиц)
Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.
Квантовая механика как область знания о свойствах микромира выделяет в нем три основные особенности:
корпускулярно-волновой дуализм, т.е. двойственную природу вещества и поля, всех объектов и явлений в микромире;
дискретный, порционный характер всех параметров объектов и протекающих процессов микромира;
вероятностный, статистический смысл любых расчетов, утверждений и выводов о поведении элементарных частиц в микромире.
Потребность в объяснении вещественной составляющей Вселенной привела в 1964 г. к формулированию так называемой кварковой модели строения вещества.
Атомы
Атомом называют часть вещества микроскопических размеров и массы, мельчайшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства. Атомы состоят из элементарных частиц и имеют сложную внутреннюю структуру. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра 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 таблице элементов. Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке. Согласно концепции Бора в любой атомной системе, независимо от вида химического элемента, действуют следующие постулаты:
1. Существуют стационарные квантовые состояния, находясь в которых атомная система, не испытывающая внешних воздействий, не изменяется с течением времени.
2. Электроны в стационарном состоянии атомной системы существуют в энергетических слоях, имея дискретные значения своей энергии.
3. Переход электронов из одного энергетического слоя в другой сопровождается поглощением или выделением квантов энергии.
В настоящее время большое внимание уделяется таким проявлениям микромира, как внутриатомные (ядерные) реакции и радиоактивность.
Молекулы
Соединяясь химически, атомы образуют молекулы. Размеры и массы молекул изменяются в очень широком диапазоне от простейших двухатомных молекул (Н2, O2, N2 и т.д.) до сложных полимерных макромолекул с молекулярным весом в сотни тысяч атомных единиц массы и длиной, достигающей долей миллиметра. К важнейшим макромолекулам относятся молекулы ДНК и РНК. Теория строения атома объясняет механизм образования молекул, основанный на различных видах химической взаимосвязи, важнейшими из которых являются ионная (электровалентная), ковалентная (атомная), координационная и водородная связь.
Микроскопические тела
Объединения молекул в более крупные структуры обычно называют микроскопическими телами. К таким надмолекулярным структурам в частности может быть отнесена в частности клетка живого организма и ее составные части (ядро, ген, рибосома и т. п.).
Макроскопические тела
Размеры большей части предметов, с которыми мы имеем непосредственное взаимодействие (макромир), сопоставимы с размерами человеческого тела. Они состоят из большого числа молекул, объединенных в определенную макроскопическую структуру. Разумеется, сам человек также относится к категории макроскопических тел Непосредственное восприятие человеком расстояний и размеров возможно в диапазоне от 0,1 мм до приблизительно 100 км. В основном движение макроскопических тел подчиняется законам классической механики, а их основные свойства описываются законами других разделов классической физики.
В то же время свойства макроскопических тел во многом определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят. Поэтому законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила объяснить температурную зависимость теплоемкостей газов и твердых тел и вычислить их значения, определить строение и понять многие свойства твердых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников), последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость.
Одним из удивительных следствий единства окружающего физического мира является трансляция (передача) свойств, характерных для структурного уровня микромира, в виде целого ряда макроэффектов.