43

Согласно электронной теории строения вещества атом любого элемента состоит из электрически положительно заряженного атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Вокруг ядра подобно планетам Солнечной системы обращаются электроотрицательно заряженные электроны («электронная оболочка»), которые по сравнению с ядром почти не имеют массы. Атом в целом является электрически нейтральным – заряд ядра атома равен заряду электронной оболочки, т.е. число электронов оболочки равно числу протонов ядра атома. Электроны вращаются вокруг ядра атома по определенным энергетически уравновешенным орбитам.

Исследование радиоактивности химических элементов привело к открытию изотопов. С современной точки зрения, изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра. Ядра таких элементов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Изотопы применяют в ядерной технике как конструкционный материал, в качестве ядерного горючего, в термоядерном синтезе. Радиоактивные изотопы широко используются в качестве источников излучения, в технике меченых атомов и т.д.

Учение о строении атома сыграло и играет колоссальную роль в химии и физике XX века. На основе атомной модели вскрыты глубинные принципы периодического изменения свойств химических элементов и развита теория периодической системы Д.И. Менделеева. Решающее значение здесь имело установление закономерностей формирования электронных конфигураций (оболочек) по мере роста заряда атомного ядра z. Другой важной количественной характеристикой атома является его масса. Атомная масса – относительная величина. В качестве единицы атомной массы используют 1/12 часть массы природного углерода. Третьей важной количественной характеристикой является радиус орбит электронов от ядра до максимальной плотности электронов на отдельных орбитах атома. Все эти характеристики являются основой теоретических и практических расчетов в химии.

Многообразие и единство элементарных частиц

Сейчас известно примерно 400 элементарных частиц. Некоторые из них «живут» очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, успевая за время своего существования пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10-12 - 10-13 см). Минимальное время, доступное экспериментальному измерению, характеризуется величиной примерно 10-26 с. Некоторые элементарные частицы оказались неожиданно тяжелыми – даже тяжелее отдельных атомов [ 84 ].

Современные физики уделяют много внимания систематизации элементарных частиц, раскрытию внутреннего единства как между ними, так и между соответствующими им фундаментальными видами взаимодействия – сильным, слабым, электромагнитным и гравитационным.

Интенсивность слабого взаимодействия на 10-11 порядков (в 1010 - 1011 раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10-15 см. Электромагнитное же взаимодействие на расстояниях, соизмеримых с радиусом действия ядерных сил, слабее их лишь в 102 - 103 раз. Самым же слабым на этих расстояниях оказывается гравитационное взаимодействие, интенсивность которого намного порядков ниже слабого взаимодействия.

Даже слабое взаимодействие намного порядков превышает гравитационное взаимодействие. А сила кулоновского, электрического отталкивания двух электронов в 1042 раз больше величины их гравитационного притяжения. Если представить, что

45

периодической системе, закон Менделеева получил физическое обоснование, т.к. химические свойства элемента находятся в зависимости от заряда ядер их атома.

Ядро атомов состоит из положительно заряженных протонов, и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов атомов равно числу протонов в ядре. Это и есть атомный номер химического элемента, его порядковый номер в периодической системе Менделеева.

Вместе с тем, следует отметить, что значение атомной массы нисколько не уменьшилось, а возросло, особенно с точки зрения практики. Масса атома в наст, время стала основной величиной для всех расчетов ядерной энергетики и ядерной химии.

Сходство элементов определяется одинаковым строением наружного слоя электронной оболочки атома. Масса атома сосредоточена в ядре. Движущейся вокруг атомного ядра электрон порождает магнитное поле. Магнитное поле различных электронов, складываясь, образуют магнитное поле атома.

Периодический закон Менделеева воплотил в себе многообразие бесконечного множества химических процессов и превращений в иерархии природных систем.

Вывод из этого закона один: Все химические и физические свойства вещества определяются строением атома. Таким образом, периодический закон

Д.И.Менделеева является всеобщим законом природы.

Все свойства вещества полностью определяется строением атомов:

-радиоактивность зависит от природы и строения атомного ядра;

-оптические свойства элементов – от строения электронной оболочки атома, совокупности всех его элементов.

Структурная организация микромира

Все элементарные частицы можно объединить в четыре группы: 1) тяжелые частицы или барионы, 2) мезоны, 3) легкие частицы или лептоны, 4) фотоны.

Для сильных взаимодействий, в которых участвуют барионы и мезоны характерно явление резонанса, когда барионы и мезоны связываются в одно цельное образование, но время его жизни столь мало, что они тут же распадаются. Резонансы частиц возникают в результате ангиляции. Ангиляция – это превращение частицы и античастицы при их столкновении в другие частицы (пионы, фотоны, мезоны больших энергий). Частицы могут объединяться, хотя и на очень короткое время, создавая более сложные и исключительно неустойчивые образования.

Вещество существует миллиарды лет. Это значит, что составляющие его электроны, протоны и нейтроны стабильны.

Электрон – самая легкая частица, имеющая электрический заряд. На основании закона сохранения электрического заряда, он не может превратиться в частицу, не имеющую электрического заряда. Заряженных частиц с массой меньше электрона нет. Этим и определяется его стабильность.

Одного принципа сохранения электрического заряда недостаточно для объяснения стабильности протона. Действительно, этот принцип не мешает протону превратиться, например, в позитрон, имеющий тот же заряд, но меньшую массу, освободив при этом значительную энергию: электрический заряд до и после превращения имел бы то же самое значение и тот же самый знак (положительный). Этот принцип также совсем не запрещает протону аннигилировать при встрече с электроном, электрический заряд которого имеет то же значение, но противоположный знак. Поскольку ничего подобного не происходит, следует, как обычно, предположить, что здесь играет запрещающую роль какой-то другой принцип сохранения.

46

Поэтому полагают, что кроме электрического заряда, существует совсем другой тип заряда, названный барионным, характеризующий все тяжелые частицы, барионы, и только для них отличный от нуля. Кроме того, полагают, что протон является самой легкой частицей, имеющей барионный заряд и подчиняющийся принципу сохранения барионного заряда [ 84 ].

Следовательно, подобно тому, как стабильность электрона обусловлена тем, что электрон – самая легкая частица с отличным от нуля электрическим зарядом, так и стабильность протона обусловлена тем, что он является самой легкой частицей с отличным от нуля барионным зарядом. Протон не может превратиться в позитрон, излучив энергию, потому что такое событие противоречило бы принципу сохранения барионного заряда. В самом деле, начальный барионный заряд отличен от нуля, а позитрон и фотон не имеют барионного заряда. Протон не может аннигилировать, встретив электрон, с полным превращением массы в энергию, поскольку в таком процессе не сохранился бы барионный заряд: до аннигиляции он отличался бы от нуля, а после аннигиляции был бы равен нулю.

Вот почему протоны стабильны. По этой же причине и нейтроны, будучи свободными, нестабильны (среднее время их жизни составляет около 18 мин), а будучи связанными с протонами в ядре – стабильны.

Только в некоторых атомных ядрах радиоактивных веществ нейтроны спонтанно превращаются в протоны, испуская электроны и антинейтрино. Это говорит о том, что нейтрон должен иметь одинаковый с протоном барионный заряд, потому что электрон

инейтрино имеют барионный заряд, равный нулю.

Всвою очередь, антибарионы (антипротон, антинейтрон и т.п.) всегда имеют барионный заряд, противоположный по знаку барионному заряду соответствующих частиц. Таким образом, закон сохранения барионного заряда автоматически требует, чтобы антибарионы могли получаться только в паре с барионами.

Итак, введение новой физической величины – барионного заряда, подобно электрическому заряду подчиняющегося своему принципу сохранения, позволяет объяснить стабильность протонов и нейтронов, тогда как принцип сохранения электрического заряда объясняет стабильность электронов. Три частицы – электрон, протон и нейтрон – представляют собой «кирпичи», из которых сложено все вещество,

имогут существовать, не подвергаясь превращениям, поскольку соблюдаются принципы сохранения электрического и барионного зарядов.

Однако только эти частицы стабильны (нейтрон стабилен, лишь будучи связанным в ядре). Существуют и другие частицы, но они более тяжелы, чем протон, и почти сразу же после своего образования превращаются в протоны и нейтроны; при этом возникают легкие частицы, а излишек массы выделяется в виде энергии. Они превращаются в те или другие стабильные частицы в соответствии с величиной и знаком их электрического заряда и барионного заряда, т.е. в соответствии с тем, что позволяют им принципы сохранения.

Частицы и античастицы

Для каждой частицы существует соответствующая античастица. Если частица не имеет электрического или барионного заряда, его не будет и у античастицы. Если частица имеет электрический или барионный заряд, не равный нулю, то соответствующая античастица имеет заряд той же величины, но противоположного знака.

47

Протон имеет положительный электрический заряд и положительный барионный заряд; антипротон имеет электрический и барионный заряды той же величины, но оба они отрицательные. Электрон имеет отрицательный электрический заряд и равный нулю барионный заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и равный нулю барионный заряд. Антинейтрон имеет равный нулю электрический заряд и отрицательный барионный заряд.

На самом деле, до тех пор пока не было экспериментально доказано существование антипротона, кое-кто думал, что понятие барионного заряда, хотя и выглядит изящно, в действительности лишено физического смысла. Но экспериментальное открытие антипротона, а затем и антинейтрона показало правильность теоретических предсказаний. Эти предсказания впоследствии были также подтверждены открытием других античастиц.

3.4.Физическая (квантово-полевая) теория

Вконце 19 и начале 20 столетия в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили представления о картине мира. Эти открытия связаны со строением вещества и взаимосвязи вещества и энергии. В конце прошлого столетия были открыты электроны, входящие в состав атомов. Изучено строение ядра атомов, состоящее из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда). Первым ученым, который это доказал, был советский физик Д.Д. Иваненко (1932 г.). Модель строение атома английского ученого Э.Резерфорда (1871 – 1937) была усовершенствована датским физиком Нильсом Бором (1885 – 1962), который предположил, что при вращении электронов по стационарным орбитам, электроны не излучают энергию. Энергия излучается ими или поглощается в виде кванта только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Одновременно с Н. Бором теорию деления атомных ядер разработал в 1939 г. известный советский физик Я.И. Френкель. Вслед за этим ученики Семенова,

основателя советской школы исследования цепных реакций, Я.Б. Зельдович, Ю.Б. Харитон рассчитали условия, необходимые для осуществления цепного процесса в ядре урана. Дело в том, что в ядрах урана много одноименно заряженных протонов, они находятся на грани неустойчивости. Под влиянием этой неустойчивости то одно, то другое ядро урана само делится на осколки, при этом возникают свободные нейтроны, способные вызвать цепной процесс при соответствующих условиях. Работы советских физиков В.И. Векслера и Г.И. Будкера позволили создать мощные ускорители заряженных частиц до 1000 Гэв типа фазотрона, синхрона, синхротрона и синхрофазотрона.

В1940 г. ученики И.В. Курчатова Г.Н. Флеров и К.А. Петржак произвели серию очень точных исследований, доказавших наличие самопроизвольного деления ядер урана. В 1963 г. группа геофизиков атомщиков под руководством Г.Н. Флерова получила изотопы элементов 102, 103, 104, 105.

В30-е годы 20 столетия было сделано другое важное открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Был сделан вывод, что между веществом и полем не существует резких границ. Де Бройль в 1924 г. установил соотношение между частотой и энергией (волны и частицы). Он полагал, что частицы,

ив частности электроны, должны обладать некоторыми волновыми характеристиками

48

и в атомных явлениях электрон не подчиняется законам классической механики. Каждое электромагнитное излучение с любой длиной волны и каждая частица вещества

слюбой массой имеют двойные качества (волновые и корпускулярные).

В1934 г. И.Е. Таммом и Д.Д. Иваненко впервые была объяснена природа ядерных сил и составлены их основные характеристики. Они первые доказали, что силы могут быть не только обменными, согласно которым взаимодействие двух заряженных частиц осуществляется посредством квантов, испускаемых и поглощаемых этими частицами. Они пришли к выводу, что электромагнитное поле возникает в результате взаимодействия промежуточных частиц. Нейтрон, испустив отрицательный электрон, становится протоном, а протон, поглотив отрицательный электрон, становится нейтроном.

Таким образом, был установлен закон, что материя из ничего не возникает и не исчезает бесследно. Она только переходит из одной формы в другую. Например, протон можно получить в результате столкновения нейтрона и П-мезона или Лямбдагиперона и К-мезона, но это не означает, что в структуру всех этих частиц входит протон. Из этого следует, что одни частицы способны превращаться друг в друга, порождать друг друга при различных процессах взаимодействия.

Вопределенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля – свойства корпускул. Это явление получило название «дуализма волны и частиц». Так сложились новые квантово-полевые представления о материи. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозаменяемость и взаимопревращаемость. Эта теория послужила основной для развития квантовой механики.

Корпускулярно-волоновой дуализм принял форму континуальной концепции – изменяющаяся материя во времени при сохранении преемственности изначального содержания.

Другой фундаментальной теорией, которая была использована для разработки теории физической картины, была теория относительности, в корне изменившая научное представление о пространстве и времени. По теории относительности все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. Это означает,

что в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета, которую допускала ньютоновская механика.

Была создана общая теория относительности, теория тяготения, принципиально отличная от прежних теорий. Эта теория впервые установила четкую связь между

движущимися материальными телами и их пространственно временной метрикой. Согласно этой теории, луч света, идущий от далекой звезды и проходящий

вблизи Солнца, должен отклониться от своего прямолинейного пути и искривиться, что и было подтверждено наблюдениями. Общая теория относительности доказала, что формой существования материи является движение, пространство и время, а также тесная связь между материальными телами и физическими полями.

В современной физической картине мира сложилась новая «квантово-полевая теория существования материи», которая определяется как корпускулярно-волновой дуализм – наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В кванто-полевой теории о материи все физические взаимодействия между частицами материи представлены в виде гравитационных и электромагнитных волн разной интенсивности.

«Многие западные физики, находясь на позиции идеализма, пытаются доказать, что масса и энергия эквивалентны в том смысле, что масса может превратиться в энергию и наоборот» (Дж. Амальди). Поводом для неправильного утверждения о

49

превращении энергии в массу и наоборот послужило то, что физики рассматривали электромагнитные излучения, а также другие виды полей как чистую энергию, лишенную каких-либо материальных характеристик.

Однако, как показали исследования советских ученых, электромагнитное излучение характеризуется не только энергией. Кванты света или гамма-излучение обладают массой электромагнитной природы. Электромагнитное поле является особым видом материи, таким же равноправным, как и вещество.

Поэтому превращение пары частиц (электрона и протона) в гамма-кванты не означает превращение вещества в энергию, а является превращением одной формы материи – частиц, в другую форму материи – кванты гамма-излучения (электромагнитное поле), обладающую электромагнитной массой. При этом масса и энергия двух исчезающих элементарных частиц превращается в массу и энергию, возникающую в гамма-квантах.

Крушение прежней механистической системы взглядов на природу идеалистически настроенные ученые выдают за крушение материализма. Они основываются на невозможности однозначного описания движений микрообъекта в несвойственных ему понятиях «координат и импульса». В результате они делают выводы об отсутствии причинно-следственных связей в движении микрообъектов.

Какими бы странными не казались нам вновь открытые свойства тех или иных микрообъектов, какими бы необычайными ни были их движения, это ни в коем не влечет за собой никаких идеалистических выводов. Электрон оказался не точкой и не шариком, а бесконечно более сложным объектом. Он действительно, как писал В.И. Ленин, «так же неисчерпаемый, как и атом», но это не дает нам право отрицать его объективное, независимое от наших наблюдений и измерений существование, а также отрицание закономерностей в его движении и взаимодействии. Нельзя отрицать возможность познания наукой этих законов и связей. В физике не привыкли к тому, чтобы исследуемые ими объекты сочетали в себе противоположные свойства. Для материалистической диалектики единство и их противоположные свойства уже давно являются азбучной истиной. Раскрытие двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов явилось еще одним актом торжества материалистической диалектики в области физики.

Проблема изучения сосуществования этих свойств и их непрерывного взаимодействия внутри микрообъектов стоит перед наукой и возрастает по мере проникновения в недра элементарных частиц, изучения их структуры и взаимодействия со средой. Создание квантово-полевой теории существования материи было настоящей революцией в астрономии при изучении электромагнитных излучений всех частот от различных космических объектов. В результате сделаны первые шаги в нейтронной астрономии, обнаружены гравитационные волны от взрывающихся звезд.

Большие успехи достигнуты в изучении магнитных полей и плотности газа в межзвездной среде, которые стали возможны благодаря развитию ракетно-космической техники. Благодаря научно-технической революции в изучении теории существования материи в астрономии наступила новая эра. Астрономия, прежде всего, стала «волновой», что в огромной степени увеличило ее возможности.

Огромное значение имеют исследования взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включающие проблемы непрерывного образования звезд из концентрирующейся звездной среды.

Благодаря раскрытию двойственной корпускулярно-волновой природы материи стало возможным объяснение появления ударных волн в солнечном ветре при прохождении через магнитосферу Земли после вспышек на Солнце. Аналогичному воздействию подвергается солнечная система, при вращении вокруг галактического

50

ядра (созвездие Стрельца). Галактический ветер корпускулярно-волновой природы формирует ударные волны при пересечении Солнцем секторной структуры межзвездного магнитного поля.

3.5. Современное естествознание о микро-, макро- и мегамирах

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 и для описания физических процессов здесь необходимо создание квантовой теории гравитации. 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 назы-ваемьк 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).

Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на три качественно различные области – микро-, макро- и мегамиры. К.Х. Рахматулин предложил 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 [ 39 ].

Специфика микромира наиболее ярко отражена в разделах физики, основанных на квантовой механике, в том числе релятивистской, учитывающей одновременно и квантованность, и относительность (релятивность) процессов в микромире, их структурных, пространственно-временных и энергетических характеристик.

Наряду с углублением познания в области микромира для науки XX в. очень характерно стремительное движение познания по линии увеличения размеров изучаемых объектов, т.е. познание мира. По этой линии наука дополняет познание привычного людям земного макромира, характеризуемого умеренными скоростями и энергиями взаимодействия, познанием мегамира – гигантских по сравнению с земными масштабами звездных скоплений и сверхскоплений. 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. Как видим, исследуемый современной наукой мир охватывает расстояния в диапазоне более чем 60 порядков. В этих рамках микромир выделяется прежде всего как объект квантовой механики, макромир – как объект классической механики, мегамир – как объект релятивистской механики.

51

К области макромира относятся те процессы, для которых постоянную Планка (h = 6,62 х 10-27 эрг•с) можно считать бесконечно малой величиной, которой допустимо пренебречь, а скорость света с = 300 000 км/с – бесконечно большой величиной, позволяющей отвлечься от временной длительности передачи сигналов, считать взаимодействия систем мгновенными, как бы безвременными.

При описании мегамира необходимо считаться с релятивистскими эффектами – зависимостью размеров объектов, длительности процессов, одновременности или разновременности событий от системы отсчета, искривлением пространства-времени, изменением его геометрии и топологии, размерности.

Законы сохранения и взаимопревращения различных видов энергии друг в друга

Закон сохранения и превращения энергии применительно к механическим процессам формулируется так: «Полная энергия замкнутой консервативной системы тел равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной». Всякое изменение потенциальной и кинетической энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетическую в потенциальную.

Установлению закона сохранения и превращения энергии способствовало также открытие эффектов, отличных от механических и тепловых, а также превращения других форм движения в тепловую энергию. Еще Майер в своей работе составляет таблицу всех рассматриваемых им «сил» природы и приводит 25 случаев их взаимопревращений. Рассмотрев превращение теплоты в механическую работу, имеющее место в функционировании паровой машины, он говорит об электрической «силе» и превращении механического эффекта в «электричество», о «химической силе вещества», о превращении «химической силы» в теплоту и электричество. Он распространяет положение о сохранении и превращении этих различных «сил» природы на живые организмы, утверждая, что при поглощении пищи в организме постоянно происходят химические процессы, результатом которых являются тепловые и механические эффекты.

Исследования электрических явлений давали серьезные основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных форм движения друг в друга. В 1800 году Вольт изобретает первый химический источник электрического тока. В 1840 году русский академик Гесс получает важные результаты, свидетельствующие о превращении химических «сил» в теплоту. Работы Фарадея и Ленца приводят к открытиям о превращении электричества и магнетизма. Изучение процессов, происходящих в контактах двух металлических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствуют о взаимопревращениях электрической «силы» и теплоты. В 1845 году Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества тешюты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводника (закон Джоуля-Ленца).

Итак, на протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Историками науки открытие закона сохранения и превращения энергии рассматривается как первая революция в физике.

Основные выводы:

1. Энергия – единая мера различных форм движения материи.