- •Смоленский институт бизнеса и предпринимательства
- •Тема 1.3. Физика как целое
- •Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии
- •... Различие между гуманитарными и естественными науками, столь резкое в средние века, ныне не принципиально, а, скоре, стадиально
- •Этапы развития естественно-научного мышления. История естествознания
- •Развитие физико-химической биологии
- •Панорама современного естествознания и его незавершенность.
- •Литература
- •Раздел 1. Физика глазами гуманитария: образы физики Пространство, время и материя в контексте культуры
- •Литература
- •Тема 1.1. Физика необходимого Мир дискретных объектов - физика частиц
- •Состояние физической системы и его изменение со временем
- •Импульс, энергия и момент системы как меры движения
- •Мир непрерывных объектов - физика полей (континуум)
- •Сплошная среда и упругие волны
- •Взаимодействие: концепции близкодействия и дальнодействия
- •Электромагнитное поле и электромагнитные волны
- •Интерференция, дифракция и поляризация света
- •Литература
- •Тема 1.2. Физика возможного Мир микрообъектов - квантовая физика
- •Атомы, молекулы, кристаллы
- •Периодический закон Менделеева
- •Квантовые переходы и излучение
- •Атомы и молекулы
- •Мир реальных макрообъектов - статистическая физика
- •Тепловое равновесие и флуктуации. Неравновесные состояния и релаксация
- •Тепловая физика: от Карно к Гиббсу
- •Энергия, температура, энтропия
- •Ближний и дальний порядки в природе
- •Микропорядок и макропорядок. Ближний и дальний порядок
- •Фазовые переходы и симметрия
- •Необратимость - неустранимое свойство реальности. Стрела времени
- •Литература
- •Тема 1.3. Физика как целое Иерархия структур природы
- •Микромир
- •Физический вакуум как реальность
- •Макромир
- •Мегамир Звезды. Галактики. Вселенная
- •Вариационные принципы
- •Принцип дополнительности
- •Принципы симметрии и законы сохранения
- •Литература
- •Тема 1.4. От физики существующего к физике возникающего Современная физическая картина мира
- •Креативная роль физического вакуума
- •Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип
- •Происхождение галактик и Солнечной системы
- •Земля: происхождение и динамика геосфер
- •Роль живых организмов в эволюции Земли
- •Литература
- •Раздел 2. Жизнь От атомов к протожизни. Неорганические и органические соединения и их многообразие
- •Кислоты, основания, соли
- •Химия жизни
- •Особенности биологической формы организации материи. Молекулы живых систем
- •Матричный синтез. Информационные макромолекулы
- •Тема 2.1. Живые системы
- •Принципы взаимодействия организма и среды обитания
- •Принципы воспроизводства и развития живых систем
- •Клеточное строение организмов. Принципы структурной организации и регуляции метаболизма
- •Жизненный цикл клетки
- •Единство и многообразие клеточных типов
- •Дифференциация и интеграция функций в организме
- •Размножение и развитие организмов
- •Смерть и ее биологический смысл
- •Многообразие биологических видов — основа организации и устойчивости биосферы
- •Принципы систематики и таксономии
- •Планы строения и принципы функционирования представителей основных таксонов
- •Эволюционное и индивидуальное развитие. Онтогенез и филогенез
- •Генетика и эволюция
- •Литература
- •Тема 2.2. Человек: организм и личность
- •Положение человека в царстве животных
- •Отличительные особенности человека
- •Мозг и высшая нервная деятельность
- •Природа агрессии
- •Природа наслаждений
- •Биосоциальные основы поведения
- •Половое поведение человека
- •Происхождение человека
- •Этапы антропогенеза
- •Биологические предпосылки и факторы антропогенеза
- •Проблемы цефализации
- •Биосоциальная природа человека
- •Экология и здоровье. Биополитика
- •Литература
- •Тема 2.3. Биосфера и цивилизация
- •Круговороты вещества и энергии
- •Биосфера
- •Эволюция биосферы
- •Ресурсы биосферы
- •Пределы устойчивости биосферы
- •Биопродуктивность биосферы
- •Ресурсы биосферы и демографические проблемы
- •Антропогенные воздействия на биосферу
- •Экологический кризис и пути его преодоления
- •Принципы рационального природопользования
- •Охрана природы
- •Экология человека
- •Социальная экология
- •Антропоцентризм, биоцентризм и решение социальных проблем
- •Пути развития экономики, не разрушающей природу
- •Экологическое право
- •Что мы можем сделать для сохранения жизни на Земле
- •Человек, биосфера и космические циклы
- •Литература
- •Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии
- •Тема 3.2. Принципы синергетики, эволюционная триада и системный подход
- •О направлении самопроизвольных процессов
- •Критерий устойчивости систем, далеких от равновесия
- •Порядок и энтропия
- •Механизмы эволюции
- •Литература
- •Тема 3.3. Качественные методы в эволюционных задачах Начала нелинейного мышления. Пространства состояний системы и динамическая модель
- •Диссипативные системы вдали от равновесия
- •Литература
- •Тема 3.4. Динамический хаос - фундаментальное свойство реальности
- •Литература
- •Тема 3.5. Самоорганизация в живой и неживой природе
- •Информационные аспекты синергетики
- •Литература
- •Заключение
- •Литература
Периодический закон Менделеева
Очевидно, что периодичностью должны обладать свойства электронов в атомах. Если атомы состоят из ядер и электронов, и электроны могут существовать в различных состояниях, то именно эти электронные состояния ответственны за физическое и химическое поведение атомов.
Для понимания распределения электронов по доступным им состояниям необходимо иметь в виду два принципа.
Первый: при прочих равных условиях электрон должен находиться в том состоянии, в каком его энергия минимальна. Если электрону сообщена большая энергия и он имеет возможность перейти на более низкий энергетический уровень, то он это сделает. При этом избыток энергии выделится ввиде света или иным путем.
Второй принцип - запрет Паули. Разберем последовательно строение атомов ряда элементов, помня, что атомный номер элемента выражает число электронов в атоме.
Водород. Наименьшее возможное значение энергии единственного электрона в атоме H соответствует наименьшему значению главного квантового числа n, т.е. 1. Следовательно, l = 0 (наибольшее значение l есть l-1), m = 0 и s имеет произвольное значение +1/2 или -1/2.Главное квантовое число записывается цифрой, а число l - буквой: l=0 - s, l=1 - p, l=2 - d, l=3 - f и т.д. (g, h, i, ...) Значит, в атоме водорода электрон имеет состояние 1 s. В атоме гелия He - два электрона. Они оба могут быть в состоянии 1 s, но согласно принципу Паули их спиновые числа должны иметь разные знаки: +1/2 и -1/2. Обозначив спиновые числа стрелками, можно представить состояния атомов водорода и гелия следующим образом:
1s
H
He
У лития три электрона. Третий электрон уже не может попасть в клеточку 1s (принцип Паули не допускает этого). Следовательно, у третьего электрона должно возрасти главное квантовое число: n = 2. Он попадает в состояние 2s.
1s 2s
Li
Be
В каждой клеточке может быть не более двух электронов. Пятый атом бора должен попасть в следующую клетку. Но при n=2 число l может иметь уже два значения: l=0 и l=1. При l=0 число m равно 0 и только 0, а при
l=1 m имеет три значения -1, 0 и 1. Соответственно состоянию с n=2,
l=1, т.е. 2p, принадлежит уже три клеточки, в каждой из которых может поместиться по два электрона с антипараллельными спинами.
Теория и спектроскопия показывают, что заполнение p-клеток происходит по правилу: электроны располагаются прежде всего по клеткам, отвечающим различным значениям квантового числа m так, чтобы все спиновые стрелки смотрели в одну сторону. Это значит, что суммарный спин атома должен быть максимальным.
У атома He электронами использованы все возможности, отвечающие главному квантовому числу n=1, и таких возможностей только 2. У атома Ne заполнены все клеточки, отвечающие n=2; таких клеток 4 и в каждой по 2 электрона, всего 8 электронов.
У следующего за неоном элемента Na начинается новая оболочка: одиннадцатый электрон попадает в состояние 3s и т.д.
Сказанного достаточно, чтобы понять, чем определяется периодичность свойств элементов, открытая Менделеевым. За физические и химические свойства атома ответственны прежде всего его внешние электроны - те электроны, у которых главные квантовые числа имеют наибольшее значение. Обладая наибольшей энергией, эти электроны легче других могут быть отделены от атома, они дальше отстоят от ядра и легче поддаются различным воздействиям. Внутренние электроны, входящие в состав заполненных оболочек, защищены от этих воздействий внешними электронами.