Античастицы. Физический вакуум. Квантовая теория поля.

Квантовая механика описывает объекты микромира. В 1927 году их было известно три: электрон, протон и фотон (нейтрон – в 1932 г.). Было ясно, что двигаются они со скоростями, близкими к скорости света, и строгое описание их требует применения специальной теории относительности. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики и теории относительности Эйнштейна и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно давало электрон с положительной энергией, другое – неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Частица была названа позитроном. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают).

Теория Дирака получила признание после того, как в 1932 году американский физик К. Андерсон обнаружил позитрон в составе космических лучей (в камере Вильсона, помещенной между полюсами электромагнита, позитрон оставлял такой же след, как и рождавшийся одновременно с ним электрон, только этот след был закручен в противоположную сторону).

Так возникло представление о частицах и соответствующих им античастицах, о мирах и антимирах. Была разработана квантовая электродинамика. Суть ее в том, что поле не рассматривается как непрерывная среда. Дирак применил к теории электромагнитного поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значения поля.

Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля – фотонов. Следовательно, в этой области пространства должна быть пустота, т.к. специальная теория относительности победила представления об эфире. Сейчас можно сказать, что вакуум пуст только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние квантованного поля, энергия которого равна нулю только в среднем. Рождение и исчезновение частиц не нарушают закона сохранения энергии согласно принципу неопределенности Гейзенберга (ΔЕΔt ≥ h)

Кварки

Частиц, называемых элементарными, стало так много, что возникли сомнения в их элементарности. В 1964 году Гел-Манн и независимо от него швейцарская фирма Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, названных кварками. Им приписывают дробные квантовые числа, в частности электрический заряд, равный , соответственно

для каждого из 3-х кварков

Помимо электрического, кварки обладают цветным зарядом, обусловливающим способность их к сильным взаимодействиям. Принцип Паули не нарушается в протоне и нейтроне, состоящем из 3-х кварков, т.к. они имеют различные цветовые заряды. Назвали заряд цветовым, чтобы подчеркнуть, что смешение 3-х кварков делает протон или нейтрон бесцветным. В квантовой хромодинамике (КХД) различают 3 заряда – красный (R), синий ( B) и зеленый ( G ).

Предполагают, что существует шесть кварков:

Семейство- поколение	Кварки	Лептоны
I	uR, uB, uG (u - кварк) dR, dB, dG (d - кварк)	νе - электронное нейтрино
		е - электрон
II	cR, cB, cG c - кварк sR, sB, sG s - кварк	νμ- мюонное нейтрино
		μ – мюон
III	tR, tB, tG t – кварк bR, bB, bG b - кварк	ντ - τ – нейтрино
		τ - τ частица

Ряд экспериментальных данных указывает на реальное существование кварков. Характер расселения быстрых электронов протонами свидетельствует о наличии внутри протона 3-х точечных рассеивающих центров с зарядами и . Что согласуется с 3-х кварковой моделью протона. Антикварки считаются окрашенными в дополнительные цвета, дающие в сумме с цветом нулевой цвет.

Кварки могут существовать только внутри адронов и не наблюдаются в свободном состоянии. Появился термин конфайнмент. Причиной такого поведения является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы крайне малы, с увеличением расстояний силы взаимодействия очень быстро растут, не позволяя кваркам вылетать из адрона.

Взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена бозоном, называемым глюоном. Это нейтральная безмассовая частица. Главная характеристика ее – цветовой заряд, аналог электрического заряда.

ЛЕКЦИЯ 10.

Предмет химии.

Концептуальные уровни в познании веществ

и химические системы

Химия – наука, изучающая состав, свойства и химические превращения веществ, явления, которые сопровождают эти превращения. Менделеев Д.И. в книге «Основы химии» назвал химию учением об элементах и их соединениях.

Химия зарождалась как наука еще в древности. В III-IV в.в. возникла алхимия (превращение неблагородных металлов в благородные). В эпоху Возрождения начали использовать химические исследования для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика и т.д.). Во второй половине XVIII века Р. Бойль сформулировал первое научное определение понятия химического элемента, ввел в химию экспериментальный метод, положил начало химическому анализу.

Превращение химии в подлинную науку завершилось во второй половине XVIII века, когда был сформулирован закон сохранения массы вещества при химических реакциях (М.В. Ломоносов, А.Л. Лавуазье). В начале XIХ века Дж. Дальтон ввел понятие «молекула». Менделеев в 1869 году открыл периодический закон.

Можно выделить следующие уровни в познании веществ:

1. Исследование различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Химики, как и физики (в концепции атомизма) искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которых пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.

2. Исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов веществ. Эксперимент доказывал, что свойства веществ, полученных в химических реакциях, зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи элементов.

3. Исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие.

4. Четвертый уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связан с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне встречаемся с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.

Состав вещества. Физические и химические изменения.

Накапливался эмпирический материал. Но в определенную систему представления о химическом элементе оформились лишь с открытием периодического закона. В качестве системообразующего фактора Менделеев выбрал атомную массу или атомный вес. В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства зависят от атомного веса, предсказал существование неизвестных элементов.

В дальнейшем было показано, что свойства химических элементов зависят от атомного номера, определяемого зарядом ядра. Атомный вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент (изотопы – разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются по своей массе). Поэтому веса элементов не выражаются целыми числами.

Химическим элементов называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и различаются по своей массе.

Химическое соединение. По поводу этого понятия возникла дискуссия в начале XIХ века между химиками Ж. Прустом и К. Бертолле. Первый считал, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным неизменным составом, выдвигая закон постоянства состава. Поскольку молекулы считались мельчайшими частицами вещества, состоящими из определенного числа атомов, то долгое время закон постоянства состава считался абсолютной истиной. Каждое определенное химическое соединение, независимо от способа получения, состоит из одних и тех же элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные количества их атомов выражаются целыми числами. Вода – 11,9 % Н и 88,81% О, молекулярная масса 18,016, это отвечает формуле Н₂О.

Закон постоянства состава строго применим только по отношению к газообразным и жидким химическим соединениям. Состав кристаллических соединений может быть и постоянным и переменным, не отвечающим целочисленному отношению атомов. Вещества переменного состава – бертоллиды или нестехоиметрические соединения. Соединения, точно следующие закону постоянства состава, называются дальтонидами. Подавляющее большинство относится к дальтонидам (почти все органические соединения). Бертоллиды встречаются среди нитритов, окислов, сульфидов и других кристаллических соединений, особенно среди металлидов.

Бертолле указал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Русский физико-химик Курнаков Н.С. подтвердил существование соединений переменного состава (назвал их бертоллидами). Со временем пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что они не обладают молекулярным строением. Однако, в свете современных научных представлений это неубедительный вывод. Природа соединения, т.е. характер связи атомов в его молекуле, определяется обменным взаимодействием валентных электронов. Понятие молекулы изменилось, хотя так называют по-прежнему наименьшую частицу вещества, определяющую его свойства. Но к молекулам относят и другие разнообразные квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и др. макромолекулы).

Физическое изменение – внутреннее строение, состав и свойства не подвергаются изменению.

Химическое изменение – в результате взаимодействия не менее двух исходных веществ (хим. реакции) появляются одно или несколько других веществ, отличающихся от первоначальных составом, структурой и свойствами.

Структура вещества и химические системы

Характер любой системы зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Целостные свойства определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между ее элементами.

В качестве первичной химической системы рассматривалась молекула. Представления о структуре молекулы постепенно усовершенствовались. Французский химик Ш. Жерар подчеркивал, что при образовании структур, различные системы не просто взаимодействуют, но в известной степени преобразуют друг друга, возникает определенная целостность или система.

Немецкий химик Фр. Кекуле стал связывать структуру с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе возникли структурные формулы. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. А.Н. Бутлеров обращал большое внимание также на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом.

Эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении анализа ее составных частей, а с другой стороны – установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Под структурой в системном подходе как раз и понимают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В молекуле как образце химической структуры, специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.

Основные химические законы

Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы – закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии и ряду других специфических для химии законов.

Закон сохранения массы. Установлен Н.В. Ломоносовым (1756 г.) и А.Л. Лавуазье (1789 г.) почти независимо друг от друга. Формулируется следующим образом: массы веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Закон сохранения энергии действует всегда. Ломоносов связывал закон сохранения массы с законом сохранения энергии. Химическая энергия освобождается или расходуется в процессе химической реакции. Ее можно превратить в другие виды энергии (механическую, тепловую, электрическую и т. д.).

Химические реакции идут либо с выделением, либо с поглощением тепла (экзотермические и эндотермические).

Количественным выражением является тепловой баланс. Формулируется так: количество тепловой энергии, принесенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны.

Пример: Q_ф + Q_э + Q_в ⁼ Q^'_ф + Q^'_n , где

Q_ф – физическая теплота, введенная в процесс с исходными веществами; Q_э – теплота экзотерических реакций; Q_в – теплота, введенная в процесс извне; Q^'_ф – физическая теплота, выведенная из процесса с продуктами реакции; Q^'_n – потери теплоты в окружающую среду.

К специфическим законам химии относят: закон постоянства состава (Пруст, 1808 г.), закон постоянных весовых отношений (Дж. Дальтон, 1800 г.), закон простых объемных отношений для газов (Гей-Люссак), закон Авогадро.

Реакционная способность веществ.

Химические процессы. Самоорганизация и эволюция

химических систем.

При промышленном производстве химических продуктов важно знать закономерности протекания реакций во времени, т.е. зависимость их скорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей.

Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Исследуются различные стадии взаимопревращений реагентов, т.к. исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. В цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов.

На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием некоторого количества определенных веществ, которые сами в реакциях участия не принимают. Вещества называют катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными – замедляющими ее. Каталитическое ускорение реакций называется катализом и является приемом современной химической технологии. Применение катализаторов позволяет проводить химические превращения с высокими скоростями при небольших температурах. Некоторые реакции вообще невозможно было бы реализовать.

С помощью катализа в начале XX века была решена проблема фиксации азота воздухом. Также с помощью специально обработанного железа удалось преодолеть химическую инертность элементарного азота и осуществить синтез аммиака. На каталитических реакциях основываются современные методы получения водорода из природного газа. Используют в технологии нефтепереработки (моторное топливо производят с помощью каталитических реакций гидрокрекинга, крекинга, риформинга). Используются в осуществлении процессов органического синтеза, играют ведущую роль в химических превращениях в живой природе. Биологические катализаторы называются ферментами, представляют собой вещества белковой природы с химически активными группами, часто включающими в свой состав атомы переходных элементов.

Ферменты функционируют в рамках живых систем. Поэтому, хотя они и обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, они не тождественны им. Катализ играл важную роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.

Самоорганизацию химических систем наблюдали Белоусов Б.П. и Жаботинский А.М. (появление в жидкой среде концентр. волн или периодическое изменение цвета с синего на красный и обратно - «химические часы»). Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов.

Роль каталитических процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Некоторые ученые напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.

Переход к простейшим формам жизни предполагает особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются строительным материалом для образования биологических систем. Из более чем ста химических элементов лишь шесть (органогены) служат основой для построения живых систем.