- •Предмет и методы естествознания
- •Естественнонаучная и гуманитарная культура
- •Научные методы познания
- •Материя и движение
- •Время и пространство
- •Концепция атомизма
- •Дискретность и непрерывность материи.
- •Фундаментальные взаимодействия
- •Принцип относительности.
- •Свойства пространства-времени и законы сохранения.
- •Законы Ньютона.
- •Законы термодинамики.
- •Основные законы электродинамики.
- •Корпускулярно – волновые свойства света.
- •Структура атома.
- •Вероятностный характер микропроцессов.
- •Принцип неопределенности. Корпускулярно – волновые свойства микрообъектов.
- •Строение ядра. Изотопы.
- •Энергия связи ядра.
- •Радиоактивность.
- •Использование ядерной энергии.
- •Элементарные частицы и их свойства.
- •Современная естественно - научная картина мира.
- •Структура Вселенной.
- •Солнечная система. Земля – планета солнечной системы.
- •Химический элемент. Простое и сложное вещество.
- •Зарождение живой материи. Днк.
- •Строение и разновидности клеток.
- •Происхождение жизни.
- •Растительный и животный мир.
- •Человек – феномен природы.
- •Жизнеобеспечение человека. Формирование ноосферы.
- •Современная биотехнология, генная инженерия. Проблема клонирования. Биоэтика.
- •Глобальные катастрофы и эволюция жизни. Предотвращение экологической катастрофы.
- •Водные ресурсы и их сохранение.
- •Радиоактивные воздействия на биосферу.
- •Естественнонаучные проблемы защиты окружающей среды.
- •Концепция системности самоорганизации в природе.
Структура атома.
Атом — неделимый — микроскопическая электронейтральная частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра). Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.
Вероятностный характер микропроцессов.
Отличительная особенность квантовой теории заключается в вероятностном подходе к описанию микрочастиц, который можно пояснить на примере их дифракции. Дифракционная картина характеризуется неоднородным распределением потоков микрочастиц, рассеянных или отраженных по различным направлениям: в одних направлениях наблюдается их большее число, чем в других. Наличие максимумов в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что им соответствует наибольшая интенсивность волн де Бройля. Вместе с тем интенсивность таких волн больше там, где большее число частиц, т.е. их интенсивность в данной точке пространства определяет число частиц. Следовательно, дифракционная картина для микрочастиц — это проявление статистических (вероятностных) свойств: частицы попадают в те места, где интенсивность волн наибольшая. Для квантово-механического описания микрообъектов используется волновая функция. Ее физическая интерпретация : квадрат волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме.
Принцип неопределенности. Корпускулярно – волновые свойства микрообъектов.
Любой микрообъект можно описать, с одной стороны, корпускулярными характеристиками — энергией Е и импульсом р, а с другой — волновыми характеристиками — частотой v и длиной волны λ. Формулы, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как и для фотонов: E = hv ; p = h/ λ.
Смелость гипотезы де Бройля заключалась в том, что приведенные формулы постулировались не только для фотонов, но и для микрочастиц, обладающих массой покоя. Таким образом, любой частице с импульсом p соответствует волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля: λ=h/p
Вскоре гипотезу де Бройля экспериментально подтвердили американские физики К. Дэвиссон и Л. Джермер, обнаружив дифракцию электронов, рассеивающихся от естественной дифракционной решетки. Всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства: для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.
В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, так что в любой момент времени можно определить ее координату и импульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных различий — нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Он сформулировал принцип неопределенности: микрочастица не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс p.
Данное соотношение неопределенностей Гейзенберга означает, что произведение неопределенностей координаты х и импульса р не может быть меньше постоянной Планка h. Поскольку в классической механике измерение координаты и импульса может быть произведено с заданной точностью, то соотношение неопределенностей является, таким образом, квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.
Для макроскопических тел волновые свойства не играют существенной роли: их координату и скорость можно одновременно измерить в пределах ошибки эксперимента и для достоверного описания их движения можно пользоваться законами классической механики.
Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал принцип дополнительности: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы и ее скорость (или импульс). С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют влиянием измерительного прибора (макроскопического объекта) на состояние микрообъекта. Фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с наблюдателем.