36. Стабільні та радіоактивні елементи
Атомні ядра складаються з протонів і нейтронів. Число протонів у ядрі Z визначає позитивний заряд ядра, який дорівнює порядковому номеру елемента. Тому порядковий номер елемента називається його протонним числом. Відносна маса ядра складається з маси протонів, яка також дорівнює Z, і маси нейтронів, яка у відносних одиницях дорівнює числу нейтронів N. Оскільки практично вся маса атома зосереджена в ядрі, можна вважати, що відносна атомна маса дорівнює сумі мас протонів і нейтронів: Ar = Z + N. Оскільки протони та нейтрони мають спільну назву — нуклони, відносна атомна маса визначається загальним числом протонів і нейтронів і називається нуклонним числом. Нуклонне число (відносна атомна маса) і протонне число (порядковий номер) позначаються відповідно верхнім і нижнім індексами зліва від символу елемента. Наприклад, із запису , визначаємо, що протонне число Оксигену дорівнює восьми, а нуклонне – шістнадцяти.
З’ясуємо, як, користуючись положенням хімічного елемента в періодичній системі, можна визначити число елементарних частинок (електронів, протонів і нейтронів) в атомі. Знайдемо в періодичній таблиці хімічний елемент Алюміній. Із запису в клітині визначаємо, що порядковий номер Алюмінію дорівнює 13, а відносна атомна маса 27. Отже, заряд ядра атома Алюмінію дорівнює +13 (плюс тринадцять). Ядро атома Алюмінію містить 13 протонів та 14 (27 – 13 = 14) нейтронів. Простір навколо ядра заповнюють 13 електронів.
Різні види атомів мають спільну назву — нукліди. Нуклідом називають тип атомів із певними значеннями нуклонного і протонного чисел. Більшість хімічних елементів, які зустрічаються в природі, складаються з кількох нуклідів. Різновиди атомів одного хімічного елемента, які мають однакове протонне число, але відрізняються один від одного числом нейтронів, і, відповідно, нуклонним числом (масою ядра), називають ізотопами. Наприклад, хімічний елемент Гідроген має три ізотопи: протій (у ядрі один протон і немає нейтронів), дейтерій або (в ядрі один протон і один нейтрон) і тритій або (в ядрі один протон і два нейтрони). Багато елементів у природі мають по кілька ізотопів. Тому відносна атомна маса елемента вираховується значеннями відносних атомних мас ізотопів з урахуванням їх масової частки у природі.
Усі ізотопи діляться на стабільні та радіоактивні. Стабільні ізотопи не підлягають радіоактивному розпаду, тому вони зберігаються в природних умовах. Стабільні ізотопи зустрічаються у всіх «парних» елементів і у більшості «непарних» з порядковим номером меншим або рівним вісімдесяти трьом. У елементів, розташованих в періодичній системі після Бісмута, всі нукліди є радіоактивними. Радіоактивні ізотопи поділяються в свою чергу на природні та штучні. І природні, і штучні ізотопи самоплинно розпадаються, випромінюючи при цьому α - чи β - частинки до тих пір, поки не утвориться стабільний ізотоп. Хімічні властивості всіх ізотопів, в основному, однакові. Ці властивості визначаються зарядом ядра, а не його масою.
37. Принципи роботи та дослідницьке значення Великого Адронного Колайдера.
Вели́кий адро́нний кола́йдер (англ. Large Hadron Collider, LHC) — найбільший у світі прискорювач елементарних частинок, створений у Європейському центрі ядерних досліджень (CERN), поблизу Женеви (Швейцарія).
Фінансування та розробку проекту здійснюють понад 10,000 науковців та інженерів, представників різних університетів і лабораторій з понад 100 країн світу.
Прискорювач пролягає в тунелі (у формі тора діаметром 27 км) на глибині до 175 метрів (570 футів) під землею на кордоні Франції та Швейцарії, поблизу Женеви, Швейцарії. Як свідчить назва, він призначений для прискорювання адронів, зокрема протонів і важких іонів.
Детектори
На ВАК було встановлено 6 детекторів, розміщених у міжсекційних блоках. Два з них — ATLAS та CMS (Компактний мюонний соленоїд) — великогабаритні колайдери, головною ціллю яких є фіксування елементів. ALICE (Великий іонний колайдер) та LHCf є набагато меншими та обмеженими операційно.
Компанія BBC дала наступне визначення:
ATLAS — один з двох детекторів з широкою сферою функціонування з метою нових відкриттів та відповідей на старі питання.
CMS — детектор з широкою сферою функціонування, котрий «полює» на бозони Хіггса і шукає природу походження темної матерії.
ALICE — вивчатиме «рідинну» форму існування матерії, відому як кварк-глюонна плазма, короткий проміжок існування якої виникає відразу ж після Великого Вибуху.
LHCb — вивчатиме рівну кількість матерії та антиматерії, яка вивільняється після Великого вибуху. Намагатиметься дати відповідь на питання: „Що сталося зі «зниклою» антиматерією?“ Планувалося, що запуск колайдера дозволить виявити так звані бозони Хіггса і зімітувати стан Всесвіту через мільярдну частку секунди після Великого вибуху.
Спостереження бозона Хіггса може підтвердити прогнози та «недостатні зв'язки» в стандартній моделі фізики, пояснити, в який спосіб інші елементарні частинки отримують такі властивості, як маса.
Учасники проекту ВАК розраховують з його допомогою отримати антиматерію.
[ред.]
Історія
Моделювання процесу зародження Бозону Хігса в детекторі CMS
Проект був задуманий 1984 року, його реалізацію почали 2001-го.
Запуск ВАК спершу планували на 8 липня 2008 року, але відбувся він 10 вересня. Запуск вважають успішним — пучок частинок з енергією 450 гігаелектрон-вольт проведено по всьому кільцю колайдера.
Офіційну церемонію відкриття Великого адронного колайдера було заплановано на 21 жовтня 2008 року. Але через аварію, яка сталася 19 вересня, ВАК запустили лише 20 листопада 2009 року[1].
30 березня 2010 року у Великому адронному колайдері вперше успішно здійснено зіткнення протонів, що рухалися зі швидкістю, наближеною до швидкості світла[2][3].
Цікавим є той факт, що Великий адронний колайдер розрахований на функціонування впродовж лише 10 років, але науковці запевняють, по завершенню цього періоду на світі вже з'явиться набагато більший та потужніший його «родич».
Період Подія Опис
5 квітня 1976 Протонний суперсинхротрон SPS Були запущені перші пучки протонів в новому 7-кілометровому прискорювачі у ЦЕРНі — протонний суперсинхротрон (SPS). Протони розганялися в ньому до рекордної енергії 400 ГеВ і прямували на нерухомі мішені. SPS продовжував успішно працювати і в еру LEP, і навіть у XXI столітті. Починаючи з 2010 року основна функція SPS — попередній розгін і постачання протонів в Великий адронний колайдер (LHC).
Детальніше: Протонний суперсинхротрон
18 липня 1977 Проект LEP і задумка LHC Був опублікований перший проект Великого електрон-позитронного колайдера (LEP) в ЦЕРНі, який буде встановлений в спеціальному кільцевому тунелі завдовжки майже 30 км. Тоді ж була висловлена і думка, що в майбутньому в тому ж тунелі можна буде розмістити і адронний коллайдер, який, можливо, буде працювати одночасно з LEP. Тому тунель для LEP проектувався з урахуванням такої можливості.
Детальніше: Великий електрон-позитронний колайдер
1981 Початок робіт над створенням магнітів
Почалися розробки магнітів для LHC — основи майбутнього колайдера. Магніти повинні були тримати поле близько 10 Тесла, а значить, їх необхідно робити надпровідними, але при цьому вони повинні вміщуватися в просторі підземного тунелю. Основний упор робився на конфігурацію «два в одному» (дві окремі вакуумні труби для зустрічних протонних пучків, поміщені в єдиний Кріостат), але розглядалися й інші варіанти. Конфігурація «два-в-одному» стала згодом емблемою LHC.
Січень 1983 — січень 1988 Прокладання 27-кілометрового тунелю Протягом п'яти років у ЦЕРНі велися екскаваційні роботи з прокладанням кільцевого 27-кілометрового тунелю. У ньому розташовуэться Великий електрон-позитронного колайдера (LEP), а по закінченні його роботи, в 2000-і роки, в тому ж тунелі змонтують і Великий адронний колайдер (LHC). Прокладка тунелю стала найбільшим на той час екскаваціним проектом в Європі (рекорд був побитий в 1988 році, коли почалися роботи з прокладання підземного тунелю під Ламаншем.) Вартість цих робіт склала більше половини всього бюджету LEP. [4]
Квітень 1983 LHC Note 1 У ЦЕРНі опубліковано технічний звіт[5] , що містить попередні оцінки того, як міг би працювати адронний колайдер в тунелі LEP. Звіт вийшов під номером «LEP Note 440», а згодом він отримав номер «LHC Note 1».
3 липня 1983 Теватрон
У Національній лабораторії ім. Е. Фермі в США почав свою роботу Теватрон — протон-антипротон колайдер, що вдаряє частки на енергії 512 ГеВ (пізніше енергія частинок була піднята до 980 ГеВ). У 1990—2000-і роки на Теватроні було зроблено багато робіт з фізики сильних і електрослабкої взаємодії, включаючи відкриття топ-кварки. У 2010—2012 роках Теватрон залишається головним конкурентом LHC в пошуку гіггсівського бозона.
Детальніше: Теватрон
38. Квантова теорія: етапи становлення.
Свет — все еще огромная загадка для человека. Мы знаем, что свет распространяется волнами и что световые волны состоят из электрических и магнитных колебаний, идущих вместе. Это вид электромагнитных волн.
В 1900 году немецкий физик Макс Планк обнаружил, что волновой характер не до конца раскрывает теорию света. Он пытался объяснить, как горячий предмет испускает излучение. По его теории, радиация излучается не постоянным, непрерывным потоком, а маленькими порциями. Каждая маленькая вспышка энергии называется квантом света. Идея, предложенная Планком, сейчас называется квантовой теорией.
Единичный квант радиационной энергии настолько мал, что ее поток кажется непрерывным. Например, даже от такого слабого источника, как звездный свет, поступает 60 000 000 квантов света в секунду, достигающих нашего глаза, и свет кажется непрерывным.
В наши дни физики рассматривают свет, с одной стороны, как волновую теорию, с другой стороны, как квантовую. Никакая идея, отдельно взятая, сама по себе не может объяснить явление. Волновая теория полностью объясняет, что происходит, когда излучение проходит в пространстве или сквозь материю. А квантовая теория объясняет, как возникает излучение и что с ним происходит, когда оно поглощается материей.
Свет и другие виды электромагнитных излучений — очень сложное явление. Поэтому неудивительно, что ни волновая, ни квантовая теория сами по себе не могут объяснить происходящего.
Свет — все еще огромная загадка для человека. Мы знаем, что свет распространяется волнами и что световые волны состоят из электрических и магнитных колебаний, идущих вместе. Это вид электромагнитных волн.
В 1900 году немецкий физик Макс Планк обнаружил, что волновой характер не до конца раскрывает теорию света. Он пытался объяснить, как горячий предмет испускает излучение. По его теории, радиация излучается не постоянным, непрерывным потоком, а маленькими порциями. Каждая маленькая вспышка энергии называется квантом света. Идея, предложенная Планком, сейчас называется квантовой теорией.
Единичный квант радиационной энергии настолько мал, что ее поток кажется непрерывным. Например, даже от такого слабого источника, как звездный свет, поступает 60 000 000 квантов света в секунду, достигающих нашего глаза, и свет кажется непрерывным.
В наши дни физики рассматривают свет, с одной стороны, как волновую теорию, с другой стороны, как квантовую. Никакая идея, отдельно взятая, сама по себе не может объяснить явление. Волновая теория полностью объясняет, что происходит, когда излучение проходит в пространстве или сквозь материю. А квантовая теория объясняет, как возникает излучение и что с ним происходит, когда оно поглощается материей.
Свет и другие виды электромагнитных излучений — очень сложное явление. Поэтому неудивительно, что ни волновая, ни квантовая теория сами по себе не могут объяснить происходящего.
39. Провідні засади квантової теорії.
40. Висновки з квантової теорії. “Торжество релятивізму”.
41. Синергетика як природнича наука.
Синергетика (англ. Synergetics, від грецького. син — «спільне» і ергос — «дія») — міждисциплінарна наука, що займається вивченням процесів самоорганізації і виникнення, підтримки стійкості і розпаду структур (систем) різної природи на основі методів математичної фізики («формальних технологій»). Синергетичний підхід також застосовується при вивченні такої складної і неструктурованої системи, як мережевий інформаційний простір.
Синергетика — це теорія самоорганізації в системах різноманітної природи. Вона має справу з явищами та процесами, в результаті яких в системі — в цілому — можуть з'явитися властивості, якими не володіє жодна з частин. Оскільки йдеться про виявлення та використання загальних закономірностей в різних галузях, тому такий підхід передбачає міждисциплінарність. Останнє означає співробітництво в розробці синергетики представників різних наукових дисциплін. Тому термін синергетика використовується як в природничих науках, так і в гуманітарній сфері.Зміст [сховати]
1 Предмет вивчення
2 Історія
3 Синергетичний підхід в природознавстві
4 Вивчення синергетики в Україні
5 Див. також
6 Примітки
7 Джерела
8 Література (рос. мовою)
[ред.]
Предмет вивчення
Синергетика вивчає нелінійні відкриті дисипативні системи. Такі системи перебувають далеко від термодинамічної рівноваги і обмінюються енергією чи речовиною із навколишнім середовищем. Для перехідних процесів, що відбуваються в таких системах, не виконується закон неспадання ентропії, що призводить до утворення різноманітних дисипативних структур: автоколивань, автохвиль, може виникнути детермінований хаос.
[ред.]
Історія
Засновником синергетики вважається Герман Хакен, який ввів це поняття в своїй книзі «Синергетика». [1]
[ред.]
Синергетичний підхід в природознавстві
Основні принципи[2][3][4][5][6][7][8][9][10]
Природні системи є нелінійними, різних видів організації: динамічно стабільні, адаптивні, і найбільш складні — еволюціонуючі системи.
Зв'язок між ними здійснюється через хаотичний, нерівноважної стан систем сусідніх рівнів.
Нерівноважності є необхідною умовою появи нової організації, нового порядку, нових систем, тобто — розвитку.
Коли нелінійні динамічні системи об'єднуються, нове утворення не дорівнює сумі частин, а утворює систему іншої організації.
Загальними для всіх еволюціонуючих систем є нерівноважності, спонтанне утворення нових локальних станів, зміни на макроскопічному (системному) рівні, виникнення нових властивостей системи, етапи утворення, самоорганізації та фіксації нових якостей системи.
Системи, що розвиваються завжди відкриті (обмінюються енергією, інформацією та речовиною із зовнішнім середовищем), за рахунок чого і відбуваються процеси локальної впорядкованості і самоорганізації.
У сильно нерівноважних станах системи починають сприймати ті зовнішні фактори впливу, які вони б не сприйняли в більш рівноважному стані.
У нерівноважних умовах відносна незалежність елементів системи поступається місцем корпоративній поведінці елементів: поблизу стану рівноваги елемент взаємодіє тільки із сусідніми, далеко від рівноваги — «бачить» всю систему цілком і узгодженість поведінки елементів зростає.
У станах, далеких від рівноваги, починають діяти біфуркаційні механізми — наявність точок біфуркації переходу до того чи іншого щодо довготривалого режиму системи — атрактора. Заздалегідь неможливо передбачити, який з можливих атракторів займе система.
Синергетика пояснює процес самоорганізації в складних системах так:
Система повинна бути відкритою. Закрита система відповідно до законів термодинаміки повинна в кінцевому результаті прийти до стану з максимальною ентропією і припинити будь-яку еволюцію.
Відкрита система повинна бути досить далека від точки термодинамічної рівноваги. У точці рівноваги як завгодно складна система має максимальну ентропією і не здатна до якої-небудь самоорганізації. У положенні, близькому до рівноваги і без достатнього припливу енергії ззовні, будь-яка система з часом ще більше наблизиться до рівноваги і перестане змінювати свій стан.
Фундаментальним принципом самоорганізації є виникнення нового порядку і ускладнення систем через флуктуації (випадкові відхилення) станів їх елементів і підсистем. Такі флуктуації зазвичай придушуються в усіх динамічно стабільних і адаптивних системах за рахунок негативних зворотніх зв'язків, що забезпечують збереження структури і близького до рівноваги стану системи. Але у більш складних відкритих системах, завдяки притоку енергії ззовні і посилення нерівноважності, відхилення з часом зростають, накопичуються, викликають ефект колективної поведінки елементів і підсистем і, врешті-решт, призводять до «розхитування» колишнього порядку і через відносно короткочасний хаотичний стан системи призводять або до руйнування колишньої структури, або до виникнення нового порядку. Оскільки флуктуації носять випадковий характер, то поява будь-яких новацій у світі (еволюцій, революцій, катастроф) обумовлено дією суми випадкових факторів. Про це говорили античні філософи Епікур (341—270 до н. Е..) І Кар Лукрецій (99-45 до н. Е..)
Етап самоорганізації наступає тільки у випадку переважання позитивних зворотних зв'язків, що діють у відкритій системі, над негативними зворотними зв'язками. Функціонування динамічно стабільних, нееволюціонуючих, але адаптивних систем — а це і гомеостаз живих організмів і автоматичні пристрої — ґрунтується на отриманні зворотних сигналів від рецепторів або датчиків щодо положення системи і подальшого коректування цього положення до вихідного стану виконавчими механізмами. У системі на шляху самоорганізації дані зміни не усуваються, а накопичуються і посилюються внаслідок загальної позитивної реактивності системи, що може призвести до виникнення нового порядку і нових структур. Такими є, наприклад, механізми фазових переходів речовини або утворення нових соціальних формацій.
Самоорганізація в складних системах, переходи від одних структур до інших, виникнення нових рівнів організації матерії супроводжуються порушенням симетрії. При описі еволюційних процесів необхідно відмовитися від симетрії часу, характерної для повністю детермінованих і оборотних процесів в класичній механіці. Самоорганізація у складних і відкритих дисипативних системах, до яких належить і Життя, і Розум, а згідно з загальної теорії відносності і увесь Всесвіт в цілому [11], призводять до необоротного руйнування старих і до виникнення нових структур і систем, що поряд з явищем зростання ентропії в закритих системах обумовлює наявність «стріли часу» в Природі.
[ред.]
Вивчення синергетики в Україні
"Самоорганізація і культура" А. Свідзінський Праця з культурології, де для вивчення таких складних процесів як культура використано методи синергетики
42. Можливості і межі синергетичної методології.
43. Кібернетика як природнича наука.
Зміст.
1. Кібернетика як наука, основні поняття кібернетик ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 1
2. Вклад кібернетики в наукову картину світу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 9
3. Від хаосу до порядку. Синергетика як наука ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 10
4. Синергетичні закономірності ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 16
5. Значення синергетики для сучасної науки і світогляду ... ... ... ... ... ... ... 17
Вступна частина.
Фронт сучасної науки простягається від порівняно приватних, конкретнихконцепцій щодо різних областей фізичного та хімічного світу,до найглибших теорій, що охоплюють різні сфери природи, суспільства ітехнічної діяльності людини. До останніх слід віднести кібернетикуі синергетику. Вражає зухвалість нових наук. Перша зазіхнула на пізнаннямеханізмів управління в різних системах. Друга-на проблемусамоорганізації самої матерії, творення нового.
Розглянемо різного роду системи, що представляє на перший погляд сумішрізних і далеко віддалених один від одного предметів і явищ. У світі є
"самодіючі" фізичні системи (від атома до планетарних систем ізоряних асоціацій), хімічні системи (наприклад, органічніз'єднання, біополімери), біологічні системи (рослини, тварини,чоловік), соціальні системи (колективи, галузі виробництва, народнегосподарство, суспільство в цілому). Насправді, у всіх цих системах єзагальні властивості: здатність до самодіючі, підпорядкованість законамуправління, процеси переробки інформації, здатність до самонастроювання ісамоорганізації та ін Вивченням процесів управління в природі, суспільстві татехніці і займається наука кібернетика.