6.Принцип суперпозиции

Этот принцип также имеет важное значение в физике и особенно - в квантовой механике. Принцип суперпозиции (наложения) - это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Принцип суперпозиции выполняется лишь в условиях, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма -принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет. Вообще, в ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих случаях выполняется лишь приближенно. В микромире, наоборот, принцип суперпозиции - фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. В квантовой теории принцип суперпозиции лишен наглядности, характерной для классической механики, так как в квантовой теории в суперпозиции складываются альтернативные, с классической точки зрения, исключающие друг друга состояния. В релятивистской квантовой теории, предполагающей взаимное превращение частиц, принцип суперпозиции должен быть дополнен принципом суперотбора. Простейший пример - при аннигиляции электрона и позитрона принцип суперпозиции дополняется принципом сохранения электрического заряда - до и после превращений сумма зарядов должна быть постоянной. Поскольку заряды электрона и позитрона равны и взаимно противоположны, должна возникать незаряженная частица, каковой и является рождающийся в этом процессе аннигиляции фотон. А теперь ненадолго вернемся к принципам симметрии, которые, как мы уже знаем, лежат в основе законов сохранения физических величин, и в частности, в основе фундаментального закона сохранения энергии. Он выводит нас еще в одну область физики - термодинамику.

Вопросы для контроля усвоения материала:

1.  Назовите постулаты Эйнштейна для специальной теории относительности 

2. Назовите принципы возрастания энтропии

3. В чем заключается принцип дополнительности

4. Что означает соотношение неопределенностей? Приведите примеры.

5. Принцип суперпозиции

6. Классическая механика Ньютона

Лекция 6.

Основные понятия и концепции современной химии (2 часа)

План:

1. Проблема химического элемента.

2. Концепции структуры химических соединений

3.Учение о химических процессах .

4. Эволюционная химия.

1.Проблема химического элемента.

В XVII веке Р. Бойлъ положил начало представлению о хи­мическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава сложного тела в другое. Основоположником системного подхода в химии стал Д.И. Менделеев. Он считал, что любое точное зна­ние составляет систему. Системный подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодиче­скую таблицу химических элементов. Этот закон у него звучал так:

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений эле­ментов находятся в периодической зависимости от величины атом­ных весов элементов. Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядра атомов (порядкового номера).

Наиболее химически активными являются элементы с ми­нимальной атомной массой и имеющие 1 или 2 (металлы) или 6—7 (щелочи) электронов на внешнем электронном уровне. В настоящее время известно свыше 110 химических элемен­тов, из которых 98,6% массы поверхностного слоя Земли прихо­дятся на восемь: кислород (47%), кремний (27,5%), алюминий (8,8%), железо (4,6%), кальций (3,6%), натрий (2,6%), калий (2,5%) и магний (2,1%). Понятно, что не все химические эле­менты используются в равных долях, поэтому перед современ­ной химией встала проблема рационального использования хи­мических элементов.

Прежде всего, решение данной проблемы должно проявлять­ся в замене одних элементов на другие (более доступные и де­шевые). Например, вовлечение новых химических элементов в производство материалов, замена металлов керамикой в различ­ных областях человеческой деятельности. В мире ежегодно про­изводится 600 млн. т металла, керамики вместе с кирпичом при­мерно столько же. Однако применение керамики по сравнению с металлом имеет ряд преимуществ. Во-первых, металл в произ­водстве обходится в тысячи раз дороже, чем керамика. Во-вторых, керамические изделия имеют плотность на 40% ниже плотности металлов, что позволяет снизить массу изготовляемых из керамики изделий. В-третьих, благодаря внедрению в произ­водство новых химических элементов (цирконий, титан и др.) стали получать изделия с заранее заданными свойствами — ог­неупорные, термостойкие, хемостойкие, высокотвердые, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств. Так, в середине XX в. в России был получен сверхплотный материал -гексанит-Р — одна из разновидностей нитрида бора с темпера­турой плавления свыше 3000°С и твердостью, близкой к твердо­сти алмаза, и отсутствием хрупкости. Такую керамику можно производить путем прессования порошков с получением необ­ходимых форм любых размеров. Были получены керамики, обладающие сверхпроводимо­стью при температуре кипения азота, что открывает перспек­тивы для создания сверхмощных двигателей и электрогенера­торов, транспорта на магнитной подушке, для разработки сверхмощных магнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космос и т.д.

С середины XX в. новые химические элементы стали ис­пользоваться и в синтезе элементорганических соединений от алюминия до фтора. Одни из этих элементов начали применять в качестве химических реагентов для лабораторных исследова­ний, а другие — для синтеза уникальных материалов. Подлин­ный переворот произошел в создании фторорганических соеди­нений, обладающих устойчивостью даже в очень агрессивных средах и особой поверхностной активностью. Некоторые ученые считают, что в живом организме не толь­ко присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне воз­можно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявля­ется биологическая роль все большего числа химических эле­ментов. Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические соединения и 6% — на неорганические. Ос­новными компонентами органических веществ являются угле­род, водород и кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обяза­тельно присутствуют 22 химических элемента. Большинство из них металлы, причем половину из них образуют соединения со сложными органическими молекулами. Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо — в 70, медь — в 30, а цинк — более чем в 100. Ученые договорились, что, если массовая доля элемента в организме превышает 0,01%, его следует считать макроэлемен­том . Доля микроэлементов в организме составляет 0,001— 0,00001%. Если содержание элемента ниже 0,00001%, его счита­ют ультрамикроэлементом. Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между мак­ро- и микроэлементами. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жиз­недеятельность организма. При малом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Он функ­ционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При избытке элементов проявляется их токси­ческое действие, в результате чего не исключается и летальный исход. Например, недостаток в организме железа, который входит в состав гемоглобина крови, приводит к анемии. А при его из­бытке возникает болезнь глаз и легких, так как соединения же­леза откладываются в тканях этих органов. Главным регулято­ром содержания железа в крови является печень. Недостаток в организме меди приводит к патологии кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тка­нях, возможно, служит одной из причин раковых заболеваний легких. Однако избыток меди в организме приводит к наруше­нию психики и параличу некоторых органов.

Жизненно необходимые элементы — натрий и калий функ­ционируют в паре. Эти ионы неравномерно распределены внут­ри клеток и вне клеток. Так, внутри клеток мышц, сердца, пе­чени и почек больше ионов калия, чем во внеклеточной среде. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри ее. При наступлении смерти концентрация калия и на­трия внутри и вне клетки сразу же выравнивается. Минеральные вещества, как и витамины, часто действуют как коферменты при катализе химических реакций, происходя­щих все время в организме. Выявление биологической роли отдельных химических эле­ментов в функционировании живых организмов (человека, жи­вотных, растений) — важнейшая задача, которую решают совме­стно химики, биологи и медики.