Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

законы, работающие в микромире. Они являются отражением

специфики микрообъектов, проявлением новых свойств материи на

уровне ее мельчайших структурных единиц. Принцип соответствия

работает и здесь — при переходе к макрообъектам квантово-

механический аспект движения становится неощутим из-за малости

постоянной Планка п. Динамические законы есть предельный

случай более общих вероятностных закономерностей. Последние не

являются свидетельством неполноты нашего знания, а отражают

глубокое понимание свойств материи на новом качественном

уровне.

ВЫВОДЫ

1.Обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно

превращаться, т. е. не являются "последними кирпичиками"

мироздания. Стало ясно, что число элементарных частиц не должно

быть особенно большим.

2.В механике микромира уравнение Шредингера для волновой

функции играет ту же роль, что и уравнение Ньютона в

классической механике. В уравнении, объясняющем поведение

электрона в атоме, содержится волновая функция, квадрат модуля

которой определяет положение электрона в данной точке в каждый

момент времени. Главным открытием квантовой механики является

вероятностный характер законов микромира.

3.Частицам вещества в микромире присущ корпускуляр-но-

волновой дуализм: в одних явлениях они проявляют волновые

свойства, а в других — корпускулярную природу. Поэтому для

изучения свойств микромира применяют принцип

дополнительности, введенный Н. Бором в 1927 г.

4.Фундаментальным в квантовой теории является принцип

неопределенности, определяющий границы применимости

классических представлений при описании свойств микромира.

Невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и

импульс микрочастиц.

5. В результате экспериментов по рассеянию а-частиц

Резерфордом была предложена планетарная модель строения

атома. При заполнении электронами орбит в атоме соблюдается

160

принцип Паули: два электрона не могут находиться в одном и том

же энергетическом состоянии.

6. Важнейший философский вывод из квантовой механики

заключается в принципиальной неопределенности результатов

измерений и, следовательно, невозможности точного предвидения

будущего в микромире.

Вопросы для контроля знаний

1. Какие новые открытия в науке опровергли представления об

атомах как последних, неделимых частицах материи?

2. Охарактеризуйте строение атома по модели Э. Резерфорда.

3. Что принципиально нового внес в эту модель Н. Бор?

4. Какие частицы называются элементарными и где они были

открыты?

5. Какими общими свойствами обладают элементарные

частицы?

6. Какие частицы называются кварками и почему они не

существуют в свободном состоянии?

7. Что такое вещество и антивещество?

8. Что называют аннигиляцией элементарных частиц?

9. Какие эксперименты доказывают существование волновых

свойств у микрочастиц материи?

10.Существуют ли волновые свойства микрочастиц отдельно

от корпускулярных? Что означает дуализм микрочастиц?

11.Сформулируйте принцип дополнительности и расскажите,

где он применяется.

12.Почему принцип неопределенности служит фундаментом

квантовой механики?

13.В какой форме выражаются законы квантовой механики?

14.Каков характер принципа причинности в микромире?

161

Глава 8. КОНЦЕПЦИИ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ

Есть многое на свете, друг Гораций,

что и не снилось нашим мудрецам.

У. Шекспир

8.1. Многообразие форм материи

Все то, из чего состоит окружающая нас Вселенная, мы

называем материей. Философское определение материи — это

объективная реальность, существующая вне и независимо от

человеческого сознания и отражаемая им. Философское понятие

материи может быть определено путем соотношения его с понятием

сознания, что его отражает. Если материя есть объективная

реальность, то сознание — это субъективная реальность. Сознание

есть свойство высокоорганизованной материи как идеальное

отражение материального мира. Кроме указанного свойства материя

обладает следующими всеобщими свойствами:

субстанциональностью, активностью, сохраняемостью,

структурностью, неисчерпаемостью, способностью отражения,

конечностью и бесконечностью, абсолютностью и

относительностью, прерывностью и непрерывностью и др.

Субстанциональность материи состоит в том, что объективная

реальность есть причина самой себя, она не сотворима и не

уничтожима.

Активность материи выражается в ее беспредельной

способности к самодвижению, развитию, ведущему к непрестанным

качественным изменениям мира, его постоянному обновлению.

Существование материи — это вечно живой, внутренне активный

процесс образования, развития и взаимодействия многообразных

видов и свойств.

162

Сохраняемость материи заключается в том, что она как

объективная реальность не может возникать из ничего и бесследно

исчезать. Происходит лишь превращение одних материальных форм

в другие. Доказательством сохраняемости материи являются законы

сохранения массы, энергии, количества движения, электрического

заряда и т. д.

Структурность материи означает ее принципиальную

несводимость к понятию последним и неизменным "элементам".

Каким бы простым ни казался любой материальный объект, он

всегда обладает сложной структурой. Структурность связана

целостной системой.

Неисчерпаемость материи заключается в бесконечном

многообразии видов и свойств объективной реальности (микро-,

макро- и мегамиров), форм их взаимодействия и взаимопереходов.

На каждом структурном уровне материи действуют свои

специфические закономерности.

Свойство отражения присуще всей материи, как

органической, так и неорганической. Свойство отражения

заключается в способности материального объекта при

взаимодействии с другими воспроизводить в своих изменениях (в

виде отпечатков, следов, образов и т. д.) особенности

взаимодействующих объектов. Чем сложнее уровень организации

материи, тем становятся сложнее сами формы отражения — от

простой механической формы в неорганическом мире к

раздражимости в органической природе. И как самая высшая форма

материи, присущая человеческому мозгу, — это психическое

отражение в виде сознания (ощущения, восприятия, представления,

понятия, суждения и умозаключения).

С точки зрения современной науки основные формы материи

— это:

1) система неживой природы (элементарные частицы и поля,

вакуумы, атомы, молекулы, макроскопические тела, космические

системы различных порядков);

2) живые системы (вся биосфера — от микроорганизмов до

человека);

163

3) социально-организованные системы (человек, общество).

Материя в природе существует в виде вещества и поля.

Таким образом, материя (лат. materia) — все, из чего состоит

окружающий мир, множество явлений, объектов и их систем,

носитель всех разнообразных свойств, отношений, взаимодействий

объектов и форм движения. Все существующее в природе

материально. Многообразные явления в мире представляют собой

различные виды движения материи.

8.2. Вещество и его состояния

На случаи наталкиваются именно

те ученые, которые делают все,

чтобы на них натолкнулись.

К. Тимирязев

Вещество — один из видов материи, из которого состоит весь

окружающий нас мир. Его образуют большие скопления различных

частиц, структур. Вещество представляет собой однородный

(гомогенный) вид материи, т. е. такой материи, каждая частица

которой имеет одинаковые физические свойства. Разные изделия,

имеющие различное назначение и форму, могут быть изготовлены

из одного и того же материала, и их вещество будет одинаковым.

Под веществом будем понимать чистую материю, без примесей. Под

материалом — вещество того же наименования, полученное в

реальных условиях, т. е. имеющее неизбежные примеси.

В зависимости от условий среды вещество может находится в

твердом, жидком, газообразном и плазменном агрегатных

состояниях. Микроструктура и состояние движения частиц в этих

состояниях вещества носят различный характер. Рассмотрим их:

Твердое состояние. При достаточно низких температурах

вещество находится в твердом состоянии, энергия системы

минимальна и из всех возможных взаимных расположений частиц

164

реализуются упорядоченные, называемые кристаллическими. Под

понятием "кристалл" (кристаллическое тело) подразумевают прежде

всего периодичность его микроскопической структуры. В кристалле

каждый атом окружен расположенными определенно другими

атомами, и если эта конфигурация атомов обладает наименьшей

возможной энергией, ясно, что она должна повторяться и в любых

других местах тела. Простейшая конфигурация атомов, которая

периодически повторяется вдоль тела во всех трех измерениях,

образует элементарную ячейку кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка обладает симметрией переноса вдоль

соответствующего направления. Естественно, физические величины

также обладают такой же периодичностью. Число типов симметрии

в природе ограничено. В решетках между атомами существует

ионная, ковалентная, металлическая и ван-дер-ваальсовая связи. В

реальных кристаллических телах существуют различные дефекты

решетки: точечные дефекты (вакансии — пустые незаполненные

места в узлах решетки; межузельные атомы внедрения), линейные

дефекты, к которым относятся дислокации — наличие в решетке

лишней кристаллической полуплоскости. По энергетическому

характеру распределения электронных состояний в кристаллах в

природе существуют три основные группы кристаллических

твердых тел: металлы, диэлектрики и полупроводники. Они имеют

различные свойства электрической проводимости тока. Атомы в

твердом теле не могут значительно удаляться от своих равновесных

положений — узлов кристаллической решетки. Их движение в

основном сводится к колебаниям вблизи узлов решетки. Геометрия

кристаллического состояния вещества при обычных давлениях и

температурах отличается необычайным разнообразием, хотя число

типов решеток и ограничено. Свойства веществ определяются не

только характером атомов, но и их взаимным расположением. В

качестве примера можно указать на алмаз и графит — вещества,

состоящие из одних и тех же атомов углерода, но имеющие

различные кристаллические решетки. Тела могут сильно отличаться

в отношении механических, тепловых, электрических, магнитных и

оптических свойств. Зная

165

атомную природу тел и зависимость указанных свойств от нее,

можно целенаправленно создавать новые материалы.

Жидкое состояние. При повышении температуры

скачкообразно происходит фазовый переход кристалл—жидкость

(плавление) и при этом поглощается удельная теплота перехода.

Каждое вещество имеет строго определенную температуру

плавления. Жидкость — это вещества, в которых взаимодействие

между частицами велико и в то же время тепловое движение частиц

является сложным. В жидком состоянии атомы уже не являются

строго локализованными, т. е. связанными с какими-то

определенными положениями в теле. Они совершают колебательное

движение и могут перескакивать, поэтому жидкости, сохраняя

объем, могут изменять свою форму. Тепловые свойства конкретных

жидкостей существенно индивидуальны. Лишь при температурах,

близких к абсолютному нулю, возможно исследование тепловых

свойств жидкостей в общем виде. Однако в природе имеется только

одно вещество — гелий, которое остается жидким при Т —> 0 К.

Газообразное состояние. При дальнейшем повышении

температуры вещества также скачкообразно, при определенной

температуре, характерной данному веществу, совершают фазовый

переход жидкость—газ. В газах частицы совершают хаотическое

поступательное движение. Вещество в газообразном состоянии

представляет собой совокупность многих слабо взаимодействующих

частиц и оно практически полностью теряет свою

индивидуальность. Это связано с малой плотностью газообразного

вещества. В разряженных газах по-существу отсутствует взаимное

влияние атомов, а значит, не проявляется их индивидуальная

атомная структура. Газы всех веществ (при нормальных условиях) с

хорошей точностью подчиняются одинаковым закономерностям.

Плазменное состояние. Дальнейшее весьма значительное

повышение температуры (до 10

-10

К) среды ведет к ионизации

атомов, т. е. распаду их на ионы и свободные электроны. Частично

или полностью ионизированный газ образует особое состояние

вещества, называемое плазмой. Поскольку ионы и электроны, в

отличие от атомов, несут нескомпенсированные электрические

заряды, их взаимное влияние становится существенным. Плазма в

противовес газам может проявлять коллективные свойства, что

166

сближает ее с конденсированным состоянием, т. е. с твердыми

телами и жидкостями. В плазме легко возбуждаются всякого рода

упругоэлектрические колебания. Особыми свойствами обладают

вещества при сверхвысоких температурах и больших плотностях.

При температурах ~ 10

К достигается полная ионизация плазмы:

вещество состоит из "голых" ядер и свободных электронов. При

дальнейшем повышении температуры начинаются ядерные

превращения (~ 10

К). При температурах свыше 10

К ядра

разрушаются; при этом вещество состоит из протонов и электронов.

Наконец, при температурах свыше 10

К возможно широкое

превращение частиц друг в друга. Это все рассматривалось при

нормальном давлении. При невысокой температуре изменение

давления также приводит к изменению состояния вещества. При

сжатии вещества до ~ 10

атм. электронные оболочки атомов

деформируются и возможно свободное движение внешних

электронов, т. е. "металлизация" вещества. При достаточном сжатии

вещества до ~ 10

атм. роль взаимодействия электронов с ядрами

становится несущественной и вещество можно рассматривать как

электронный газ большой плотности. Когда давление газа

становится порядка 10

атм., происходит захват электронов ядрами

с испусканием нейтрино и уменьшением заряда и энергии связи

ядра. При давлении 10

атм. нейтроны преобладают над

электронами и вещество можно рассматривать как нейтронный газ.

При давлении 10

атм. нейтронный газ имеет плотность ядерного

вещества.

8.3. Энергия и ее проявления в природе

Наука научила людей пользоваться

энергией, скрытой в сокровищницах

Земли. Она должна вести человека в

сокровищницы неба и научить его

улавливать там энергию солнечных

лучей.

К. Э. Циолковский

Понятие энергии занимает фундаментальное положение в

структуре современного естествознания. Под энергией понима-

167

ют единую меру различных форм движения и взаимодействия

материи. Она проявляется во множестве различных видов.

В механике различают два вида энергии: кинетическую и

потенциальную. Кинетической энергией тела называют энергию,

являющуюся мерой его механического движения и измеряемую той

работой, которую может совершить тело при его торможении до

полной остановки. Потенциальная энергия определяется как

свойство системы материальных тел совершать работу при

изменении положения или конфигурации тел в системе. Работа,

совершаемая консервативными силами при изменении

конфигурации системы, т. е. расположения всех ее частей по

отношению к системе отсчета, не зависит от того, как было

осуществлено это изменение при переводе системы из начальной

конфигурации в конечную, в которых система имела различные

значения энергии. Значит, работа может быть определена как мера

изменения энергии, а энергия — как способность тела совершать

работу. Причем применительно к механическим процессам полная

энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их

потенциальной и кинетической энергии, остается величиной

постоянной. То есть всякое изменение потенциальной и

кинетической энергии есть превращение потенциальной энергии в

кинетическую, а кинетической в потенциальную. В случае

механического движения передача энергии происходит в форме

работы в процессе силового взаимодействия тел.

В случае, когда помимо консервативной силы, зависящей

только от положения тела, в системе действуют и силы трения,

тогда любая работа, совершаемая над телом извне, равна сумме

приращений кинетической, потенциальной и внутренней энергии.

Значит, механическая энергия при трении переходит во внутреннюю

энергию, что сопровождается изменением состояния, степени

нагретости или объема тела. Величину внутренней энергии (U)

можно увеличить двумя эквивалентными способами — совершая

над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество

теплоты (Q):

168

Значит, количество теплоты является мерой изменения

внутренней энергии тела и выражает тепловую энергию. Установлен

эквивалент между количеством теплоты и работой. Теплота может

передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при

трении, но при этом она не является сохраняющей величиной.

Механическая и тепловая энергии — это только две из многих форм

энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих

форм, есть тоже форма энергии. Химические реакции протекают с

выделением или поглощением теплоты, показывая

взаимопревращение химической энергии и теплоты. Работы

Фарадея и Ленца приводят к открытию взаимопревращений

электрической и магнитной энергий. Изучение процессов,

происходящих в контактах двух металлических проводников,

проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствуют о

взаимопревращении электрической энергии и теплоты. Джоуль

устанавливает соотношение между величиной количества теплоты,

выделяемой при прохождении электрического тока через

проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводника

(закон Джоуля—Ленца).

Электрическая и магнитная энергии могут проявляться как

единая электромагнитная энергия. В частном случае

электромагнитную энергию испускают нагретые тела (примером

этого служит солнечная энергия). Иногда солнечную энергию

рассматривают лишь как прямое солнечное излучение, которое

накапливается на Земле в виде гидроэнергии и энергии ископаемого

горючего. Интенсивность солнечной энергии на поверхности Земли

в средних широтах в летнее время примерно составляет 1 кВт/м

Если 0,1% всей поверхности Земли преобразуют эту солнечную

энергию в электрическую с эффективностью 5%, то электрическая

энергия, генерируемая ежегодно, будет в 40 раз больше

современного годового уровня потребления ее во всем мире.

В теории относительности было показано, что энергия покоя

является энергетическим выражением массы тела, находящегося в

состоянии покоя. А Эйнштейн показал, что энергия покоя тела с

массой m

равна Е

= m

. Согласно этой формуле один

169