Структурные уровни организации материи Рассматривая с вами

Структурные уровни организации материи

Рассматривая с вами различия разделы физики, мы всегда отмечали, какому уровню представления о строении материи они отвечают.

Механика – сплошные материальные тела. Молекулярная физика и термодинамика – молекулы типа шариков, а затем и атомы, имеющие положительный и отрицательный заряд. Электродинамика – заряженные частицы, состоящие из атомов, имеющих положительный и отрицательный заряды.

Строение атома? n «Пудинговая» модель атома (Томсон) 1 — положительно заряженный шар; 2 — электроны

Было еще несколько моделей. Но в самой удачной в начале 20 века была модель, которая получила название планетарной модели. Придумал её Резерфорд, анализируя эксперименты по происхождению α – частиц через тонкие металлические пластины.

Модель представляет собой массивное ядро, несущее положительный заряд, и электронов, кружащихся на орбите вокруг этого ядра (подобние солнечной системы). Но электроны – заряженные частицы и при их вращении обязательно создается переменные электрические, и магнитные поля возникает излучение приводящие к потере энергии. Электрон в этом случае обязательно упадет на ядро, а атом разрушится. Но ведь стабильность атомов - это твердо установленный экспериментальный факт.

В состав ядра входят протоны и нейтроны. Основное отличие между протоном и нейтроном состоит в том, что протон — заряженная частица, заряд которой e = 1, 602× 10− 19 Кл. Это элементарный заряд, численно равный заряду электрона. Нейтрон же, как показывает уже его название, электрически нейтрален. Массы протона и нейтрона почти равны: 1836, 15 и 1838, 68 масс электрона соответственно.

*Подправил* модель Резерфорда Бор. Он постулировал, что электронам разрешается вращаться только по определённым орбитам, где они обладают строго заданными энергиями. Изменять эту энергию электроны могут только скачками, излучая и поглощая кванты энергии при переходе с одной орбиты на другую. Но и эта модель имела недостаток она не удовлетворяла соотношению неопределенности Гейзенберга.

Оно заключается в следующем: *если, исследуя какое то тело, нам удаётся определить проекцию его импульса с неопределенностью ∆p , то мы не сможем одновременно определить соответствующую координату тела с точностью большой чем ∆x ∆x · ∆p ≥ h/2, где h- постоянная Планка В макромире – наоборот надо определять одновременно и импульс, и координату. В микромире чтобы обнаружить частицу надо иметь какой то измерительный инструмент. Чтобы обнаружить частицу, например электрон надо иметь излучение с длиной волны, чем меньше, тем лучше.

Чтобы обнаружить электрон, квант излучения должен от него отразиться. Но квант измерительной волны обязательно передает энергию электрону. Его импульс изменится. Таким образом, фиксируя координату частицы, мы вносим неопределенность в её импульс. Возвращаясь к модели атома, можно предположить, что обнаружение электрона на той или иной орбите может быть только вероятностным. И область его существования можно представить в виде облака.

Было придумано уравнение, которое определяет *размазку* электрона. Это уравнение Шредингера. Оно количественно точно и подробно описывает атомные явления. Из опыта известно, что облако вероятности обладает волновыми свойствами, следовательно, здесь проявляется дуализм частиц микромира: они ведут себя и как частицы и как волны. Есть опыты, подтверждающие этот дуализм: дифракция на решётке электронов, нейтронов, фотонов.

Свет с одной стороны поток световых частиц (корпускул), а с другой электромагнитная волна. Де Бройль высказал гипотезу, что корпускулярноволновые cвойства присущим всем движущимся частицам, а волны не являются ни электромагнитным, ни волнами другой природы, изучаемой в классической физике. Квадрат амплитуды дебройлевской волны в данной точке пространства определяет вероятность того, что некоторое число частиц нападёт в эту точку. Описанные явления являются основой и предметом изучения квантовой механики.

Квантовая механика n Квантовая механика или волновая механика - теория устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов) а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах.

В квантовой механике состояние системы описывается волновой функцией. Так как для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса, то можно определить только вероятность нахождения частицы в данной точке в данный момент времени, которая определяется квадратом модуля волновой функции — W~ |ψ(x, y, z, t)|2 d. V

Для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в пространстве, то ее импульс полностью не определен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату

Если опять вернуться к строению атома, то основная масса атома сосредоточена в ядре. Ядро состоит из тяжёлых частиц нуклонов: протонов и нейтронов. Протоны положительно заряжены, нейтроны электрически нейтральны. На фоне других частиц нейтрон выглядит довольно устойчивым, но, изолирование просуществовав примерно, 16 минут он распадается.

Как объяснить тогда тот предложенный факт, что десятки видов ядер живут практически вечно? Ещё вопрос: почему одноимённо заряженные протоны устойчиво удерживаются в ядре? Если мы будем отвечать на эти вопросы с позицией классической физики, то придём в тупик. Объяснение этому можно дать только с позиции квантовой теории.

Если ядро существует стабильно, то есть какие - то силы, которые больше электромагнитных сил отталкивания. Это ядерные силы. Они в 100 раз сильнее, чем электромагнитные. В миллион раз они превышают энергию химического взаимодействия, поэтому никакими химическими методами нельзя вызвать, как это пытались делать алхимики превращения одних элементов в другие, т е, по сути, дело ядер, т. к. именно атом и есть носитель химических свойств.

Что же цементирует внутриядерные частицы? Между ними существует взаимодействия. Типа игры в волейбол. Протоны и нейтроны обмениваются частицами – квантами промежуточного поля. Эти частицы называются мезонами. Мезонная теория ядерных сил объясняет многие явления в микромире. Эти силы действуют на очень маленьких расстояниях (порядка 10 в минус 15 метра).

В ядре нуклоны испытывают воздействие и находятся во взаимодействии с ближайшими своими соседями. При росте числа нуклонов различные части ядер должны жить почти автономно. Расположенные на противоположных краях частицы почти не связаны. В ядре наблюдается так называемое явление насыщенности, т. е. взаимодействие происходит только у частиц, формирующих ядро. На остальные части ядра это взаимодействие вследствие короткого действия не распространяется, а силы электрического отталкивания, дальнодействующие по своей природе, действуют между всеми протонами, составляющими ядра.

При росте ядра чтобы притяжение могло расти быстрее электрического отталкивания прослойка нейтронов должна становиться от ядра к ядру, всё больше и больше. Тяжёлые ядра неустойчивы. Они делятся примерно на два одинаковых осколка, выпуская при этом свободные нейтроны. Эти нейтроны влетают в соседние ядра этого вещества, вызывая их деление. Новые деления вызывают новый поток нейтронов.

Процесс деления лавинообразно нарастает. Идёт цепная реакция, выделяется при этом огромное количество энергии. На этом построена атомная бомба. На этом же основано действие атомных реакторов. Там предусмотрена возможность управляемого ядерного деления за счёт поглощения избытка нейтронов.

Атомная бомба. При создании атомной бомбы надо было очистить уран и прежде всего – от примесей, захватывающие нейтроны. Бомба состоит из нескольких частей. Посредствам обычного взрыва они сближаются. Образуется критическая масса и происходит ядерный взрыв.

Схема устройства ядерного реактора.

Кроме реакции деления тяжёлых ядер существует ещё один способ освобождения внутриядерной энергии - реакция синтеза лёгких ядер или Термоядерная реакция

При слиянии лёгких ядер (два дейтона) высвобождается энергия. Трудно их соединить, поскольку велики силы кулоновского отталкивания. Один из способов сближения дейтона - создать температуру в десятки миллионов градусов. При таких температурах энергия теплового движения становится достаточной, чтобы преодолеть броню электрических сил. Ядра при соударениях сближаются настолько, что мезонные взаимодействия успевают сковать их. Происходит термоядерная реакция. При этом выделяется огромная энергия, от чего температура ещё больше повышается. Процесс ядерного горения становится самоподдерживающимся, пока не иссякает топливо. Это - горение всех звёзд, Солнца. Но там процесс несколько сложнее.

Происходит термоядерная реакция. При этом выделяется огромная энергия, отчего температура ещё больше повышается. Процесс ядерного горения становится самоподдерживающимся пока не иссякнет топливо. Это горение всех звёзд, Солнца.

Существует три вида цепной термоядерной реакции: 1. Медленная, самопроизвольно происходящая в недрах Солнца, звёзд.

2. Быстрая самоподдерживающаяся неуправляемая Т. Р. Примером может служить водородная бомба. Здесь высокая температура создаётся за счёт взрыва атомной бомбы.

3. Управляемая термоядерная реакция ТОКАМАК (тороидальная магнитная камера с током) Ученые предложили добывать изотоп тяжелого водорода дейтерий - из морской воды и подвергать реакции ядерного расплава при температурах около 100 миллионов градусов Цельсия. При ядерном расплаве дейтерий, полученный из одного килограмма морской воды будет способен произвести столько же энергии, сколько выделяется при сжигании 300 литров бензина

Специальная теория относительности n n 2 постулата специальной теории относительности. Принцип относительности Во всех система отсчёта все физические явления происходят одинаково при одних и тех же условиях. Принципы постоянства скорости света. Скорость света в вакууме одинакова и не зависит от скорости движения источника света.

В общей теории относительности Эйнштейн рассмотрел законы физики в произвольно движущихся системах координат. Им установлено единое понятие 4 -х мерного пространства времени, единое представление о инерциальной и гравитационной массе и их неразрывную связь с пространством - временем. Эйнштейн однажды сказал, что теорию относительности можно пояснить следующим образом: раньше считали, что если убрать из пространства всю материю, то пространство останется; согласно же релятивистским взглядам, «пустого» пространства быть не может.

Эйнштейн ввёл образ фундаментального элементарного объекта теории, отражающего физическую реальность нового типа. Это физическое событие, замещающее образ материально точки. Событие определённо в 4 -х мерном пространстве – времени. Здесь физической реальностью обладают не точка пространства, не момент времени, а событие. Понятие массы, энергии и импульса есть и в механике Ньютона, и в теории относительности, и в квантовой теории. Между ними не только количественное различие, обусловленное различиями в уравнениях, выражающих физические законы. Между ними различие качественное. Эйнштейн установил важнейшую связь между энергией и массой: E=m c 2

Мир Ньютона – это мир вещей(материальная точка, тело). Мир Эйнштейна – это мир событий. Мир Квантовой механики – это мир диалектики потенциальных возможностей и действительности. Критерий правильности теории – возможность предсказать новые явления и закономерности.

Гравитационные силы определяют структуру мегамира, соединяя планеты, звёзды в единую вселенную. Электромагнитные силы связывают атомы и молекулы, определяя облик нашего макромира. Слабые взаимодействия регулируют процессы распада тяжёлых частиц в лёгкие. Сильные взаимодействия обеспечивают связь ядер и ряд элементарных частиц.

4 фундаментальных бозона переносят взаимодействие между фундаментальными фермионами. γ (фотон) — переносчик электромагнитного взаимодействия, W, Z (промежуточные бозоны) — переносчики слабого взаимодействия, g (глюон) — переносчик сильного взаимодействия.

Иерархическая структура материи жизнь макромолекулы атомные ядра, электроны протоны нейтроны, частицы фундаментальные фермионы, калибровочные бозоны _________? ? ? __________