Важнейшая задача естествознания — o o o создание

Важнейшая задача естествознания - o o o создание естественнонаучной картины мира в виде целостной системы Для ее решения используются понятия: материя движении время пространство

Материя o o все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты весь окружающий нас мир, все существующее o Состав Вселенной ( в массовых %*) → o «Барионная материя» - тот тип материи, из которого сделаны люди Неизвестная форма «холодной темной материи» . Может образовывать собственные «галактики» , «звезды» и «планеты» , которые не излучают света. Неизвестная форма «темной энергии» o o

Атрибуты и виды материи Физический вакуум

Виды материи 1) Вещество 2) Физическое поле 3) Физический вакуум

o Время и пространство - всеобщие универсальные формы существования и движения материи

Время и пространство o Время форма последовательной смены явлений и состояний материи, характеризующая длительность их бытия. o Универсальные свойства времени: 1. длительность 2. неповторяемость 3. одномерность 4. необратимость

Время и пространство o Пространство выражает порядок сосуществования физических тел o В отличие от одномерного времени, реальное пространство трехмерно Выдвигаются гипотезы, согласно которым пространство нашей Вселенной имеет много измерений (например, 11 мерная супергравитация) , хотя наши органы чувств способны ощущать только три o

Неотъемлемое свойство материи – движение q Движение материи- любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействия q Основные формы движения материи: Механическая (наличие траектории) o Физическая (теплота, электромагнетизм, гравитация…) o Химическая (превращение атомов и молекул, связанное с перестройкой электронных оболочек атомов) o Биологическая (в живой природе) o Общественная (развитие общества) o

Взаимосвязанные свойства материи - энергия и масса o o Энергия – мера движения материи (количественная ее характеристика) Масса – мера инерции материи o o o Их взаимосвязь отражает Закон сохранения массы и энергии: в изолированной системе сумма масс и энергий постоянна Формулировка учитывает, что между массой m и энергией E существует взаимосвязь согласно уравнению Эйнштейна E=mc 2, где с – скорость света в пустоте (3 • 108 м/с).

Материя : 1) Вещество o o 1) 2) 3) 4) основной вид материи, обладающей массой К вещественным объектам относятся: элементарные частицы атомы молекулы многочисленные образованные из них материальные объекты

Элементарные частицы (мельчайшие известные частицы материи) o одни имеют сложную внутреннюю структуру, однако их невозможно разделить на части другие считаются бесструктурными – «фундаментальные частицы» q Вещество составляют фермионы — частицы с полуцелым o спином : 1/2, 3/2, и т. д. (например, электрон, протон, нейтрино) q Взаимодействие переносят бозоны — частицы с целым спином 0, 1, 2 и т. д. (например, фотон, глюон, мезоны).

Спин o – внутреннее свойство элементарных частиц, связанное с обыденным понятием вращения, но не идентичное ему o Пример: Пиковый туз выглядит неизменно только при полном обороте — на 360°. Поэтому говорят, что у него спин 1 Существуют частицы, которые остаются неизменными только после двух полных оборотов. О таких говорят, что они имеют спин 1/2 o o o - собственный момент импульса микрочастицы, имеющий квантовую природу -собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого

Классификация элементарных частиц (по массе) Символ Группа Название частицы Фотон Нейтрино электронное Нейтрино мюонное Нейтрино таонное Час ти ца γ νe νμ ντ Лептоны Электрон e– ~ νe ~ νμ Спин Время жизни (с) 0 1 Стабилен >0 0 1 / 2 Стабильно > 0 0 1 / 2 Стабильно 1 – 1 1 1 / 2 Стабильн 206, 8 3600 – 1 1 1 / 2 2, 2∙ 10– 6 5∙ 10– 13 ~ ντ Позитрон e+ μ– Мю-мезон (мюон) (Тау-лептон) Электри ческий заряд 0 Античастиц а Масса (в электрон ных массах) μ+ τ– τ+

Классификация элементарных частиц (продолжение) Символ Название частицы Группа Части ца π0 Электричес кий заряд Спин Время жизни (с) 264, 1 Античас тица Масса (в электрон ных массах) 0 0 0, 87∙ 10– 16 Пи-мезоны π+ π– 273, 1 1 – 1 0 2, 6∙ 10– 8 K + K – 966, 4 1 – 1 0 1, 24∙ 10– 8 K 0 ~ K 0 974, 1 0 0 ≈ 10– 10– 8 Протон p ~ p 1836, 1 1 – 1 1 / 2 Стабилен Нейтрон n ~ n 1838, 6 0 1 / 2 898 Омега-минусгиперон Ω– ~ Ω– 3273 – 1 1 1 / 2 0, 82∙ 10– 11 Мезоны К-мезоны Адроны Барионы

Фундаментальные частицы (бесструктурные) Элементарные частицы (фундаментальные) Фермионы / Кварки Фермионы / Лептоны Калибровочные бозоны Не обнаружены Верхний (u) • Нижний (d) • Очарованный (c) • Странный (s) • Истинный (t) • Прелестный (b) Электрон • Позитрон • Мюон • Тау-лептон • Нейтрино Фотон • W- и Z-бозоны • Глюон Бозон Хиггса • Гравитон • Другие гипотетические частицы

Фермионы / бозоны Стандартная модель элементарных частиц – три поколения материи Частицы разных поколений отличаются только массой и ароматом; все фундаментальные взаимодействия и квантовые числа идентичны Все обычные атомы содержат частицы первого поколения. Электроны окружают атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, которые содержат u- и d-кварки

Источники массы кварки и глюонное облако

Атомы o Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства o Химический элемент- совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра

Периодическая система элементов Группа → Период ↓ IA 1 1 H 2 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 3 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 4 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 5 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 6 55 Cs 56 Ba * 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 7 87 Fr 88 Ra ** 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111 Rg 112 Cn 113 Uut 114 Uuq 115 Uup 116 Uuh 117 Uus 118 Uuo IIA IIIB IVB VB VIIB VIIIB IB IIIA IVA VA VIIA VIII A 2 He

Карточка химического элемента 1 — обозначение химического элемента. 2 — русское название. 3 — порядковый номер химического элемента, равный количеству протонов в атоме. 4 — атомная масса. 5 — распределение электронов по энергетическим уровням. 6 — электронная конфигурация.

Обозначения химического элемента o 12 С 6 атомная масса атом углерода с зарядом ядра, равным 6 и атомной массой, равной 12 Символ элемента порядковый номер o Pb 4+ - ион свинца с o Н 2 - молекула, зарядом 4+ водорода, состоящая из двух атомов водорода заряд иона число атомов в молекуле

Вещество o o o Простое вещество – форма существования химических элементов в свободном состоянии Простые или элементарные вещества состоят из атомов одного химического элемента (He, H 2, I 2) Cтроение молекулы иода Сложное вещество (или химическое соединение) состоит из разных атомов (H 2 О, Na. Cl, С 2 H 5 ОН) Cтроение хлорида натрия

Молекулы o Молекула- o Молекулы – составные части вещества o наименьшая частица индивидуального вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из одинаковых или различных атомов Могут быть одно-, двух- и многоатомными o o Модели молекул и названия веществ, входящих в состав лесного воздуха: 1 - азот, 2 - кислород, 3 - аргон, 4 - углекислый газ, 5 - вода, 6 - озон (образуется из кислорода при грозовых разрядах), 7 - терпинеол (выделяется хвойными деревьями).

Агрегатное состояние вещества q состояние вещества, характеризующееся способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка q Твёрдое тело. Присутствует как дальний, так и ближний порядок Жидкость. Присутствует только ближний порядок Газ Расстояния между ними гораздо больше их размеров q q

Другие агрегатные состояния o o Плазма отличается от газа большой степенью ионизации атомов. Фазовым состоянием большей части барионного вещества (по массе ок. 99, 9 %) во Вселенной является плазма. Конденсат Бозе — Эйнштейнапри охлаждени бозе-газа до температур, близких к абсолютному нулю. Фермионный конденсат Вырожденная материя Электронно-вырожденный газ, наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звезд. Плазменная декоративная лампа

Темная материя и темная энергия o o o Доля обычного вещества (протонов, атомных ядер, электронов) в суммарной энергии в современной Вселенной составляет всего 5%. Помимо обычного вещества во Вселенной имеются и реликтовые нейтрино. Их вклад в полную энергию (массу) во Вселенной невелик, поскольку массы нейтрино малы, и составляет не более 3%. Оставшиеся 90– 95% полной энергии во Вселенной — «неизвестно что» . Более того, это «неизвестно что» состоит из двух фракций — темной материи и темной энергии

Тёмная материя o o o Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц. Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках (например, с помощью гравитационного линзирования) Гравитационное линзирование

Тёмная материя o o o — в астрономии и космологии, это гипотетическая форма материи, которая не испускает и не взаимодействует с электромагнитным излучением Это свойство данной формы вещества делает невозможным прямое наблюдение. Но возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемой ею гравитационным эффектам o Распределение галактик во Вселенной, полученное в результате расчёта на суперкомпьютере по модели с холодной тёмной материей

Темная энергия – главная загадка фундаментальной физики XXI века o o Темная энергия — гораздо o более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и o скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. o Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот. Для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи.

Темная энергия o o Один из кандидатов на роль темной энергии — вакуум Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума o Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция»

Материя : 2) Физическое поле q Поле - одна из форм материи, характеризующая все точки пространства и времени, и поэтому обладающая бесконечным числом степеней свободы * q Физические поля связывают составные части вещества в единые системы 1. электромагнитное - посредством него осуществляются электромагнитные взаимодействия; представляет собой единство электрического и магнитного полей 2. гравитационное. Гравитационное поле - поле, которое создает вокруг себя тело, обладающее массой. Посредством гравитационных полей осуществляется взаимодействие физических объектов 3. поле ядерных сил 4. волновые (квантовые) поля, соответствующие различным частицам (напр. электрон-позитронное поле)

Фундаментальные взаимодействия –основная причина движения материи o o o o Проявляются физические поля в виде взаимодействия тел, переносимого с конечной скоростью Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом (m • v) —основными характеристиками их движения В природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий ( не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий): сильное электромагнитное слабое гравитационное

Фундаментальные физические взаимодействия № Природа взаимодействия Участники взаимодействия Относительная сила взаимодействи я Радиус взаимодействия, м Носители взаимодействия 1 Сильное Протоны и нейтроны 1, 0 короткодействующее Глюоны Электромагнитное Электрические заряды ~10 -2 дальнодействующее 2 3 4 Слабое Гравитационное Все элементар ные частицы Масса ~10 -10 -10 -11 порядка и менее 10– 15 Фотоны ∞ короткодействующее W- и Z-бозоны 10– 18 ~10 -38 дальнодействующее ∞ Гравитоны (гипотетические частицы) (калибровочные бозоны со спином 2)

Сильное (или ядерное) взаимодействие o o o Обеспечивает связь нуклонов в ядре Отвечает за стабильность атомных ядер Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро

Природа электромагнитного взаимодействия o Обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей o Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное—при их движении Взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Электромагнитное взаимодействие: o существование атомов и молекул o химические превращения вещества o Межмолекулярное взаимодействие, электромагнитное по своей природе, обуславливает: различные агрегатные состояния вещества, трение, упругость и т. п. o o Электростатические (кулоновские) силы притяжения между + заряженным ядром атома и ─ заряженными электронами между + и ─ заряженными ионами

Слабое взаимодействие o o участвуют все элементарные частицы, кроме фотона обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом o o o проявляется главным образом в процессах бета-распада: свободных нейтронов _ no→ p++ e- + νe q o атомных ядер многих изотопов В β − - распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и антинейтрино: На фундаментальном уровне это обусловлено превращением d-кварка в uкварк с испусканием W-бозона.

Гравитационное взаимодействие o o o Проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу Описывается законом всемирного тяготения Ньютона: сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m 1 и m 2, разделёнными расстоянием r, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния Закон всемирного тяготения описывает -падение материальных тел в поле Земли -движение планет Солнечной системы, звезд и т. п. G — гравитационная постоянная, равная примерно м³/(кг·с²).

Станда ртная моде ль – теория всех негравитационных сил, действующих в природе o o Станда ртная моде ль — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию. Теория работает в интервале расстояний, начиная с длины Планка и заканчивая размерами Вселенной

Станда ртная моде ль – теория всех негравитационных сил, действующих в природе o Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; o заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; o нейтрино — только в слабых взаимодействиях o Всё вещество состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, и три сорта нейтрино) и 6 кварков (u, d, s, c, b, t), которые можно объединить в три поколения фермионов.

Материя : 3) Физический вакуум o o низшее энергетическое состояние квантового поля Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нем рождаются виртуальные частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время Виртуальные частицы влияют на физические процессы Предполагается, что из физического вакуума, находящегося в возбужденном состоянии, родилась Вселенная→

Cтруктурная и системная организация материи o o - выражает упорядоченность существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и уровней Структура материи – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе Материальная система - относительно обособленная часть материального мира, имеющая свои внутренние законы существования и развития - множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность, единство Наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы—из атомов, атом— из ядер и электронов, атомные ядра—из нуклонов, нуклоны—из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и гипотетические частицы кварки не содержат более мелких частиц.

Иерархия материальных систем: o o o физическая химическая биологическая социальная техническая

Типы материальных систем: o o o o 1) элементарные частицы 2) поля 3) атомы 4) молекулы 5) макроскопические тела 6) геологические системы 7) и т. д.

Структурные уровни организации материи

Материальные системы (масштабный признак) q микромир включает в себя фундаментальные (элементарные) частицы, атомы и молекулы размеры: 10 -8 - 10 -16, время жизни: от ∞ до 10 -24 сек. q макромир -мир, в котором мы живем q -материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул протяженные величины : мм , см , км время: секунды, минуты , часы, годы q q мегамир планет, звезд, галактик q Вселенной расстояние: световые годы время существования косм. объектов : млн и млр лет q

Размеры материальных систем макро-, микро- и мегамира Материальные объекты Размер, м ( с точностью до одного порядка чисел) Радиус космологического горизонта или наблюдаемой Вселенной 1026 Диаметр нашей галактики 1021 Расстояние от Земли до Солнца 1011 Диаметр Солнца 109 Размеры человека 100 Длина волны видимого света 10 -6 - 10 -7 Диаметр атома водорода 10 -10 Диаметр атомного ядра 10 -15 Минимальное расстояние, доступное современным средствам измерений 10 -18

Различие характера доминирующих процессов и законов в материальных системах макро-, микро- и мегамира Микромир – при объяснении процессов используются: - принципы и теории квантовой механики - квантовой статистики и т. п. q Макромир – изучение материальных объектов основано на: - законах и теориях классической механики Ньютона - термодинамике - статистической физике - классической электродинамике Максвелла q Мегамир – происхождение и Эволюция Вселенной объясняется на основании: - квантовой теории поля - теории относительности - М- теория (объединяет 5 теорий струн и 11 мерную супергравитацию в единую теоретическую схему) -разрабатывается теория квантовой гравитации (теория, объединяющая квантовую механику и общую теорию относительности) q ∆x • ∆Px ≥h/2π Теория суперструн

Различие между материальными объектами микро- и макромира: o Тождественность микрочастиц o Принцип тождественности (квантово-механистический принцип): Состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. В квантовой механике тождественные частицы лишены индивидуальности. q o Индивидуальность макросистем q В природе не существует двух совершенно одинаковых макросистем. Индивидуальность может проявляться и на молекулярном уровне (например, химические изомеры)

Итак! можно говорить о материальном единстве всех систем микро-, макро- и мегамира o o o Материальное единство всех систем - важнейшая концепция современного естествознания В основе этого единства лежит материальность всех элементарных частиц, которые везде одинаковы – на Земле и в космическом пространстве Свидетельство материального единства природы и Вселенной в целом – универсальность фундаментальных законов

Фундаментальные физические законы o Фундаментальные законы – универсальныприменимы к объектам всего мира o Закон сохранения энергии и импульса описывает: движение тел на Земле взаимодействие элементарных частиц движение планет , звезд и т. п. o o o