Кванты. Молекулы, атомы, ядра, поля-частицы

Явления столь малого масштаба, что они не могут быть описаны в классических терминах (атомные и субатомные системы), изучает квантовая механика. Например, начальное представление о свете было как о непрерывной электромагнитной волне. Однако на субмикроскопическом уровне свет испускается и поглощается дискретными порциями или, как назвали вначале, квантами. Небольшие порции энергии, которые тепловая энергия испускает и поглощает, позже были названы фотонами. Фотоны не имеют электрического заряда или массы покоя и являются переносчиками электромагнитного поля.

Наименьшие частицы, на которые может быть разделено чистое вещество и которые сохраняют его структуру и химические свойства – молекулы. При делении на более мелкие части, на атомы, происходит разрыв химических связей, которые удерживают вместе атомы в молекуле. Молекула инертных газов представляет собой единичный атом; все другие вещества – это двухатомные или многоатомные молекулы. Атомы одинаковы в простых веществах, таких как водород (Н₂ ) и различны в соединениях, таких как глюкоза (С₆Н₁₂О₆). В состав молекул различных веществ могут входить одинаковые атомы, но в различных соотношениях, как в окиси углерода (СО) и углекислом газе (СО₂). С помощью современных методов анализа и компьютеров можно определить и отобразить на экране размер и форму молекул, положение их ядер, электронных облаков и др.

Элементарные (субатомные) частицы представляют существующие независимо друг от друга порции вещества или энергии. Открытие электрона в 1897 и атомного ядра в1911 показало, что атом в действительности является составной частицей: в него входит облако электронов, окружающих очень маленькое, но тяжелое ядро. В начале 1930-х было обнаружено, что ядро состоит из еще более мелких частиц, названных протоном и нейтроном. В начале 1970-х было установлено, что эти частицы также состоят из нескольких типов еще более фундаментальных частиц, названных кварками. Совместно с несколькими типами лептонов кварки образуют фундаментальные «кирпичики» всего вещества. Третья группа элементарных частиц состоит из бозонов, которые переносят существующие во Вселенной силы. До настоящего времени обнаружено более 200 элементарных частиц, большинству из которых, по-видимому, соответствуют античастицы.

Фотоэффект

Фотоэффект – явление, в котором заряженные частицы высвобождаются из вещества, когда оно поглощает энергию излучения. Может быть представлено в виде испускания электронов поверхностью металлической пластины при падении на нее видимого света. Может происходить также и в том случае, когда излучение находится в диапазоне ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей или гамма-лучей. Излучающая поверхность может быть твердой, жидкой или газообразной, а испускаемые частицы могут быть как электронами, та и ионами. Фотоэффект был открыт Г. Герцем и объяснен А. Эйнштейном.

Излучение и поглощение света атомами и молекулами

При излучении энергия испускается из источника в виде потока атомных частиц или волн. Например, свет – форма электромагнитного излучения (дискретные порции энергии, называемые фотонами) или звук – форма акустического излучения. Обе формы – это волны с определенным набором частот и интенсивности. Существует также инфракрасное излучение (часть электромагнитного спектра от диапазона микроволн до красного конца видимого светового диапазона, радуга), тепловое излучение (излучение энергии с нагретой поверхности), ультрафиолетовое излучение (часть электромагнитного спектра, занимающая диапазон от фиолетового конца видимого спектра до области рентгеновских лучей).

Поглощение (абсорбция) – передача энергии от волны к среде, через которую волна распространяется. Энергия волны может быть отражена, пропущена или поглощена. Все вещества в той или иной мере поглощают энергию. Если поглощается только часть энергии, эту среду называют прозрачной по отношению к этому виду энергии. Если поглощается вся энергия, то среда называется непрозрачной, или темной. Например, резина поглощает инфракрасное и рентгеновское излучения, но непрозрачна для видимого света. Зеленое стекло прозрачно для зеленого цвета, но непрозрачно для синего и красного цветов (поглощает свет этих длин волн).

Лазеры. Волновые свойства атомов и молекул

Лазер – устройство, создающее интенсивный пучок света. Свет состоит из волн, имеющих постоянную разность фаз. Лазер нашел ценные применения в микрохирургии, технике связи, голографии, а также при сверлении отверстий в твердых материалах, ориентации при прокладке туннелей и дистанционных измерениях.

Атомная и термоядерная энергия

Атомная и термоядерная энергия – это внутренняя энергия атомного ядра, выделяющаяся при ядерных реакциях. Как известно, ядро состоит из протонов и нейтронов (общее название частиц – нуклонов). Они связаны притяжением друг к другу под действием ядерных сил и энергии взаимного отталкивания протонов под действием электростатических сил.

Ядерный синтез – это деление ядер на более мелкие осколки при взаимодействии с элементарными частицами, т.е. при бомбардировке веществ пучками ускоренных положительно заряженных частиц. Реакция ядерного синтеза является источником звездной энергии.

Ядерная цепная реакция – это реакция деления тяжелых ядер урана или плутония либо термоядерная реакция синтеза ядер гелия из более легких ядер.

Возможность протекания цепной реакции деления обусловлена тем, что в акте деления рождается более одного нейтрона. Каждый из них также может производить деление ядер. Следующее поколение нейтронов делит другие ядра и т.д. Предельные условия, когда в веществе может развиваться цепная реакция, называются критическими.

В качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах в ядерной физике и энергетике применяется тяжелая вода. Тяжелая вода – изотопная разновидность воды, в которой легкий атом водорода (Н₂О) замещен его тяжелым изотопом – дейтерием. Изотопы – это разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов. Химические свойства атомов, т.е. принадлежность атома к тому или иному химическому элементу, зависит от числа электронов и их расположения в электронной оболочке атома.

Место химического элемента в периодической системе элементов определяет его порядковый номер, равный числу электронов в оболочке атома или то же самое, числу протонов, содержащихся в атомном ядре. Кроме протонов, в ядро входят нейтроны, масса каждого из них приблизительно равна массе протона. Количество нейтронов может несколько отличаться от числа протонов, но это отличие только в определенных пределах. От соотношения протонов и нейтронов в ядре зависит стабильность и нестабильность ядра.

Ядерный взрыв – быстрое высвобождение ядерной энергии может быть атомным и водородным. Действие первого типа (атомная бомба) основано на высвобождении ядерной энергии при делении тяжелых ядер урана или плутония. Действие ядерного взрыва второго типа (водородная бомба) – на термоядерной реакции синтеза ядер гелия из более легких ядер (дейтерия, трития), при которой выделяется примерно в четыре раза больше энергии, чем при распаде одинакового количества делящегося вещества.

Ядерные реакции – основной метод изучения структуры ядра и его свойств. Однако их роль велика и за пределами физики. Реакция деления тяжелых ядер и синтеза легчайших ядер лежит в основе ядерной энергетики.

1.5. Физическая Вселенная: современная космология

Космические объекты и методы их исследования

Изучение космических объектов и явлений по наблюдениям их ультрафиолетового излучения (УФИ) дало много информации о химическом составе и процессах в межзвездной среде, на Солнце и других звездных объектах. Большая часть УФИ от Солнца поглощается озоновым слоем Земли. УФИ имеет малую проникающую способность, поэтому его воздействие на человека ограничивается кожным покровом. Это воздействие стимулирует производство витамина D, солнечный загар (а иногда и ожог), а также канцерогенные изменения. УФИ используется для стерилизации медицинского оборудования, а также для создания искусственного света.

Галактики и их разбегание. Галактика Млечный путь и ее соседи

Человеческий разум не в состоянии вместить представление о размерах Вселенной. Только в нашей Галактике свет от одного края спирали до другого будет идти 150000 лет при скорости 300 тыс. км/сек. Млечный путь – светящаяся полоса, определяющая плоскость галактического диска, содержит сотни миллиардов звезд. И таких галактик во Вселенной миллиарды… Самая далекая Галактика, которую обнаружили западноевропейские ученые в 2010 году, отстоит от Земли на расстоянии 13 млрд. световых лет. Даже в познании Солнечной системы, микроскопической для своей галактики, мы имеем море неизвестной информации. Например, почему Сатурн вращается по орбите против часовой стрелки, а остальные 8 планет – по часовой, или почему Нептун вращается вокруг своей оси против часовой стрелки, а все другие планеты – по часовой.

Модель Большого Взрыва и умозрительная совокупность случайностей

Согласно Модели Большого Взрыва необъяснимо, как масса материи случайно (сама по себе) взорвалась и разлетелась кусками по всей Вселенной. Затем все эти рваные глыбы случайно (сами по себе) превратились в идеально круглые шары. Затем случайно (сами по себе) они стали вращаться по часовой стрелке и, наконец, случайно (сами по себе) стали двигаться по своим орбитам, случайно не сталкиваясь друг с другом. Весь мир, вплоть до атома, случайно пришел в строгое, упорядоченное движение. Какой разум примет все это объяснение, не задаваясь вопросами, может ли вообще хаос порождать гармонию и может ли быть Нечто из Ничего?!

Закономерность триединого устройства Природы

Единое целое	Три не слитные, но и нераздельные части, образующие единое целое
Мироздание (космос)	Звезды (Солнца)	Планеты	Спутники
Мир планеты Земля	Животный	Растительный	Ископаемый
Органическая жизнь	Растения	Животные	Люди
Человек	Тело	Душа	Дух
Душа	Мыслительная часть (Разум)	Волевая часть	Чувственная часть
Животный мир	На суше	В воде	В воздухе
«Неживая» природа Земли	Металлы	Минералы	Земли (Почвы)
Земли (Почвы)	Песок	Глина	Чернозем
Растительный мир	Травы	Кустарники	Деревья
Растения	Стебель	Лист	Цвет (Плод)
Земные стихии	Земля	Вода	Воздух
Состояния воды	Жидкое	Твердое	Газообразное
Атмосфера	Тропосфера (воздух) для дыхания растений, животных и человека, до 10 км	Стратосфера (средний слой, включающий слой озона как защиту всего живого от ультрафиолетового излучения), до 50 км	Ионосфера (легкие газы), до 100 км и выше (до границы между атмосферой и космосом)
Состав воздуха	Азот (78,1%)	Кислород (21%)	Аргон (0,9%)

Возникновение и динамика звездных систем. «Темная материя». Современные научные представления о Земле

Звезды – самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскаленных газов, по своей природе сходны с Солнцем. Солнце кажется несравненно больше звезд только благодаря его близости к Земле. От Солнца до Земли свет идет 8,5 мин, а от ближней звезды Альфа Центавра – 4 года и три месяца. Из-за больших расстояний звезды и в телескоп видны как точки, а не как диски (в отличие от планет). Число звезд, видимых невооруженным глазом на обоих полушариях небесной сферы в безлунную ночь, составляет примерно 5 тыс. В мощные телескопы видны миллиарды звезд.

Звездный мир чрезвычайно многообразен. Некоторые звезды в миллионы раз больше (по объему) и ярче Солнца (звезды-гиганты), в то же время имеется множество звезд, которые по размерам и количеству излучаемой ими энергии значительно уступают Солнцу (звезды-карлики). Предполагается, что многие звезды, как и Солнце, имеют планетные системы. Вследствие дальности расстояния даже в самые мощные телескопы пока не удается увидеть такие спутники звезд. Наша планетная система не является исключительным явлением. На многих планетах, окружающих другие звезды, также вероятно существование жизни и Земля не представляет в этом отношении исключения.

Небесные объекты, наблюдаемые в виде темных пятен на более светлом фоне звездного неба, названы темными туманностями или «темной материей».