Содержание
Введение
1 Объекты микромира
2 Концепции микромира и квантовая механика
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Становление теорииатомно-молекулярного строения мира приходится на начало 19 века, хотя ещеДемокрит предполагал, что Вселенная слагается из мельчайших неделимых частиц,однако доказать экспериментально, что каждый химический элемент состоит изодинаковых атомов, удалось лишь в 1808 году. Сделал это английский химик ифизик Дж.Дальтон — создатель химического атомизма, а в 1811 году итальянскийфизик и химик А.Авогадро выдвинул гипотезу молекулярного строения веществ (вчастности, простых газов).
Вконце XIX — начале XX вв. физика вышла на новый уровень исследований. Понятия ипринципы классической физики оказались неприменимыми не только к изучениюсвойств пространства и времени, но еще в большей мере к исследованию физическихсвойств мельчайших частиц материи или микрообъектов, таких, как электроны,протоны, нейтроны, атомы и подобные им объекты, которые часто называют атомнымичастицами. Они образуют невидимый нами микромир.
Впервое время физики были поражены необычными свойствами тех мельчайших частицматерии, которые они изучали в микромире. Попытки описать, а тем болееобъяснить свойства микрочастиц с помощью понятий и принципов классическойфизики потерпели явную неудачу. Поиски новых понятий и методов объяснения, вконце концов, привели к возникновению новой квантовой механики, кокончательному построению и обоснованию которой значительный вклад внесли Э.Шредингер (1887 – 1961), В. Гейзенберг (1901 – 1976), М. Борн (1882 – 1970). Всамом начале эта механика была названа волновой в противоположностьобычной механике, которая рассматривает свои объекты как состоящие изкорпускул, или частиц. В дальнейшем для механики микрообъектов утвердилосьназвание квантовой механики.
Все вышесказанное обосновываетактуальность данной темы.
Цель работы: всестороннееизучение и анализ микромира и его объектов.
Работа состоит извведения, двух глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объемработы 14 страниц.
1 Объекты микромира
Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных имявлений обычно разделяется на три качественно различные области — микро-,макро- и мегамиры (см. таблицу). Уровни Условные границы Размер, м Масса, кг Микромир
r
m Макромир
r ~ 10-8 — 107
m ~10-10 – 1020 Мегамир
r >107
m > 1020
Понятие «Микромир»охватывает фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.
Элементарные частицы – это частицы, входящие в состав прежде«неделимого» атома. К ним относят также и те частицы, которые получают припомощи мощных ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, которые возникаютпри прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют миллионныедоли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы илииспускают энергию в форме излучения. К наиболее известным элементарным частицамотносятся электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. В строгом смысле словаэлементарные частицы не должны содержать в себе какие-либо другие частицы.Однако далеко не все из наиболее известных элементарных частиц удовлетворяют этомутребованию. Было обнаружено, что элементарные частицы могут взаимнопревращаться, т.е. не являются «последними кирпичиками» мироздания. В настоящеевремя уже известны сотни элементарных частиц, хотя согласно теории их число недолжно быть особенно большим. Новейшие исследования, в частности, подтверждаютвыдвинутую ранее гипотезу о существовании еще «более элементарных» частиц –кварков.
Первой элементарнойчастицей, открытой в физике, стал электрон, который в 1897 году, изучая газовыеразряды открыл английский физик Джозеф Томсон и измерил отношение его заряда кмассе. Электрон — один из основных структурных элементов вещества;электронные оболочки атомов определяют оптические, электрические, магнитные ихимические свойства атомов и молекул, а также большинство свойств твердых тел.
В обычномупотреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являютсяатомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона. Послеустановления сложной структуры многих элементарных частиц потребовалось ввестиновое понятие – фундаментальные частицы, под которыми понимаютсямикрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в видеобъединения других свободной частиц.
Во всех взаимодействиях элементарные частицы ведут себя как единоецелое. Характеристиками элементарных частиц являются, кроме массы покоя,электрического заряда, спина, также такие специфические характеристики(квантовые числа), как барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странностьи т.п.
В настоящее время достаточно много известно об атомарном строениивещества и элементарных частицах. Поскольку элементарные частицы способны квзаимным превращениям, это не позволяет рассматривать их, так же как и атом, вкачестве простейших, неизменных «кирпичиков мироздания». Число элементарныхчастиц очень велико. Всего открыто более 350 элементарных частиц, из которыхстабильны лишь фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и ихантичастицы (каждая элементарная частица, за исключением абсолютно нейтральных,имеет свою античастицу). Остальные элементарные частицы самопроизвольнораспадаются за время от 103 с (свободный нейтрон) до 10-22-10-24 с (резонансы).
Существуетнесколько групп элементарных частиц, различающихся по своим свойствам ихарактеру взаимодействия, которые принято делить на две большие группы: фермионыи бозоны (см. рисунок).
Фермионы составляют вещество, бозоныпереносятвзаимодействие.
Лептоны (от греч. легкий) — частицы соспином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейсявнутренней характеристикой — лептонным зарядом, могут быть нейтральными.Заряженные лептоны могут, как и электроны (относящиеся к их числу) вращатьсявокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда могут проходитьбеспрепятственно через вещество (хоть через всю Землю) не взаимодействуя с ним.У каждой частицы есть античастица, отличающаяся только зарядом.
/>
Адроны — элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальныхвзаимодействиях, включая сильное; характерным для адронов сильнымвзаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин (законовсохранения). Адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям,адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из трех кварков;мезоны — из кварка и антикварка.
Отдельную «группу» составляет фотон.
При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможныепревращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), незапрещаемые законами сохранения.
Атомом (от греч.atomos — неделимый) называют часть веществамикроскопических размеров и массы, мельчайшую частицу химического элемента,сохраняющую его свойства. Атомы состоят из элементарных частиц и имеют сложнуювнутреннюю структуру, представляя собой целостную ядерно-электронную систему. Вцентре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточенапочти вся масса атома; вокруг движутся электроны, образующие электронныеоболочки, размеры которых (~10-8 см)определяют размеры атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Числоэлектронов в атоме равно числу протонов в ядре (заряд всех электронов атомаравен заряду ядра), число протонов равно порядковому номеру элемента впериодической системе. Атомы могут присоединять или отдавать электроны,становясь отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические свойстваатомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке;соединяясь химически, атомы образуют молекулы.
Важная характеристика атома— его внутренняя энергия, которая может принимать лишь определенные(дискретные) значения, соответствующие устойчивым состояниям атома, иизменяется только скачкообразно путем квантового перехода. Поглощаяопределенную порцию энергии, атом переходит в возбужденное состояние (на болеевысокий уровень энергии). Из возбужденного состояния атом, испуская фотон,может перейти в состояние с меньшей энергией (на более низкий уровень энергии).Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным,остальные — возбужденными. Квантовые переходы обусловливают атомные спектрыпоглощения и испускания, индивидуальные для атомов всех химических элементов.
Подядроматома понимается его центральная часть, в которой сосредоточена практическився масса атома и весь его положительный заряд. Ядро состоит из нуклонов –протонов и нейтронов (обозначение p и n). Масса протона mP =1,673×10-27 =1,836me, mn= 1,675×10-27 = 1835,5me. Масса ядране равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него (т.н. «дефект масс»).Протон несет элементарный положительный заряд, нейтрон – частица незаряженная.Число электронов в атоме равно порядковому номеру Z элемента в таблицеМенделеева, а число протонов, поскольку в целом атом нейтрален, равно числуэлектронов. Тогда число нейтронов в ядре определяется следующим образом: NP= A – Z, где А – массовое число, т.е. целое число, ближайшее катомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (числопротонов). Для обозначения ядер применяется запись ZXA,где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра содинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Сейчас известно более 300устойчивых и более 1000 неустойчивых изотопов. С неустойчивыми изотопамисвязано явление радиоактивности – ядерного распада.
Ядро в целом– устойчивая система, для его разрушения необходимо затратить энергию. Этаэнергия называется энергией связи ядра. Энергия связи, приходящаяся наодин нуклон, называется удельной энергией связи. Нуклоны в ядреудерживаются ядерными силами, представляющими сильное взаимодействие и имеют обменныйхарактер. Ядерные силы обладают рядом свойств:
1. Ядерныесилы являются короткодействующими (радиус действия порядка 10-15 м)На этих расстояниях они значительно превышают кулоновские силы отталкиванияпротонов. При значительном уменьшении расстояния притяжение нуклонов сменяетсяотталкиванием.
2. Ядерныесилы обладают зарядовой независимостью, т.е. действуют как между заряженными,так и между нейтральными частицами.
3. Ядерныесилы обладают свойствами насыщения. Это означает, что каждый нуклон в ядревзаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов.
4. Ядерныесилы не являются центральными. Их величина зависит от ориентации спинов частиц.
Молекулы — это очередной послеатомов качественный уровень строения и эволюции вещества. Молекула – микрочастица, образованнаяиз атомов и способная к самостоятельному существованию, обладающая его главнымихимическими свойствами. Имеет постоянный состав входящих в нее атомных ядер ификсированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющихотличать молекулы одного вида от молекул другого. Число атомов в молекуле можетбыть различным: от двух до сотен тысяч.
Молекулыпростых веществ состоят из одинаковых атомов, сложных – из разных атомов.Существует большое количество соединений, молекулы которых состоят из многихтысяч атомов — макромолекулы.
Подчеркивая целостность молекул, органическое единство ихсоставных частей, современное естествознание характеризует движение молекул какдвижение самостоятельных и целостных систем, а не как простую суммуразрозненных движений отдельных образующих их частиц (атомов, ядер иэлектронов). Те взаимодействия молекул, которые не сопровождаются изменением ихструктуры, изучаются физикой и называются физическими. Взаимодействия жемолекул, приводящие к их качественным взаимопревращениям, перестройке ихвнутренних связей, называются химическими и изучаются химией.
2 Концепции микромира и квантовая механика
Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовуюмеханику (иногда ее еще называют волновой механикой). Квантовой механикойназывают теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарныхчастиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов),а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическимивеличинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механикисоставляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснитьстроение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическуюсистему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарныхчастиц.
Разработка квантовой механики относится к началу XX века, когда былиобнаружены две, казалось бы, не связанные между собой группы явлений(установление на опыте двойственной природы света — дуализма света иневозможность объяснить на основе имевшихся представлений существованиеустойчивых атомов и их оптические спектры), свидетельствующих о неприменимостимеханики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействиясвета с веществом и к процессам, происходящим в атоме. Установление связи междуэтими группами явлений и попытки объяснить их на основе новой теории и привелик открытию законов квантовой механики.
Впервые представления о кванте ввел в 1900 годуМ.Планк в работе, посвященной теории теплового излучения тел. Существовавшая вто время теория теплового излучения, построенная на основе классическойэлектродинамики и статистической физики, приводила к бессмысленномурезультату,. Планк разрешил противоречие о том, что тепловое равновесие междуизлучением и веществом не может быть достигнуто, так как вся энергия должнаперейти в излучение, предположив, что свет испускается не непрерывно, какследует из классической теории излучения, а дискретными порциями энергии — квантами, причем величина кванта энергии зависит от частоты света.
Эта работа Планка стимулировала развитие квантовой механики в двухвзаимосвязанных направлениях: первое направление — теория фотоэффектаЭйнштейна, который предположил, что свет квантами не только испускается ипоглощается, но и распространяется, т.е. дискретность присуща самому свету:свет состоит из отдельных порций — световых квантов (фотонов).
В 1922 году А.Комптон экспериментально показал, что рассеяниесвета свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двухчастиц — фотона и электрона. Таким образом, было доказано, что наряду сизвестными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции света —огибании светом различных препятствий) свет обладает и корпускулярнымисвойствами: он состоит как бы из частиц — фотонов. Возникло формальноелогическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо считать, чтосвет имеет волновую природу, а объяснение других предполагало егокорпускулярную природу.
В 1924 году Л. де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщностикорпускулярно-волнового дуализма, согласно которой каждой частице независимо отее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой связана симпульсом частицы, при этом не только фотоны, но и все «обыкновенные частицы»(электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности,должны проявляться в дифракции частиц.
В 1926 году Э.Шрёдингер предложил уравнение,описывающее поведение таких «волн» во внешних силовых полях, — возниклаволновая механика. Волновое уравнение Шрёдингера является основным уравнениемнерелятивистской квантовой механики. В 1928 году П.Дирак сформулировалрелятивистское уравнение, которое описывает движение электрона во внешнемсиловом поле и стало одним из основных уравнений релятивистской квантовоймеханики.
Второе направление развития начинается с работы Эйнштейна,посвященной теории теплоемкости твердых тел. Обобщая идею квантования энергииосциллятора электромагнитного поля на осциллятор произвольной природы, он утверждал,что если тепловое движение твердых тел сводится к колебаниям атомов, то итвердое тело динамически эквивалентно набору осцилляторов с квантованнойэнергией, т.е. разность соседних уровней энергии равна ħv, где v — частота колебанийатомов.
В 1913 году Н.Бор применил идею квантования энергии к теориистроения атома, планетарная модель которого следовала из результатов опытовЭ.Резерфорда. Согласно этой модели, в центре атома находится положительнозаряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядравращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Рассмотрение такогодвижения на основе представлений классической электродинамики приводило к парадоксальномурезультату — невозможности существования стабильных атомов. Дело в том, что,согласно этим представлениям, электрон не может устойчиво двигаться по орбите,поскольку вращающийся электрический заряд должен излучать электромагнитныеволны и, следовательно, терять энергию, а радиус его орбиты должен непрерывноуменьшаться, и через время 10-8 с электрон должен упасть на ядро.Однако атомы не только существуют, но и весьма устойчивы.
Объясняя устойчивость атомов, Борпредположил, что из всех орбит, допускаемых классической механикой для движенияэлектрона в электрическом поле атомного ядра, реально осуществляются лишь те,которые удовлетворяют определенным условиям квантования, а именно величинадействия для классической орбиты должна быть кратной постоянной Планка. Борпостулировал, что электрон, совершая допускаемое условиями квантования орбитдвижение (т.е. находясь на определенном уровне энергии), не испускает световыхволн. Излучение происходит лишь при переходе электрона с одной орбиты надругую, т.е. с одного уровня энергии на другой, с меньшей энергией; при этомрождается квант света. В результате этого возникает линейчатый спектр атома.Бор получил формулу для частот спектра, линий атома водорода (иводородоподобных атомов), охватывающую совокупность открытых ранее эмпирическихформул.
Таким образом, Бор, используя квант, постоянную Планка, отражающуюдуализм света, показал, что эта величина определяет также движение электронов ватоме. Этот факт позднее был объяснен на основе универсальности корпускулярно-волновогодуализма, в соответствии с которым понятия частицы и волны, с одной стороны,дополняют друг друга, а с другой — противоречат друг другу. Он связан также соспособами изучения явлений микромира. Существуют два типа приборов: в одних квантовыеобъекты ведут себя как волны, в других — как частицы, поэтому экспериментальноможно наблюдать квантовые явления, на которые налагается взаимодействиеприборов с микрообъектом, а не реальность как таковую.
Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела к пониманию,что движение электронов в атоме нельзя описывать в терминах классическоймеханики (как движение по определенной траектории или орбите), посколькудвижение электрона между уровнями не подчиняется законам, определяющимповедение электронов в атоме. Была необходима новая теория, в которую входилибы только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарнымсостояниям атома.
В 1925 году В.Гейзенберг построил формальную схему, где вместокоординат и скоростей электрона фигурировали абстрактные алгебраическиевеличины — матрицы. Связь матриц с наблюдаемыми величинами (уровнями энергии иинтенсивностями квантов, переходов) описывалась простыми непротиворечивымиправилами Уравнение Шрёдингера позволило показать математическую эквивалентностьволновой (основанной на уравнении Шрёдингера) и матричной механики. В 1926 годуБорн дал вероятностную интерпретацию волн де Бройля.
Большую роль в создании квантовой механики сыграли работыП.Дирака, который заложил основы квантовой электродинамики и квантовой теориигравитации, разработал квантовую статистику, релятивистскую теорию движенияэлектрона, предсказал позитрон и т.д. Окончательное формирование квантовоймеханики произошло в результате работ Гейзенберга.
В течение короткого времени квантовую механику с успехом применилидля создания теории атомных спектров, строения молекул, химической связи,периодической системы элементов, металлической проводимости и ферромагнетизма.Дальнейшее принципиальное развитие квантовой теории связано главным образом срелятивистской квантовой механикой.
Заключение
Таким образом, микромир –это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов,пространственная разномерность которых исчисляется от 10~8 до 10~16см, а время жизни – от бесконечности до 10~24 секунд.
Объектами микромираявляются фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.
Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовуюмеханику, законы которой составляют фундамент изучения строения вещества. Онипозволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи,объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер,изучать свойства элементарных частиц.
Список использованной литературы
1. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания:Учебное пособие для студентов вузов / В.П.Бондарев. — М.:Альфа-М, 2003. — 464 с.
2. ГрушевицкаяТ.Г. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие / Т.Г.Грушевицкая,А.П.Садохин. — М.: Высшая школа, 1998. — 383 с.
3.Грядовой Д.И. Концепции современногоестествознания: Структурный курс основ естествознания / Д.И.Грядовой. — М.,2000. – 208 с.
4. Концепциисовременного естествознания. Учебник для ВУЗов / В.Н.Лавриненко, В.П. Ратников,В.Ф.Голубь и др. – М: ЮНИТИ, 1999. — 271 с.
5. Концепциисовременного естествознания. Лекции для студентов дистанционного отделенияУГАТУ. – Уфа, 2005. — [Электронный ресурс].Режим доступа:www.ugatu.ac.ru/ddo/KSE/01/index12.htm, свободный
6. Найдыш В.М.Концепции современного естествознания: Учебник / В.М.Найдыш. – М.: ИНФРА-М,2004. – 476 с.