Будова атомів. Квантові числа. Механізм випромінювання електромагнітних хвиль атомами й молекулами. Спонтанне і вимушене випромінювання.
Відкриття складної будови атома - найважливіший етап становлення сучасної фізики. У давні часи і далі атоми вважалися неподільними. Велику роль у розвитку атомістичної теорії зіграв Д. І. Менделєєв, який розробив в 1869 періодичну систему елементів. У другій половині XIX було експериментально доведено, що електрон є однією з основних частин будь-якої речовини. Перші непрямі підтвердження про складну структуру атомів були отримані при вивченні катодних променів, які виникають при електричному розряді в сильно розріджених газах. Вивчення з-в цих променів привело до висновку, що вони представляють собою потік дрібних частинок, що несуть негативний електронний заряд і летять зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Це і є електрони. Заряд електрона є найменший електричний заряд. Томсон запропонував першу модель атома, за якою атом - згусток матерії, що володіє позитивним електричним зарядом, в який вкраплені стільки електронів, що в цілому атом - електрично нейтральне освіту. Але ця модель не пояснювала випускання позитивно заряджених частинок. Експерименти Резерфорда стали основою для створення протонно-нейтронної моделі атома. Ця модель і визначає сучасні уявлення про будову атома. У центрі атома знаходиться атомне ядро, весь інший об'єм - це електрони. Всередині ядра електронів немає, ядро складається з позитивно заряджених протонів і не мають заряду нейтронів. Число електронів в атомі дорівнює числу протонів у ядрі. Вся маса атома зосереджена в ядрі. Електрони рухаються навколо ядра (планетарна модель). Ця модель необхідна для пояснення досвіду по розсіюванню а-частинок, але вона суперечить законам механіки та електродинаміки, тому що не дозволяє пояснити стійкість атома. Адже рух електронів по орбітах відбувається з прискоренням. Але атоми стійкі і в збудженому стані можуть існувати необмежено довго, не випромінюючи електромагнітних хвиль.
Це довів Бор, який ввів свої квантові постулати, що визначають будову атома і умови випускання і поглинання ним електромагнітного випромінювання:
Атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних, чи квантових, станах, кожному з яких відповідає певна енергія Е. У стаціонарному стані атом не випромінює.
При переході атома з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається квант електромагнітної енергії.
Перехід атома зі стану з меншою енергією в стан з більшою можливий тільки при поглощеені атомів енергії. Випромінювання відбувається при переході атома зі стану з більшою енергією в стан з меншою. Енергія фотона дорівнює різниці енергій атома в двох його стаціонарних станах:
Випромінювання, що випускається при мимовільному переході атома з одного стану в інший, називається спонтанним. Спонтанне випромінювання різних атомів відбувається некогерентно, так як кожен атом починає і закінчує випромінювання незалежно від інших. У 1916 Ейнштейн передбачив, що переходи електрона в атомі з верхнього енергетичного рівня на нижній з випусканням випромінювання можуть відбуватися під впливом зовнішнього електромагнітного поля. Таке випромінювання називають вимушеним чи індукованим.
Атомні ядра і нуклони. Ізотопи. Дефект маси і енергія зв'язку ядер. Поділ ядер і термоядерний синтез. Ланцюгова реакція.
Згідно протонно-нейтронної моделі атомні ядра складаються з елементарних часток двох видів: протонів і нейтронів. Протони - це елементарні частинки, які є ядрами атомів найлегшого елементу - водню. Число протонів в ядрі одно порядковому номеру елемента в таблиці Менделєєва і позначається Z. Протон має позитивний електричний заряд, за абсолютним значенням рівний елементарному електричному заряду. Протон має кінцеві розміри близько 10-13 см, хоча його не можна представити як твердий кулька, скоріше він нагадує хмара з розмитою кордоном, що складається з народжуються і аннігулірующіх віртуальних частинок. Нейтрони електрично нейтральний, тобто його заряд дорівнює 0. Нейтрон стійкий лише в складі стабільних атомних ядер, вільний нейтрон розпадається на електрон, протон і електронне антинейтрино. У речовині у вільному вигляді нейтрони існують ще менше часу внаслідок сильного поглинання їх ядрами. Загальна назва протона і нейтрона - нуклон. У ядрі нуклони зв'язані силами особливого роду - ядерними. Проведені виміри показали, що розміри ядер атомів усіх елементів порядку 10-15 - 10-14 м, що в десятки тисяч разів менше розмірів атома.
Ізотопи - різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента, що відрізняються числом нейтронів ускладі ядра. Хімічно прості природні речовини є сумішшю ізотопів.
Маасу ядра визначається масою входять до його складу нейтронів і протонів. Оскільки будь-яке ядро складається з Z протонів і N нейтронів N = AZ, де А - масове число нуклонів у ядрі, то на перший погляд маса ядра повинна просто дорівнювати сумі мас протонів і нейтронів. Однак, як показують результати вимірів, реальна маса завжди менше такої суми. Їх різниця отримала назву дефекту маси Dm.
Мінімальна енергія DЕсв, яку потрібно затратити для поділу атомного ядра на складові його нуклони, називається енергією зв'язку ядра. Ця енергія витрачається на здійснення роботи проти дії ядерних сил тяжіння між нуклонами. На підставі закону збереження енергії можна стверджувати, що при утворенні ядра з окремих нуклонів виділяється енергія, що дорівнює енергії зв'язку. Енергія зв'язку дуже велика. З енергією зв'язку безпосередньо пов'язано походження дефекту маси. Езв = Dmс2.
Розподіл атомних ядер - це особливий процес, характерний тільки для самих важких ядер, починаючи від торію і далі у бік великих Z. Цей процес може відбуватися під дією різних частинок (в основному нейтронів) і носить характер ядерної реакції. Але може відбуватися спонтанно і носити характер особливого виду радіоактивного розпаду. Суть процесу поділу полягає в розколюванні важкого ядра на два осколки з приблизно рівними зарядами і масами. Щоб розподіл сталося, ядро повинно деформуватися, витягнутися, що вимагає початкових витрат Енегрія. Цю енергію воно отримує при захопленні якоїсь частинки. Інший спосіб - чим важче ядро, тим менше період спонтанного поділу.
Так як між атомними ядрами на малих відстанях діють ядерні сили тяжіння, при зближенні двох ядер можливо їх злиття, тобто синтез більш важкого ядра. Ядра повинні володіти достатньою кінетичною енергією, щоб подолати електростатичне відштовхування. У природі реакції синтезу відбуваються в дуже гарячому речовині: в надрах зірок. Ядерний синтез, що відбувається в розігрітому речовині, називається термоядерним. Особливість термоядерних реакцій як джерела енергії - дуже велика її виділення на одиницю маси реагуючих речовин - в 10 млн. разів більше, ніж в хімічних реакціях.
Ланцюгова реакція була відкрита в 1939 році: з'ясувалося, що при попаданні в ядро одного нейтрона воно ділиться на дві-три частини. Було також виявлено, що при поділі ядер урану, крім осколків, вилітають також 2-3 вільні нейтрони. При сприятливих умовах вони можуть потрапити в інші ядра урану і викликати їх розподіл. Необхідна умова для здійснення ланцюгової реакції - наявність великої кількості урану-235, так як для руйнування ядер ізотопу урану-238 енергія нейтронів недостатня.
Систематика елементарних частинок. Кварки і лептони. Античастинки і баріонна асиметрія природи. Уявлення про фізичному вакуумі і віртуальних частинках. Об'єднання електромагнітної і слабкої взаємодій.
Елементарні частинки - первинні, нерозкладних частинки, з яких, за припущенням, складається вся матерія. Всього їх більше 350 (протони, електрони, мюони та ін.) У залежності від часу життя частинки поділяються на стабільні (електрон, протон, фотон і нейтрино), квазістабільні (розпадаються при електромагнітному і слабкому взаємодіях) і резонанси (частинки, які розпадаються за рахунок сильної взаємодії).
У відповідності з чотирма видами фундаментальних взаємодій розрізняють відповідно чотири види елементарних частинок: адрони (мезони - півонії і каона, і баріони - нуклони і гіперонів), які беруть участь у всіх взаємодіях, лептони (електрон, мюон, електронне нейтрино, мюонне нейтрино), які беруть тільки в сильному (а нейтрино і в електромагнітному), фотон, який бере участь тільки лише в електромагнітній взаємодії, і гіпотетичний гравітон - переносник гравітаційної взаємодії.
Кварки і лептони - це істинно елементарні частинки, які на даному етапі науки вважаються нерозкладними. Вони відносяться до частинок речовини. Кварк - частка зі спіном 1 / 2 і дробовим електричним зарядом, складовий елемент атомів. Кварки також мають дві внутрішні ступені свободи - «аромат» і «колір» (ступінь свободи - незалежне можливу зміну стану фізичної системи, обумовлене варіаціями її параметрів). Кожен кварк може перебувати в одному з трьох колірних станів, які умовно називають червоним, синім і жовтим. У спостережуваних адронів кварки скомбіновані таким чином, що виникають стану не несуть кольору - є «безбарвними». Ароматів відомо п'ять і передбачається наявність шостого. Властивості кварків різних ароматів різні. Звичайне речовина складається з легких u-і d-кварків, що входять до складу нуклонів ядер. У кварка дробовий електричний заряд, кратний або рівний однієї третини заряду електрона. Лептони - це еелментарние частинки, що не беруть участі в сильній взаємодії. Кожна з пар лептонів об'єднується з відповідною парою кварків в четвірку, яка називається поколінням.
У багатьох частинок існують двійники у вигляді античастинок, з тими ж масою, часом життя, спіном, але відрізняються знаками всіх зарядів: електричного, баріонів, лептонного і т.д. (Електрон - позитрон, протон - антипротон та ін.) Існування античастинок вперше передбачив П. Дірак у 1928 р. З рівняння Дірака для релятивістського руху електрона слід було друге рішення для його двійника, що має ту ж масу, але позитивний електричний заряд. Характерна особливість поведінки астіц і античастинок - їх анігіляція при зіткненні, тобто перехід в інші частинки з збереженням енергії, імпульсу, електричного заряду і т.п. Операція заміни часток на античастинки називається зарядовим сполученням. Істинно нейтральні частинки характеризуються особливим квантовим числом С, яке називається зарядовим парністю і показує, як веде себе хвильова функція такої частки при зарядовому сполученні - міняє знак чи ні. Внутрішня парність Р - квантове число, що характеризує поведінку системи при дзеркальному відображенні. Операція заміни знака часу визначається числом Т. Досліди китайських вчених в 1956 р. показали, що збереження просторової парності підтверджується експеріметнально тільки для сильної і електромагнітного взаємодій, а в слабкому швидше за все не дотримується. Одночасно з цим відкриттям виявилася спростованою симетрія природи щодо операції зарядового спряження С. Так, втративши симетрію простору і заряду окремо, світ залишався СР-симетричним, тобто античастинки стали розглядатися як зарядовосопряженние, відображені в дзеркалі. Але в 1964 р. був проведений досвід, демонструє порушення СР-симетрії. У науці все більше зміцнюється думка, що саме завдяки порушення СР-симетрії відбувся поділ речовини і антиречовини у Всесвіті, без чого вся матерія існувала б у вигляді океану послеаннігіляціонних фотонів. ЗАГАДКА Ядерна Ассиметрии ПРИРОДИ: Закон - скільки з'являється позитивного речовини, стільки й антиречовини. Загадка - куди зникло антиречовина.
Фізичний вакуум - можливий вид матерії, перші уявлення про який дав один з творців квантової теорії поля П. Дірак. Хоча вакуум ми безпосередньо не бачимо (він прозорий для електромагнітних випромінювань і не робить ніякого опору руху матеріальних частинок і тіл), але все ж він може проявлятися при взаємодії з ним тих же частинок або електромагнітних хвиль (гамма-квантів), що володіють достатньою енергією. Якщо ця енергія перевищує подвоєну енергію спокою, наприклад, електрона, гамма-квант за наявності ще однієї частки (атомного ядра) може, сам зникнувши, породити пару електрон-позитрон, як би «вирвану» з вакууму.
Віртуальні частки в квантової теорії - це частинки, які мають такі ж квантові числа (спін, електричний та баріонів заряди та ін), як і відповідні реальні частки, але для яких не виконується звичайна зв'язок між енергією, імпульсом і масою. Можливість такого порушення випливає з квантового співвідношення невизначеностей між енергією і часом і може відбуватися лише протягом малого проміжку часу, що перешкоджає експериментальної реєстрації віртуальних частинок. Співвідношення невизначеностей, або принцип невизначеності для енергії і часу говорить: енергію фізичної системи навіть в стаціонарному стані можна виміряти лише з точністю, що не перевищує результат ділення постійної Планка на час вимірювання.
Електромагнітна взаємодія відповідально за зв'язок електронів з ядрами, атомів в молекулах. Зумовлені ним процеси менш інтенсивні, ніж при сильній взаємодії. Слабке взаімодейтсвіе викликає переходи між різними типами кварків і, зокрема, визначає бета-розпади нуклонів в ядрах, коли один з трьох кварків, складових нуклон, переходить в кварк іншого типу і випромінює електрони і антинейтрино. Воно також управляє взаємними переходами між різними типами лептонів.
Основні поняття синергетики та принципи самоорганізації відкритих систем. Необхідні умови самоорганізації. Рівні самоорганізації в природі. Біфуркації та катастрофи.
Синергетика - це наука про самоорганізацію складних відкритих систем. Самоорганізація - процес формування в системі все більш складних і складних підсистем. Цей процес природний. Цей процес викликаний не специфічним воздейтсвия ззовні. Іншими словами, самоорганізація в загальному розумінні - це притаманна матерії здатність до ускладнення елементів і створення все більш упорядкованих структур у ході свого розвитку; у вузькому розумінні - це стрибок, фазовий перехід системи з менш в більш впорядкований стан. У самоорганізації завжди виникає щось нове, чого раніше не було. Самоорганізація - це міждисциплінарна обоасть знання, провідний принцип всього сучасного природознавства, застосування до багатьох предметів, наукам.
У процесі ускладнення систем розрізняють два взаємодоповнюючих механізму: об'єднання частин і поділ (фракціонування) систем. Механізми, засновані на цих двох принципах, виявляються на всіх рівнях складності і впорядкованості, починаючи з макросвіту і закінчуючи великомасштабними структурами Всесвіту. На різних рівнях складності системи в основі лежать сили, здавалося б, різної природи, але в кінцевому рахунку всі вони зводяться до чотирьох фундаментальних взаємодій.
Інша сторона явища самоорганізації - інформативність, здатність системи будь-якого рівня створювати, накопичувати, зберігати і використовувати інформацію, в тому числі і про направлення свого розвитку.
Приклади самоорганізації: торнадо, хімічні годинник, біологічні процеси (еволюція), соціальні системи (товариство), формування людської психіки протягом життя.
Необхідні умови самоорганізації:
Відкритість системи (взаємодія з іншими системами, з навколишнім середовищем): обмін енергією, обмін речовиною, обмін інформацією при деградації.
Формування циклічних процесів.
Принцип колисці. Самоорганізація не відбувається скрізь, а лише в окремих, особливо складних частинах. Система повинна бути занурена в іншу систему, більш велику (як би в колисці). Ні рівноправності. Характер самоорганізації - глобальність деградації і локальність самоорганізації.
Досить тривалий термін. Системі простіше нічого не робити, ніж щось робити. Система зазвичай знаходиться в стані динамічної рівноваги, тобто проходять якісь процеси в системі, але загалом вона не змінюється.
Система повинна бути достатньо далекою від стану термодинамічної рівноваги. Інакше більша ймовірність деградації, ніж самоорганізації.
Рівні самоорганізації в природі:
Космологічний - походження речовини з вакууму, поява баріонів асиметрії, розділення різних типів фундаментальних взаімодейтсвій, формування протонів і нейтронів, формування атомів водню і гелію, первинний нуклеосинтез, поділ атомів вещест і електромагнітного випромінювання.
Астрофізичний - формування галактик, зірок і планетних систем, зоряний нуклеосинтез, освіта в космосі найпростіших молекул аж до органічних.
Геофізичний - формування та еволюція літосфери, гідросфери і атмосфери Землі як сприятливого резервуара для появи складних органічних молекул.
Хімічний та біохімічний - хімічна та біохімічна еволюція молекул і молекулярних агрегатів.
Біологічний - біологічна еволюція від появи перших клітин до вищих тварин і людини, формування і розвиток спільного в біосфері.
Соціальний - соціальна еволюція як історичний розвиток різних форм людських спільнот від первісних племен до сучасної всесвітньої цивілізації.
Психічний і інтелектуальний - психічна та інтелектуальна еволюція від появи мови і писемності, міфології ірелігіі до сучасного стану єдиної світової науки; спроби формування ноосфери.
Система обов'язково коли-небудь перебуває в стані кризи, коли будь-яка маленька деталь може привести до непередбачуваних наслідків, загибелі системи. Теорія катастроф з математичної точки зору. Катастрофа - це коли при малому взаємодії система йде від колишнього динамічного стану і переходить в новий стан. Система повинна пережити катастрофу, щоб самоорганізуватися.
Біфуркація - розгалуження траєкторії руху тіла або подальшого шляху розвитку системи в певний момент часу. Якщо пророцтво самоорганізації і можливо, то лише обмежено, локально, тому що стан катастрофи непередбачувано - біфуркація: або система «одужує», або «вмирає».
При підготовці цієї роботи були використані матеріали з сайту http://www.studentu.ru