Типи матеріальних систем їх зв`язок і співвідношення

Згідно сучасним уявленням, структура елементарних частинок описується за допомогою безперервно виникають і знову розпадаються «віртуальних» часток. , букв. уничтожение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова. Наприклад, мезон будується з віртуального нуклона і антінуклона, які в процесі анігіляції (лат. annihilatio, букв. Знищення) безперервно зникають, а потім утворюються знову.

Формальне залучення віртуальних частинок означає, що внутрішню структуру елементарних частинок неможливо описати через інші частинки.

Задовільною теорії походження та структури елементарних часток поки немає. Багато вчених вважають, що таку теорію можна створити тільки при обліку космологічних обставин. Велике значення має дослідження народження елементарних частинок з вакууму в сильних гравітаційних і електромагнітних полях, оскільки тут встановлюється зв'язок мікро-і мегасвіті. Фундаментальні взаємодії у Всесвіті, в мегасвіті визначають структуру елементарних частинок і їх перетворення. Очевидно, потрібно вироблення нових понять для адекватного опису структури матеріального світу.

Атомом (від грец. Atomos - неподільний) називають частина речовини мікроскопічних розмірів і маси, найдрібнішу частку хімічного елемента, що зберігає його властивості. Атоми складаються з елементарних часток і мають складну внутрішню структуру, представляючи собою цілісну ядерно-електронну систему. В центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома; навколо рухаються електрони, що утворюють електронні оболонки, розміри яких (~ 10-8 см) визначають розміри атома. Ядро атома складається з протонів і нейтронів. Число електронів в атомі дорівнює числу протонів у ядрі (заряд всіх електронів атома дорівнює заряду ядра), число протонів одно порядковому номеру елемента в періодичній системі. Атоми можуть приєднувати або віддавати електрони, стаючи негативно або позитивно зарядженими іонами. Хімічні властивості атомів визначаються в основному числом електронів у зовнішній оболонці; з'єднуючись хімічно, атоми утворюють молекули.

Важлива характеристика атома - його внутрішня енергія, яка може приймати лише певні (дискретні) значення, відповідні стійким станам атома, і змінюється тільки стрибкоподібно шляхом квантового переходу. Поглинаючи певну порцію енергії, атом переходить у збуджений стан (на більш високий рівень енергії). З збудженого стану атом, випускаючи фотон, може перейти в стан з меншою енергією (на більш низький рівень енергії). Рівень, відповідний мінімальної енергії атома, називається основним, інші - збудженими. Квантові переходи обумовлюють атомні спектри поглинання і випускання, індивідуальні для атомів усіх хімічних елементів.

Під ядром атома розуміється його центральна частина, в якій зосереджена практично вся маса атома і весь його позитивний заряд. Ядро складається з нуклонів - протонів і нейтронів (позначення p і n). Маса протона m _P = 1,673 × 10 ^-27 = 1,836 m _e, m _n = 1,675 × 10 ^-27 = 1835,5 m _e. Маса ядра не дорівнює сумі мас протонів і нейтронів, що входять до нього (т.зв. «дефект мас»). Протон несе елементарний позитивний заряд, нейтрон - частинка незаряджена. Число електронів в атомі одно порядковому номеру Z елемента в таблиці Менделєєва, а число протонів, оскільки в цілому атом нейтральний, дорівнює числу електронів. Тоді число нейтронів у ядрі визначається наступним чином: N _P = A - Z, де А - масове число, тобто ціле число, найближчим до атомної маси елемента в таблиці Менделєєва, Z - число заряду (число протонів).

Для позначення ядер застосовується запис _Z X ^A, де Х - символ хімічного елемента в таблиці Менделєєва. Ядра з однаковими Z, але різними А називаються ізотопами. Зараз відомо понад 300 стійких і понад 1000 нестійких ізотопів. З нестійкими ізотопами пов'язане явище радіоактивності - ядерного розпаду.

Ядро в цілому - стійка система, для його руйнування необхідно затратити енергію. Ця енергія називається енергією зв'язку ядра. Енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон, називається питомою енергією зв'язку. Нуклони в ядрі утримуються ядерними силами, що представляють сильна взаємодія і мають обмінний характер. Ядерні сили мають ряд властивостей:

1. Ядерні сили є короткодіючими (радіус дії порядку 10 ^-15 м) На цих відстанях вони значно перевищують кулонівських сили відштовхування протонів. При значному зменшенні відстані тяжіння нуклонів змінюється відштовхуванням.

2. Ядерні сили мають зарядовим незалежністю, тобто діють як між зарядженими, так і між нейтральними частками.

3. Ядерні сили мають властивості насичення. Це означає, що кожен нуклон у ядрі взаємодіє лише з обмеженим числом найближчих до нього нуклонів.

4. Ядерні сили не є центральними. Їх величина залежить від орієнтації спінів частинок.

Молекули - це черговий після атомів якісний рівень будови і еволюції речовини. Молекула - мікрочастинка, утворена з атомів і здатна до самостійного існування, що володіє його головними хімічними властивостями. Має постійний склад входять до неї атомних ядер і фіксоване число електронів і володіє сукупністю властивостей, що дозволяють відрізняти молекули одного виду від молекул іншого. Число атомів у молекулі може бути різним: від двох до сотень тисяч.

Молекули простих речовин складаються з однакових атомів, складних - з різних атомів. Існує велика кількість сполук, молекули яких складаються з багатьох тисяч атомів - макромолекули.

Підкреслюючи цілісність молекул, органічну єдність їх складових частин, сучасне природознавство характеризує рух молекул як рух самостійних і цілісних систем, а не як просту суму розрізнених рухів окремих утворюють їх часток (атомів, ядер і електронів). Ті взаємодії молекул, які не супроводжуються зміною їх структури, вивчаються фізикою і називаються фізичними. Взаємодії ж молекул, що призводять до їх якісним взаємоперетворення, перебудові їх внутрішніх зв'язків, називаються хімічними і вивчаються хімією.

3. Макросвіт

В історії вивчення природи виділяють два етапи - донаукових і науковий.

Донаучний, або вв. натурфілософський, охоплює період від античності до становлення експериментального природознавства в XVI-XVII ст. У цей період вчення про природу мали суто натурфілософський характер: спостережувані природні явища пояснювалися на основі умоглядних філософських принципів.

Найбільш значущою для подальшого розвитку природних наук була концепція дискретного будови матерії мельчайших в мире частиц. атомізм, згідно з яким всі тіла складаються з атомів - найдрібніших у світі частинок. Оскільки сучасні наукові уявлення про структурні рівнях організації матерії були вироблені в ході критичного переосмислення уявлень класичної науки, застосовних лише до об'єктів макрорівня, то починати дослідження потрібно з концепцій класичної фізики.

в., когда Формування наукових поглядів на будову матерії відноситься до XVI ст., Коли механической. Галілеєм була закладена основа першою в історії науки фізичної картини світу - механічної. научно-теоретического. Він розробив методологію нового способу опису природи - науково-теоретичного. Суть його полягала в тому, що виділялися тільки деякі фізичні та геометричні характеристики, які ставали предметом наукового дослідження. Виділення окремих характеристик об'єкта дозволяло будувати теоретичні моделі та перевіряти їх в умовах наукового експерименту. Ньютон, спираючись на праці Галілея, розробив строгу наукову теорію механіки, яка описує і рух небесних тіл, і рух земних об'єктів одними і тими ж законами. Природа розглядалася як складна механічна система.

У рамках механічної картини світу, розробленої Ньютоном і його послідовниками, склалася дискретна (корпускулярна) модель реальності. атомов или корпускул. Матерія розглядалася як речовинна субстанція, що складається з окремих частинок - атомів або корпускул. Атоми абсолютно міцні, неподільні, непроникні, характеризуються наявністю маси і ваги.

Підсумком ньютонівської картини світу з'явився образ Всесвіту як гігантського і повністю детермінованого механізму, де події та процеси являють собою ланцюг взаємозалежних причин і наслідків. Звідси і віра в те, що теоретично можна точно реконструювати будь-яку минулу ситуацію у Всесвіті або передбачити майбутнє з абсолютною певністю.

Механістичний підхід до опису природи виявився надзвичайно плідним. Слідом за ньютонівської механікою були створені гідродинаміка, теорія пружності, механічна теорія тепла, молекулярно-кінетична теорія і цілий ряд інших, в руслі яких фізика досягла величезних успіхів. оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира. Проте були дві області - оптичних та електромагнітних явищ, які не могли бути повністю пояснені в рамках механістичної картини світу.

корпускул. Розробляючи оптику, Ньютон, слідуючи логіці свого вчення, вважав світло потоком матеріальних частинок - корпускул. У корпускулярної теорії світла стверджувалося, що світяться тіла випромінюють найдрібніші частинки, які рухаються у згоді з законами механіки і викликають відчуття світла, потрапляючи в око. На базі цієї теорії Ньютоном було дано пояснення законам відбиття і заломлення світла.

на основе волновой теории, сформулированной Поряд з механічною корпускулярної теорією, здійснювалися спроби пояснити оптичні явища принципово іншим шляхом, а саме - на основі хвильової теорії, сформульованої Гюйгенсом. X. Гюйгенсом. Хвильова теорія встановлювала аналогію між розповсюдженням світла і рухом хвиль на поверхні води або звукових хвиль у повітрі. У ній передбачалася наявність пружного середовища, що заповнює весь простір, - світлоносного ефіру. Поширення світла розглядалося як поширення коливань ефіру: кожна окрема точка ефіру коливається у вертикальному напрямку, а коливання всіх точок створюють картину хвилі, яка переміщається в просторі від одного моменту часу до іншого. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как два ряда волн на воде. Головним аргументом на користь своєї теорії X. Гюйгенс вважав той факт, що два промені світла, перетинаючись, пронизують один одного без будь-яких перешкод в точності, як два ряди хвиль на воді. Згідно ж нової теорії, між пучками випроменених часток, якими є світло, виникали б зіткнення або, принаймні, будь-які обурення. Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света. Виходячи з хвильової теорії X. Гюйгенс успішно пояснив відображення і заломлення світла.

Однак проти неї існувало одне важливе заперечення. Як відомо, хвилі обтікають перешкоди. А промінь світла, поширюючись по прямій, обтікати перешкоди, не може. Якщо на шляху променя світла помістити непрозоре тіло з різкою межею, то його тінь буде мати різкий кордон. Однак це заперечення незабаром було знято завдяки дослідам Грімальді. При більш тонкому спостереженні з використанням збільшувальних лінз виявлялося, що на кордонах різких тіней можна бачити слабкі ділянки освітленості в формі переміжних світлих і темних смужок або ореолів. Це явище було названо дифракцією світла. Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Саме відкриття дифракції зробило X. Гюйгенса ревним прихильником хвильової теорії світла. Однак авторитет Ньютона був настільки високий, що корпускулярна теорія сприймалася беззастережно навіть, незважаючи на те, що на її основі не можна було пояснити явище дифракції.

в. Хвильова теорія світла була знову висунута в перші десятиліття XIX ст. Т. Юнг дав пояснення явищу інтерференції, тобто появи темних смужок при накладенні світла на світло. Суть її можна описати за допомогою парадоксального твердження: світло, доданий до світла, не обов'язково дає більш сильне світло, але може давати більш слабкий і навіть темряву. Причина цього полягає в тому, що згідно з хвильової теорії, світло являє собою не потік матеріальних часток, а коливання пружного середовища, або хвильовий рух. При накладенні один на одного ланцюжків хвиль в протилежних фазах, де гребінь однієї хвилі поєднується з западиною інший, вони знищують один одного, в результаті чого з'являються темні смуги.

Явища інтерференції і дифракції могли бути пояснені тільки в рамках хвильової теорії і не піддавалися поясненню на основі механічної корпускулярної теорії світла.

Інший областю фізики, де механічні моделі виявилися неадекватними, була область електромагнітних явищ. Експерименти англійського натураліста М. Фарадея і теоретичні роботи англійського фізика Дж.К.Максвелла остаточно зруйнували уявлення ньютонівської фізики про дискретному речовині як єдиному вигляді матерії і поклали початок електромагнітної картині світу.

Явище електромагнетизму відкрив данський натураліст К.Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. X. К. Ерстед, який вперше зауважив магнітне дію електричних струмів. Продовжуючи дослідження в цьому напрямку, Фарадей виявив, що тимчасова зміна в магнітних полях створює електричний струм. Осмислюючи свої експерименти, він ввів поняття «силові лінії». Фарадей з класичною ясністю уявляв собі дію електричних сил від точки до точки в їх «силовому полі». На основі свого представлення про силові лініях він припустив, що існує глибоке споріднення електрики і світла, і хотів побудувати і експериментально обгрунтувати нову оптику, в якій світло розглядався б як коливання силового поля. Фарадей прийшов до висновку, що вчення про електрику і оптика взаємопов'язані і утворюють єдину область. Його роботи стали вихідним пунктом досліджень

Далі вже Максвелл "перевів" модель силових ліній Фарадея в математичну формулу. Поняття «поле сил» спочатку складалося як допоміжне математичне поняття. это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии» ¹ . Дж. К. Максвелл додав йому фізичний зміст і став розглядати поле як самостійну фізичну реальність: «Електромагнітне поле - це та частина простору, яка містить в собі і оточує тіла, що знаходяться в електричному або магнітному стані» ^1. Узагальнивши встановлені раніше експериментальним шляхом закони електромагнітних явищ і явище електромагнітної індукції, Максвелл чисто математичним шляхом знайшов систему диференціальних рівнянь, що описують електромагнітне поле.

З рівнянь слідував найважливіший висновок про можливість самостійного існування поля, не «прив'язаного» до електричних зарядів. от магнитного и, наоборот, магнитное — от электрического. У диференціальних рівняннях Максвелла вихори електричного і магнітного полів визначаються похідними по часу не від своїх, а від чужих полів: електричне - від магнітного і, навпаки, магнітне - від електричного. Тому якщо змінюється з часом магнітне поле, то існує і змінне електричне поле, яке в свою чергу веде до зміни магнітного поля. У результаті відбувається постійна зміна векторів напруженості електричного і магнітного полів, тобто виникає змінне електромагнітне поле, яке вже не прив'язане до заряду, а відривається від нього, самостійно існуючи і поширюючись у просторі. Обчислена їм швидкість поширення електромагнітного поля виявилася дорівнює швидкості світла. Виходячи з цього Максвелл зміг укласти, що світлові хвилі є електромагнітні хвилі. Був відкритий якісно новий, своєрідний вид матерії.

Отже, до кінця века физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. XIX століття фізика прийшла до висновку, що матерія існує у двох видах: дискретного речовини і безперервного поля.

• Речовина і поле розрізняються як корпускулярні і хвильові сутності: речовина дискретно і складається з атомів, а поле безперервно.

• нет. Речовина і поле різняться за своїми фізичними характеристиками: частинки речовини мають масу спокою, а поле - ні.

• Речовина і поле розрізняються за ступенем проникності: речовина мало проникності, а поле, навпаки, повністю проникності.

• Швидкість розповсюдження поля дорівнює швидкості світла, а швидкість руху частинок речовини менше її на багато порядків.

4. Мегасвіт

Мегасвіт, або космос, сучасна наука розглядає як взаємодіє і розвивається систему всіх небесних тіл. Мегасвіт має системну організацію у формі планет і планетних систем, що виникають навколо зірок, зірочок і зоряних систем - галактик. Всі існуючі галактики входять в систему самого високого порядку - Метагалактика. млрд. Розміри Метагалактики дуже великі: радіус космологічного горизонту становить 15 - 20 млрд. світлових років.

очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Поняття «Всесвіт» і «Метагалактика» - дуже близькі поняття: вони характеризують один і той самий об'єкт, але в різних аспектах. тот же мир, но с точки зрения его структуры — как упорядоченную систему галактик. Поняття «Всесвіт» позначає весь існуючий матеріальний світ; поняття «Метагалактика» - той самий світ, але з точки зору його структури - як упорядковану систему галактик.

Матерія у Всесвіті представлена ​​сконденсировавшейся космічними тілами і дифузної матерією. Дифузна матерія існує у вигляді роз'єднаних атомів і молекул, а також більш щільних утворень - гігантських хмар пилу і газу - газово-пилових туманностей. Значну частку матерії у Всесвіті, поряд з дифузними утвореннями, займає матерія у вигляді випромінювання. Отже, космічне міжзоряний простір жодним чином не порожньо.

На сучасному етапі еволюції Всесвіту речовина в ній знаходиться переважно в зоряному стані. 97% речовини в нашій Галактиці зосереджена в зірках, що представляють собою гігантські плазмові утворення різної величини, температури, з різною характеристикою руху. У надрах зірок при температурі близько 10 млн. град, і при дуже високій щільності атоми перебувають в іонізованому стані: електрони майже повністю або абсолютно всі відокремлені від своїх атомів. Решта ядра вступають у взаємодію один з одним, завдяки чому водень, наявний в достатку у більшості зірок, перетворюється за участю вуглецю в гелій. Ці та подібні ядерні перетворення є джерелом колосальної кількості енергії, яка відноситься випромінюванням зірок.

Зірки не існують ізольовано, а утворюють системи. Найпростіші зоряні системи - так звані кратні системи, що складаються з двох, трьох, чотирьох, п'яти і більше зірок, що обертаються навколо загального центру тяжіння. Компоненти деяких кратних систем оточені загальною оболонкою дифузної матерії, джерелом якої, мабуть, є самі зірки, що викидають її у простір і вигляді потужного потоку газу. Зірки об'єднані також в ще більші групи - зоряні скупчення, які можуть мати «розсіяну» або «кульову» структуру. Розсіяні зоряні скупчення налічують кілька сотень готельних зірок, кульові скупчення - багато сотень тисяч.

Перераховані зоряні системи є частинами більш загальної системи - Галактики, що включає в себе крім зірок і дифузну матерію. За своєю формою галактики поділяються на три основних типи: еліптичні, спіральні й неправильні. У неправильних галактиках спостерігаються вихрові руху газів і тенденція до обертання, ймовірно, що ведуть до утворення спіральних гілок.

Більшість галактик має еліптичну або спіралевидну форму. Галактика, всередині якої розташована Сонячна система, є спіральної системою, що складається приблизно з 120 млрд зірок. Вона має форму потовщеного диска. Найбільший діаметр дорівнює 100 тис. світлових років.

Наша Галактика складається із зірок і дифузної матерії. Її зірки поділяються різними способами на підсистеми. У ній налічується приблизно 20 тис. розсіяних і близько 100 кульових скупчень зірок. Крім того, можна виділити зірки, що концентруються в галактичної площини і утворюють плоску систему і сферичну форму просторового розподілу зірок, що утворить ядро галактики.

За радіоастрономічних спостережень зроблено висновок, що наша Галактика має чотири спіральні гілки. Найближчою галактичної системою є туманність Андромеди, що знаходиться від нас на відстані 2700000 світлових років. Нашу Галактику і туманність Андромеди можна зарахувати до найбільших з відомих у даний час галактик.

Для пояснення структури мегасвіту найбільш важливим є гравітаційна взаємодія. Всяке тіло притягує інше тіло, але сила гравітації, відповідно до закону всесвітнього тяжіння, швидко зменшується зі збільшенням відстані між ними. У газово-пилових туманностях під дією сил гравітації відбувається формування нестійких неоднорідностей, завдяки чому дифузна матерія розпадається на ряд згущень. Якщо такі згущення зберігаються досить довго, то з плином часу вони перетворюються на зірки. Важливо відзначити, що відбувається процес народження не окремої ізольованої зірки, а зоряних асоціацій. Утворилися газові тіла притягуються одне до одного, але не обов'язково об'єднуються в одне величезне тіло. Замість цього вони, як правило, починають обертатися щодо один одного, і відцентрова сила цього руху протидіє силі тяжіння, що веде до подальшого концентрації.

Величезна енергія, випромінювана зірками, утворюється в результаті ядерних процесів, що відбуваються всередині зірок.

Асоціації, або скупчення зірок, також не є незмінно або вічно існуючими. Через певну кількість часу, обчислювана мільйонами років, вони розсіюються силами галактичного обертання.

Як би не вирішувалося питання про різноманіття космологічних моделей, вважається науково встановленим фактом, що наш Всесвіт розширюється, еволюціонує. Час її еволюції від початкового стану оцінюється приблизно в 20 млрд. років.

Від початкового сингулярного стану Всесвіт перейшла до розширення в результаті Великого вибуху, яка заповнила весь простір. У підсумку кожна частинка матерії спрямувалася геть від будь-якої іншої.

Висновок

Таким чином, усі вищевикладені революційні відкриття у фізиці перевернули раніше існуючі погляди на світ.

Застосовуючи системний підхід, природознавство виділяє типи матеріальних систем і розкриває їх зв'язок і співвідношення, це:

мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10 ^-8 до 10 ^-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10 ^-24 с. мікросвіт - світ гранично малих, безпосередньо не спостерігаються мікрооб'єктів, просторова разномерность яких обчислюється від 10 ^-8 до 10 ^-16 см, а час життя - від нескінченності до 10 ^-24 с. Об'єктами мікросвіту є фундаментальні та елементарні частинки, ядра, атоми і молекули.

мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах. макросвіт - світ макрооб'єктів, розмірність яких співвідносна з масштабами людського досвіду: просторові величини виражаються в міліметрах, сантиметрах і кілометрах, а час - у секундах, хвилинах, годинах, роках.

мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. мегасвіт - світ величезних космічних масштабів і швидкостей, відстань в якому вимірюється світловими роками, а час існування космічних об'єктів - мільйонами і мільярдами років.

І хоча на цих рівнях діють свої специфічні закономірності, мікро-, макро - і мегасвіті найтіснішим чином взаємопов'язані.

Список використаної літератури

1. Бабушкін О.М. Сучасні концепції природознавства. Курс лекцій / А. Н. Бабушкін. - М.: «Видавничий дім Дашков і К»., 2004. - 224 с.

2. Бондарєв В.П. Концепції сучасного природознавства: Навчальний посібник для студентів вузів / В. П. Бондарєв. - М.: Альфа-М, 2003. - 464 с.

3. Грядовой Д.І. Концепції сучасного природознавства: Структурний курс основ природознавства / Д. І. грядовой. - М., 2000. - 208 с.

4. Лавриненко В.М. Концепції сучасного природознавства. Підручник для ВНЗ / В. М. Лавриненко, В.П. Ратніков, В. Ф. Голуб [и др.]. - М: ЮНИТИ, 1999. - 271 с.

5. Концепції сучасного природознавства. Лекції для студентів дистанційної відділення УГАТУ. - Уфа, 2005. [Електронний ресурс]. Режим доступу: http://www.ugatu.ac.ru/ddo/KSE/01/index12.htm, вільний

6. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства: Підручник / В. М. Найдиш. - М.: ИНФРА-М, 2004. - 476 с.