Nachdem die Naturwissenschaften mit dem Studium der materiellen Welt mit den einfachsten materiellen Objekten begonnen haben, die der Mensch direkt wahrnimmt, gehen sie zum Studium der komplexesten Objekte der tiefen Strukturen der Materie über, die über die Grenzen der menschlichen Wahrnehmung hinausgehen und mit den Objekten von nicht vergleichbar sind alltägliche Erfahrung. Mithilfe eines Systemansatzes identifiziert die Naturwissenschaft nicht einfach nur Arten materieller Systeme, sondern legt deren Zusammenhänge und Beziehungen offen.
In der Wissenschaft gibt es drei Ebenen der Struktur der Materie:
Mikrowelt (Elementarteilchen, Kerne, Atome, Moleküle) ist eine Welt extrem kleiner, nicht direkt beobachtbarer Mikroobjekte, deren räumliche Vielfalt sich aus zehn hoch minus achter Potenz bis zehn minus sechzehnter Potenz cm berechnet, und deren Die Lebensdauer reicht von unendlich bis zehn bis minus vierundzwanzig Sekunden.
Die Makrowelt (Makromoleküle, lebende Organismen, Menschen, technische Objekte usw.) ist die Welt der Makroobjekte, deren Dimension mit der Skala menschlicher Erfahrung vergleichbar ist: Räumliche Größen werden in Millimetern, Zentimetern und Kilometern sowie Zeit ausgedrückt - in Sekunden, Minuten, Stunden, Jahren.
Megaworld (Planeten, Sterne, Galaxien) ist eine Welt enormer kosmischer Ausmaße und Geschwindigkeiten, deren Entfernung in Lichtjahren und die Lebensdauer von Weltraumobjekten in Millionen und Abermilliarden Jahren gemessen wird.
Und obwohl diese Ebenen ihre eigenen spezifischen Gesetze haben, sind die Mikro-, Makro- und Megawelten eng miteinander verbunden. Grundlegende Weltkonstanten bestimmen das Ausmaß der hierarchischen Struktur der Materie in unserer Welt. Es liegt auf der Hand, dass eine relativ kleine Veränderung in ihnen zur Bildung einer qualitativ anderen Welt führen sollte, in der die Bildung derzeit bestehender Mikro-, Makro- und Megastrukturen und im Allgemeinen hochorganisierter Formen lebender Materie unmöglich werden würde. Ihre bestimmten Bedeutungen und Beziehungen zwischen ihnen sorgen im Wesentlichen für die strukturelle Stabilität unseres Universums. Daher hat das Problem scheinbar abstrakter Weltkonstanten globale ideologische Bedeutung.
Gegenstand
Materie ist eine unendliche Menge aller auf der Welt existierenden Objekte und Systeme, das Substrat aller Eigenschaften, Verbindungen, Beziehungen und Bewegungsformen. Materie umfasst nicht nur alle direkt beobachtbaren Objekte und Körper der Natur, sondern auch alle diejenigen, die im Prinzip durch die Verbesserung der Beobachtungs- und Experimentiermöglichkeiten in der Zukunft erkannt werden können. Die Grundlage der Vorstellungen über die Struktur der materiellen Welt ist ein Systemansatz, nach dem jedes Objekt der materiellen Welt, sei es ein Atom, ein Planet, ein Organismus oder eine Galaxie, als komplexes Gebilde betrachtet werden kann, einschließlich seiner in Einzelteilen organisierten Bestandteile Integrität. Um die Integrität von Objekten in der Wissenschaft zu bezeichnen, wurde der Begriff eines Systems entwickelt.
Materie als objektive Realität umfasst nicht nur Materie in ihren vier Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig, Plasma), sondern auch physikalische Felder (elektromagnetisch, gravitativ, nuklear usw.) sowie deren Eigenschaften, Beziehungen und Produktinteraktionen . Dazu gehört auch Antimaterie (eine Reihe von Antiteilchen: Positron oder Antielektron, Antiproton, Antineutron), die kürzlich von der Wissenschaft entdeckt wurde. Antimaterie ist keineswegs gleich Antimaterie. Antimaterie kann überhaupt nicht existieren. Bewegung und Materie sind organisch und untrennbar miteinander verbunden: Es gibt keine Bewegung ohne Materie, genauso wie es keine Materie ohne Bewegung gibt. Mit anderen Worten: Es gibt keine unveränderlichen Dinge, Eigenschaften und Beziehungen auf der Welt. Manche Formen oder Typen werden durch andere ersetzt, verwandeln sich in andere – die Bewegung ist konstant. Frieden ist ein dialektisch verschwindender Moment im kontinuierlichen Prozess der Veränderung und des Werdens. Absoluter Frieden ist gleichbedeutend mit Tod oder vielmehr Nichtexistenz. Sowohl Bewegung als auch Ruhe sind definitiv nur in Bezug auf einen bestimmten Bezugsrahmen festgelegt.
Bewegte Materie existiert im Wesentlichen in zwei Formen – im Raum und in der Zeit. Der Raumbegriff dient dazu, die Eigenschaften der Ausdehnung und Ordnung des Zusammenlebens materieller Systeme und ihrer Zustände auszudrücken. Es ist objektiv, universell und notwendig. Der Zeitbegriff legt die Dauer und Abfolge von Zustandsänderungen materieller Systeme fest. Zeit ist objektiv, unvermeidlich und irreversibel.
Der Begründer der Auffassung, dass Materie aus einzelnen Teilchen besteht, war Demokrit. Demokrit leugnete die unendliche Teilbarkeit der Materie. Atome unterscheiden sich voneinander nur in Form, Reihenfolge ihrer gegenseitigen Abfolge und Position im leeren Raum sowie in Größe und Schwerkraft, die von der Größe abhängt. Sie haben unendlich unterschiedliche Formen mit Vertiefungen oder Ausbuchtungen. In der modernen Wissenschaft gibt es viele Debatten darüber, ob Demokrits Atome physische oder geometrische Körper sind, aber Demokrit selbst ist noch nicht zur Unterscheidung zwischen Physik und Geometrie gelangt. Aus diesen sich in verschiedene Richtungen bewegenden Atomen, aus ihrem „Wirbel“, entstehen naturgemäß durch die Zusammenführung einander ähnlicher Atome sowohl einzelne Gesamtkörper als auch die ganze Welt; Die Bewegung der Atome ist ewig und die Zahl der entstehenden Welten ist unendlich. Die für den Menschen zugängliche Welt der objektiven Realität erweitert sich ständig. Die konzeptionellen Ausdrucksformen der Idee von Strukturebenen der Materie sind vielfältig. Die moderne Wissenschaft identifiziert drei Strukturebenen in der Welt.
Strukturebenen der MaterieorganisationDie Mikrowelt sind Moleküle, Atome, Elementarteilchen – die Welt extrem kleiner, nicht direkt beobachtbarer Mikroobjekte, deren räumliche Vielfalt auf 10-8 bis 10-16 cm geschätzt wird und deren Lebensdauer von unendlich bis 10-24 reicht S. Die Makrowelt ist die Welt der stabilen Formen und Mengen, die dem Menschen entsprechen, sowie kristalliner Komplexe von Molekülen, Organismen, Organismengemeinschaften; die Welt der Makroobjekte, deren Dimension mit der Skala menschlicher Erfahrung vergleichbar ist: Räumliche Größen werden in Millimetern, Zentimetern und Kilometern ausgedrückt, und Zeit – in Sekunden, Minuten, Stunden, Jahren.
Die Megawelt besteht aus Planeten, Sternkomplexen, Galaxien, Metagalaxien – einer Welt enormer kosmischer Maßstäbe und Geschwindigkeiten, deren Entfernung in Lichtjahren und die Lebensdauer von Weltraumobjekten in Millionen und Abermilliarden Jahren gemessen wird.
Und obwohl diese Ebenen ihre eigenen spezifischen Gesetze haben, sind die Mikro-, Makro- und Megawelten eng miteinander verbunden.
Es ist klar, dass die Grenzen des Mikro- und Makrokosmos beweglich sind und es keinen getrennten Mikrokosmos und keinen getrennten Makrokosmos gibt. Natürlich werden Makroobjekte und Megaobjekte aus Mikroobjekten aufgebaut, und Makro- und Megaphänomene basieren auf Mikrophänomenen. Dies wird am Beispiel des Aufbaus des Universums aus wechselwirkenden Elementarteilchen im Rahmen der kosmischen Mikrophysik deutlich. Tatsächlich müssen wir verstehen, dass wir nur über verschiedene Ebenen der Betrachtung der Materie sprechen. Mikro-, Makro- und Megagrößen von Objekten korrelieren miteinander als Makro/Mikro – Mega/Makro.
In der klassischen Physik gab es kein objektives Kriterium zur Unterscheidung eines Makroobjekts von einem Mikroobjekt. Dieser Unterschied wurde von M. Planck eingeführt: Wenn für das betrachtete Objekt die minimale Auswirkung darauf vernachlässigt werden kann, dann handelt es sich um Makroobjekte, wenn dies nicht möglich ist, handelt es sich um Mikroobjekte. Protonen und Neutronen bilden die Atomkerne. Atome verbinden sich zu Molekülen. Wenn wir uns auf der Skala der Körpergrößen weiter bewegen, dann sind es gewöhnliche Makrokörper, Planeten und ihre Systeme, Sterne, Galaxienhaufen und Metagalaxien, das heißt, wir können uns den Übergang von Mikro-, Makro- und Megagalaxien vorstellen Größe und in Modellen physikalischer Prozesse.
MikroweltDemokrit stellte in der Antike die atomistische Hypothese über die Struktur der Materie auf, später im 18. Jahrhundert. wurde vom Chemiker J. Dalton wiederbelebt, der das Atomgewicht von Wasserstoff als eins nahm und die Atomgewichte anderer Gase damit verglich. Dank der Arbeiten von J. Dalton begann man, die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Atoms zu untersuchen. Im 19. Jahrhundert D.I. Mendelejew konstruierte ein System chemischer Elemente basierend auf ihrem Atomgewicht. Die Geschichte der Erforschung der Struktur des Atoms begann 1895 mit der Entdeckung des Elektrons durch J. Thomson, einem negativ geladenen Teilchen, das Teil aller Atome ist. Da Elektronen negativ geladen sind und das Atom insgesamt elektrisch neutral ist, wurde angenommen, dass es neben dem Elektron ein positiv geladenes Teilchen gibt. Die Masse des Elektrons wurde mit 1/1836 der Masse eines positiv geladenen Teilchens berechnet.
Der Kern ist positiv geladen und die Elektronen sind negativ geladen. Anstelle der im Sonnensystem wirkenden Gravitationskräfte wirken im Atom elektrische Kräfte. Die elektrische Ladung des Atomkerns, numerisch gleich der Seriennummer im Periodensystem von Mendelejew, wird durch die Summe der Ladungen der Elektronen ausgeglichen – das Atom ist elektrisch neutral. Beide Modelle erwiesen sich als widersprüchlich.
Im Jahr 1913 wandte der große dänische Physiker N. Bohr das Prinzip der Quantisierung an, um das Problem der Struktur des Atoms und der Eigenschaften der Atomspektren zu lösen. N. Bohrs Atommodell basierte auf dem Planetenmodell von E. Rutherford und der von ihm entwickelten Quantentheorie der Atomstruktur. N. Bohr stellte eine Hypothese über die Struktur des Atoms auf, die auf zwei Postulaten beruhte, die mit der klassischen Physik völlig unvereinbar sind:
1) In jedem Atom gibt es mehrere stationäre Zustände (in der Sprache des Planetenmodells mehrere stationäre Bahnen) von Elektronen, entlang derer ein Elektron existieren kann, ohne zu emittieren;
2) Wenn ein Elektron von einem stationären Zustand in einen anderen übergeht, gibt das Atom einen Teil der Energie ab oder absorbiert ihn.
Letztendlich ist es grundsätzlich unmöglich, die Struktur eines Atoms anhand der Vorstellung der Bahnen von Punktelektronen genau zu beschreiben, da solche Bahnen tatsächlich nicht existieren. Die Theorie von N. Bohr stellt sozusagen die Grenze der ersten Stufe in der Entwicklung der modernen Physik dar. Dies ist der jüngste Versuch, die Struktur des Atoms auf der Grundlage der klassischen Physik zu beschreiben, ergänzt durch nur wenige neue Annahmen.
Es schien, dass die Postulate von N. Bohr einige neue, unbekannte Eigenschaften der Materie widerspiegelten, jedoch nur teilweise. Antworten auf diese Fragen wurden durch die Entwicklung der Quantenmechanik gewonnen. Es stellte sich heraus, dass das Atommodell von N. Bohr nicht wie zu Beginn wörtlich genommen werden sollte. Prozesse im Atom können grundsätzlich nicht in Form mechanischer Modelle in Analogie zu Ereignissen im Makrokosmos visuell dargestellt werden. Selbst die Konzepte von Raum und Zeit in der Form, wie sie in der Makrowelt existieren, erwiesen sich als ungeeignet, um mikrophysikalische Phänomene zu beschreiben. Das Atom der theoretischen Physiker wurde zunehmend zu einer abstrakten, nicht beobachtbaren Summe von Gleichungen.
MakroweltIn der Geschichte der Naturwissenschaft lassen sich zwei Phasen unterscheiden: die vorwissenschaftliche und die wissenschaftliche. Vorwissenschaftlich oder naturphilosophisch umfasst den Zeitraum von der Antike bis zur Entstehung der experimentellen Naturwissenschaften im 16.-17. Jahrhundert. Beobachtete Naturphänomene wurden auf der Grundlage spekulativer philosophischer Prinzipien erklärt. Am bedeutendsten für die spätere Entwicklung der Naturwissenschaften war das Konzept der diskreten Struktur der Materie, der Atomismus, nach dem alle Körper aus Atomen bestehen – den kleinsten Teilchen der Welt.
Die wissenschaftliche Phase des Naturstudiums beginnt mit der Entstehung der klassischen Mechanik. Da moderne wissenschaftliche Vorstellungen über die strukturellen Ebenen der Organisation der Materie im Zuge eines kritischen Überdenkens der Ideen der klassischen Wissenschaft entwickelt wurden und nur auf Objekte auf Makroebene anwendbar sind, müssen wir mit den Konzepten der klassischen Physik beginnen.
Die Entstehung wissenschaftlicher Ansichten über die Struktur der Materie geht auf das 16. Jahrhundert zurück, als G. Galilei den Grundstein für das erste physikalische Weltbild in der Geschichte der Wissenschaft legte – ein mechanisches. Er entdeckte das Trägheitsgesetz und entwickelte eine Methodik für eine neue Art der Naturbeschreibung – wissenschaftlich-theoretisch. Sein Wesen bestand darin, dass nur bestimmte physikalische und geometrische Merkmale identifiziert und Gegenstand wissenschaftlicher Forschung wurden.
I. Newton entwickelte unter Berufung auf die Werke Galileis eine strenge wissenschaftliche Theorie der Mechanik, die sowohl die Bewegung von Himmelskörpern als auch die Bewegung irdischer Objekte nach denselben Gesetzen beschreibt. Die Natur wurde als komplexes mechanisches System betrachtet. Im Rahmen des von I. Newton und seinen Anhängern entwickelten mechanischen Weltbildes entstand ein diskretes (korpuskuläres) Modell der Realität. Materie wurde als materielle Substanz betrachtet, die aus einzelnen Teilchen – Atomen oder Korpuskeln – besteht. Atome sind absolut stark, unteilbar, undurchdringlich und zeichnen sich durch das Vorhandensein von Masse und Gewicht aus.
Ein wesentliches Merkmal der Newtonschen Welt war der dreidimensionale Raum der euklidischen Geometrie, der absolut konstant und immer in Ruhe ist. Zeit wurde als eine von Raum oder Materie unabhängige Größe dargestellt. Bewegung wurde als Bewegung im Raum entlang kontinuierlicher Bahnen gemäß den Gesetzen der Mechanik betrachtet. Das Ergebnis von Newtons Weltbild war das Bild des Universums als eines gigantischen und vollständig determinierten Mechanismus, in dem Ereignisse und Prozesse eine Kette voneinander abhängiger Ursachen und Wirkungen sind.
Der mechanistische Ansatz zur Beschreibung der Natur hat sich als äußerst fruchtbar erwiesen. In Anlehnung an die Newtonsche Mechanik entstanden die Hydrodynamik, die Elastizitätstheorie, die mechanische Wärmetheorie, die molekularkinetische Theorie und viele andere, mit denen die Physik enorme Erfolge erzielte. Allerdings gab es zwei Bereiche – optische und elektromagnetische Phänomene, die im Rahmen eines mechanistischen Weltbildes nicht vollständig erklärt werden konnten.
Neben der mechanischen Korpuskulartheorie wurde versucht, optische Phänomene auf grundlegend andere Weise zu erklären, nämlich auf der Grundlage der Wellentheorie. Die Wellentheorie stellte eine Analogie zwischen der Ausbreitung von Licht und der Bewegung von Wellen auf der Wasseroberfläche oder Schallwellen in der Luft her. Es wurde die Anwesenheit eines elastischen Mediums angenommen, das den gesamten Raum ausfüllt – eines leuchtenden Äthers. Basierend auf der Wellentheorie von X. Huygens gelang es, die Reflexion und Brechung von Licht zu erklären.
Ein weiterer Bereich der Physik, in dem sich mechanische Modelle als unzureichend erwiesen, war der Bereich elektromagnetischer Phänomene. Die Experimente des englischen Naturforschers M. Faraday und die theoretischen Arbeiten des englischen Physikers J. C. Maxwell zerstörten endgültig die Vorstellungen der Newtonschen Physik über diskrete Materie als einzige Art von Materie und legten den Grundstein für das elektromagnetische Weltbild. Das Phänomen des Elektromagnetismus wurde vom dänischen Naturforscher H.K. entdeckt. Oersted, der als Erster die magnetische Wirkung elektrischer Ströme bemerkte. M. Faraday setzte seine Forschungen in dieser Richtung fort und entdeckte, dass eine vorübergehende Änderung der Magnetfelder einen elektrischen Strom erzeugt.
M. Faraday kam zu dem Schluss, dass das Studium der Elektrizität und Optik miteinander verbunden sind und ein einziges Fachgebiet bilden. Maxwell „übersetzte“ Faradays Feldlinienmodell in eine mathematische Formel. Der Begriff „Kräftefeld“ wurde ursprünglich als mathematischer Hilfsbegriff entwickelt. J.C. Maxwell gab ihm eine physikalische Bedeutung und begann, das Feld als unabhängige physikalische Realität zu betrachten: „Ein elektromagnetisches Feld ist der Teil des Raums, der Körper enthält und umgibt, die sich in einem elektrischen oder magnetischen Zustand befinden.“
Aus seiner Forschung konnte Maxwell schließen, dass Lichtwellen elektromagnetische Wellen sind. Die einzige Essenz von Licht und Elektrizität, die M. Faraday 1845 und J.K. Maxwell begründete es 1862 theoretisch und wurde 1888 vom deutschen Physiker G. Hertz experimentell bestätigt. Nach den Experimenten von G. Hertz etablierte sich der Feldbegriff in der Physik endgültig nicht als mathematisches Hilfskonstrukt, sondern als objektiv existierende Physik Wirklichkeit. Es wurde eine qualitativ neue, einzigartige Art von Materie entdeckt. Also bis zum Ende des 19. Jahrhunderts. Die Physik ist zu dem Schluss gekommen, dass Materie in zwei Formen existiert: diskrete Materie und kontinuierliches Feld. Als Folge späterer revolutionärer Entdeckungen in der Physik am Ende des letzten und Anfang dieses Jahrhunderts wurden die Vorstellungen der klassischen Physik über Materie und Feld als zwei qualitativ einzigartige Arten von Materie zerstört.
MegaweltDie moderne Wissenschaft betrachtet die Megawelt oder den Weltraum als ein interagierendes und sich entwickelndes System aller Himmelskörper. Alle existierenden Galaxien sind im System höchster Ordnung – der Metagalaxie – enthalten. Die Dimensionen der Metagalaxie sind sehr groß: Der Radius des kosmologischen Horizonts beträgt 15 – 20 Milliarden Lichtjahre. Die Konzepte „Universum“ und „Metagalaxie“ sind sehr ähnliche Konzepte: Sie charakterisieren dasselbe Objekt, jedoch in unterschiedlichen Aspekten. Der Begriff „Universum“ bezeichnet die gesamte existierende materielle Welt; Das Konzept der „Metagalaxie“ ist dieselbe Welt, jedoch aus der Sicht ihrer Struktur – als geordnetes Galaxiensystem. Die Struktur und Entwicklung des Universums werden von der Kosmologie untersucht. Die Kosmologie als Zweig der Naturwissenschaften befindet sich an einer einzigartigen Schnittstelle von Wissenschaft, Religion und Philosophie. Kosmologische Modelle des Universums basieren auf bestimmten ideologischen Prämissen, und diese Modelle selbst haben große ideologische Bedeutung.
In der klassischen Wissenschaft gab es die sogenannte Steady-State-Theorie des Universums, nach der das Universum schon immer fast das gleiche war wie jetzt. Die Astronomie war statisch: Die Bewegungen von Planeten und Kometen wurden untersucht, Sterne wurden beschrieben, ihre Klassifizierungen wurden erstellt, was natürlich sehr wichtig war. Aber die Frage nach der Entwicklung des Universums wurde nicht aufgeworfen. Moderne kosmologische Modelle des Universums basieren auf der Allgemeinen Relativitätstheorie von A. Einstein, nach der die Metrik von Raum und Zeit durch die Verteilung der Gravitationsmassen im Universum bestimmt wird. Seine Gesamteigenschaften werden durch die durchschnittliche Dichte der Materie und andere spezifische physikalische Faktoren bestimmt.
Einsteins Gravitationsgleichung hat nicht eine, sondern viele Lösungen, was die Existenz vieler kosmologischer Modelle des Universums erklärt. Das erste Modell wurde 1917 von A. Einstein selbst entwickelt. Er lehnte die Postulate der Newtonschen Kosmologie über die Absolutheit und Unendlichkeit von Raum und Zeit ab. Gemäß A. Einsteins kosmologischem Modell des Universums ist der Weltraum homogen und isotrop, die Materie ist darin im Durchschnitt gleichmäßig verteilt und die Anziehungskraft der Massen wird durch die universelle kosmologische Abstoßung kompensiert. Die Existenz des Universums ist unendlich, d.h. hat keinen Anfang und kein Ende, und der Raum ist grenzenlos, aber endlich.
Das Universum im kosmologischen Modell von A. Einstein ist stationär, zeitlich unendlich und räumlich grenzenlos. Im Jahr 1922 Der russische Mathematiker und Geophysiker A. A. Friedman lehnte das Postulat der klassischen Kosmologie über die Stationarität des Universums ab und erhielt eine Lösung für die Einstein-Gleichung, die das Universum mit „ausdehnendem“ Raum beschrieb. Da die durchschnittliche Materiedichte im Universum unbekannt ist, wissen wir heute nicht, in welchem dieser Räume des Universums wir leben.
Im Jahr 1927 verband der belgische Abt und Wissenschaftler J. Lemaitre die „Ausdehnung“ des Weltraums mit Daten aus astronomischen Beobachtungen. Lemaitre führte das Konzept des Beginns des Universums als Singularität (d. h. eines superdichten Zustands) und der Geburt des Universums als Urknall ein. Die Ausdehnung des Universums gilt als wissenschaftlich belegte Tatsache. Nach theoretischen Berechnungen von J. Lemaître betrug der Radius des Universums in seinem ursprünglichen Zustand 10–12 cm, was in etwa dem Radius eines Elektrons entspricht, und seine Dichte betrug 1096 g/cm 3 . In einem singulären Zustand war das Universum ein Mikroobjekt von vernachlässigbarer Größe. Ausgehend vom anfänglichen singulären Zustand expandierte das Universum infolge des Urknalls.
Retrospektive Berechnungen beziffern das Alter des Universums auf 13–20 Milliarden Jahre. In der modernen Kosmologie wird der Klarheit halber die Anfangsphase der Entwicklung des Universums in „Epochen“ unterteilt.
Das Zeitalter der Hadronen. Schwere Teilchen, die starke Wechselwirkungen eingehen.
Die Ära der Leptonen. Lichtteilchen treten in elektromagnetische Wechselwirkung.
Photonen-Ära. Dauer 1 Million Jahre. Der Großteil der Masse – die Energie des Universums – stammt von Photonen.
Star-Ära. Tritt 1 Million Jahre nach der Geburt des Universums auf. Während des Sternzeitalters beginnt der Prozess der Bildung von Protosternen und Protogalaxien. Dann entfaltet sich ein grandioses Bild der Entstehung der Struktur der Metagalaxie.
In der modernen Kosmologie erfreut sich neben der Urknallhypothese auch das Inflationsmodell des Universums großer Beliebtheit, das die Entstehung des Universums berücksichtigt. Befürworter des Inflationsmodells sehen eine Entsprechung zwischen den Stadien der kosmischen Evolution und den Stadien der Erschaffung der Welt, die im Buch Genesis in der Bibel beschrieben werden. Gemäß der Inflationshypothese durchläuft die kosmische Entwicklung im frühen Universum mehrere Phasen.
Inflationsphase. Durch einen Quantensprung gelangte das Universum in einen Zustand angeregten Vakuums und dehnte sich in Abwesenheit von Materie und Strahlung nach einem Exponentialgesetz intensiv aus. In dieser Zeit wurden Raum und Zeit des Universums selbst geschaffen. Das Universum blähte sich von einer unvorstellbar kleinen Quantengröße von 10-33 auf eine unvorstellbar große Größe von 101000000 cm auf, was viele Größenordnungen größer ist als die Größe des beobachtbaren Universums – 1028 cm. Während dieser gesamten Anfangsperiode gab es weder Materie noch Strahlung das Universum. Übergang vom Inflationsstadium zum Photonenstadium. Der Zustand des falschen Vakuums löste sich auf, die freigesetzte Energie führte zur Entstehung schwerer Teilchen und Antiteilchen, die nach ihrer Vernichtung einen starken Strahlungsblitz (Licht) erzeugten, der den Raum erleuchtete.
Anschließend verlief die Entwicklung des Universums vom einfachsten homogenen Zustand zur Schaffung immer komplexerer Strukturen – Atome (ursprünglich Wasserstoffatome), Galaxien, Sterne, Planeten, die Synthese schwerer Elemente im Inneren von Sternen, einschließlich dieser notwendig für die Erschaffung des Lebens, die Entstehung des Lebens und als Krone der Schöpfung - der Mensch. Der Unterschied zwischen den Stadien der Entwicklung des Universums im Inflationsmodell und im Urknallmodell betrifft nur das Anfangsstadium in der Größenordnung von 10–30 s, daher gibt es keine grundlegenden Unterschiede zwischen diesen Modellen im Verständnis der Stadien der kosmischen Evolution . Das Universum ist auf verschiedenen Ebenen, von herkömmlichen Elementarteilchen bis hin zu riesigen Supergalaxienhaufen, durch seine Struktur gekennzeichnet. Die moderne Struktur des Universums ist das Ergebnis der kosmischen Evolution, bei der Galaxien aus Protogalaxien, Sterne aus Protosternen und Planeten aus protoplanetaren Wolken entstanden.
Eine Metagalaxie ist eine Ansammlung von Sternensystemen – Galaxien – und ihre Struktur wird durch deren Verteilung im Raum bestimmt, der mit extrem verdünntem intergalaktischem Gas gefüllt und von intergalaktischen Strahlen durchdrungen ist. Nach modernen Konzepten zeichnet sich eine Metagalaxie durch eine zelluläre (maschige, poröse) Struktur aus. Es gibt riesige Weltraumvolumina (in der Größenordnung von einer Million Kubikmegaparsec), in denen Galaxien noch nicht entdeckt wurden. Das Alter der Metagalaxie liegt nahe am Alter des Universums, da die Bildung der Struktur in der Zeit nach der Trennung von Materie und Strahlung erfolgt. Nach modernen Daten wird das Alter der Metagalaxie auf 15 Milliarden Jahre geschätzt.
Eine Galaxie ist ein riesiges System, das aus Ansammlungen von Sternen und Nebeln besteht, die im Weltraum eine recht komplexe Konfiguration bilden. Aufgrund ihrer Form werden Galaxien herkömmlicherweise in drei Typen eingeteilt: elliptische, spiralförmige und unregelmäßige. Elliptische Galaxien – haben die räumliche Form eines Ellipsoids mit unterschiedlichem Kompressionsgrad; sie haben die einfachste Struktur: Die Verteilung der Sterne nimmt vom Zentrum aus gleichmäßig ab. Spiralgalaxien werden in Spiralform dargestellt, einschließlich Spiralarmen. Dies ist der zahlreichste Galaxientyp, zu dem auch unsere Galaxie gehört – die Milchstraße. Unregelmäßige Galaxien haben keine eindeutige Form; ihnen fehlt ein zentraler Kern. Die ältesten Sterne, deren Alter dem Alter der Galaxie nahekommt, konzentrieren sich im Kern der Galaxie. In der galaktischen Scheibe befinden sich mittelalte und junge Sterne. Sterne und Nebel innerhalb der Galaxie bewegen sich auf ziemlich komplexe Weise, zusammen mit der Galaxie sind sie an der Expansion des Universums beteiligt, außerdem sind sie an der Rotation der Galaxie um ihre Achse beteiligt.
Sterne. Im gegenwärtigen Stadium der Entwicklung des Universums befindet sich die darin enthaltene Materie überwiegend in einem stellaren Zustand. 97 % der Materie in unserer Galaxie ist in Sternen konzentriert, bei denen es sich um riesige Plasmaformationen unterschiedlicher Größe, Temperatur und unterschiedlicher Eigenschaften handelt der Bewegung. Viele, wenn nicht die meisten anderen Galaxien haben „Sternmaterie“, die mehr als 99,9 % ihrer Masse ausmacht. Das Alter von Sternen variiert in einem ziemlich breiten Wertebereich: von 15 Milliarden Jahren, was dem Alter des Universums entspricht, bis zu Hunderttausenden, dem jüngsten. Die Geburt von Sternen erfolgt in Gasstaubnebeln unter dem Einfluss von Gravitations-, Magnet- und anderen Kräften, wodurch instabile Homogenitäten entstehen und diffuse Materie in eine Reihe von Kondensationen zerfällt. Bleiben solche Verdichtungen lange genug bestehen, verwandeln sie sich mit der Zeit in Sterne. Im Endstadium der Evolution verwandeln sich Sterne in träge („tote“) Sterne.
Sterne existieren nicht isoliert, sondern bilden Systeme. Die einfachsten Sternsysteme – die sogenannten Mehrfachsysteme – bestehen aus zwei, drei, vier, fünf oder mehr Sternen, die sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt drehen. Sterne werden auch zu noch größeren Gruppen zusammengefasst – Sternhaufen, die eine „verstreute“ oder „kugelförmige“ Struktur haben können. Offene Sternhaufen bestehen aus mehreren Hundert Einzelsternen, Kugelsternhaufen aus vielen Hunderttausenden. Das Sonnensystem ist eine Gruppe von Himmelskörpern, die sich in Größe und physikalischer Struktur sehr unterscheiden. Zu dieser Gruppe gehören: die Sonne, neun große Planeten, Dutzende Planetensatelliten, Tausende Kleinplaneten (Asteroiden), Hunderte Kometen und unzählige Meteoritenkörper, die sich sowohl in Schwärmen als auch in Form einzelner Teilchen bewegen.
Bis 1979 waren 34 Satelliten und 2000 Asteroiden bekannt. Alle diese Körper sind aufgrund der Gravitationskraft des Zentralkörpers – der Sonne – zu einem System vereint. Das Sonnensystem ist ein geordnetes System mit eigenen Strukturgesetzen. Die einheitliche Natur des Sonnensystems zeigt sich darin, dass sich alle Planeten in derselben Richtung und in nahezu derselben Ebene um die Sonne drehen. Die meisten Satelliten der Planeten drehen sich in die gleiche Richtung und in den meisten Fällen in der Äquatorialebene ihres Planeten. Die Sonne, die Planeten und die Satelliten der Planeten drehen sich um ihre Achsen in der gleichen Richtung, in die sie sich entlang ihrer Flugbahnen bewegen. Auch der Aufbau des Sonnensystems ist natürlich: Jeder nachfolgende Planet ist etwa doppelt so weit von der Sonne entfernt wie der vorherige.
Das Sonnensystem entstand vor etwa 5 Milliarden Jahren und die Sonne ist ein Stern der zweiten Generation. So entstand das Sonnensystem aus den Abfallprodukten von Sternen früherer Generationen, die sich in Gas- und Staubwolken ansammelten. Dieser Umstand gibt Anlass, das Sonnensystem als einen kleinen Teil des Sternenstaubs zu bezeichnen. Die Wissenschaft weiß weniger über den Ursprung des Sonnensystems und seine historische Entwicklung, als nötig ist, um eine Theorie der Planetenentstehung aufzustellen.
Moderne Konzepte zur Entstehung der Planeten des Sonnensystems basieren auf der Tatsache, dass nicht nur mechanische, sondern auch andere, insbesondere elektromagnetische Kräfte berücksichtigt werden müssen. Diese Idee wurde vom schwedischen Physiker und Astrophysiker H. Alfvén und dem englischen Astrophysiker F. Hoyle vertreten. Nach modernen Vorstellungen bestand die ursprüngliche Gaswolke, aus der die Sonne und die Planeten entstanden, aus ionisiertem Gas, das dem Einfluss elektromagnetischer Kräfte ausgesetzt war. Nachdem die Sonne durch Konzentration aus einer riesigen Gaswolke entstanden war, blieben kleine Teile dieser Wolke in sehr großer Entfernung von ihr zurück. Die Gravitationskraft begann, das verbleibende Gas zum entstehenden Stern – der Sonne – anzuziehen, aber ihr Magnetfeld stoppte das fallende Gas in verschiedenen Entfernungen – genau dort, wo sich die Planeten befinden. Gravitations- und Magnetkräfte beeinflussten die Konzentration und Kondensation des fallenden Gases und in der Folge entstanden Planeten. Als die größten Planeten entstanden, wiederholte sich der gleiche Vorgang in kleinerem Maßstab und so entstanden Satellitensysteme.
Theorien über den Ursprung des Sonnensystems sind hypothetischer Natur und es ist unmöglich, die Frage ihrer Zuverlässigkeit im gegenwärtigen Stadium der wissenschaftlichen Entwicklung eindeutig zu klären. Alle bestehenden Theorien weisen Widersprüche und Unklarheiten auf. Derzeit werden im Bereich der theoretischen Grundlagenphysik Konzepte entwickelt, nach denen die objektiv existierende Welt nicht auf die materielle Welt beschränkt ist, die wir mit unseren Sinnen oder physikalischen Instrumenten wahrnehmen. Die Autoren dieser Konzepte kamen zu folgendem Schluss: Neben der materiellen Welt gibt es eine Realität höherer Ordnung, die einen grundlegend anderen Charakter hat als die Realität der materiellen Welt.
Seit langem versucht man, eine Erklärung für die Vielfalt und Seltsamkeit der Welt zu finden. Das Studium der Materie und ihrer Strukturebenen ist eine notwendige Voraussetzung für die Bildung einer Weltanschauung, unabhängig davon, ob diese letztlich materialistisch oder idealistisch ausfällt. Es liegt auf der Hand, dass es sehr wichtig ist, den Begriff der Materie zu definieren, ihn als unerschöpflich für die Konstruktion eines wissenschaftlichen Bildes der Welt zu verstehen und das Problem der Realität und Erkennbarkeit von Objekten und Phänomenen der Mikro-, Makro- und Megawelt zu lösen .
Alle oben genannten revolutionären Entdeckungen in der Physik stellten bisher bestehende Weltanschauungen auf den Kopf. Die Überzeugung von der Universalität der Gesetze der klassischen Mechanik verschwand, weil die bisherigen Vorstellungen über die Unteilbarkeit des Atoms, die Konstanz der Masse, die Unveränderlichkeit chemischer Elemente usw. zerstört wurden. Nun ist es kaum noch möglich, einen Physiker zu finden, der glaubt, dass alle Probleme seiner Wissenschaft mit Hilfe mechanischer Konzepte und Gleichungen gelöst werden können.
Die Geburt und Entwicklung der Atomphysik zerstörte somit endgültig das bisherige mechanistische Weltbild. Aber Newtons klassische Mechanik verschwand nicht. Bis heute nimmt sie unter anderen Naturwissenschaften einen Ehrenplatz ein. Mit seiner Hilfe wird beispielsweise die Bewegung künstlicher Erdsatelliten, anderer Weltraumobjekte etc. berechnet. Heute wird es jedoch als Sonderfall der Quantenmechanik interpretiert, der auf langsame Bewegungen und große Objektmassen in der Makrowelt anwendbar ist.
Gegenstand. Struktur und systemische Organisation der Materie. Systemische Organisation als Attribut der Materie. Struktur der Materie. Strukturelle Organisationsebenen der Materie. Strukturebenen verschiedener Sphären.
Gegenstand
Zellulär – unabhängig voneinander existierende einzellige Organismen;
Mehrzellig – Organe und Gewebe, Funktionssysteme (Nerven-, Kreislauf), Organismen: Pflanzen und Tiere;
Der Körper als Ganzes;
Populationen (Biotop) – Gemeinschaften von Individuen derselben Art, die durch einen gemeinsamen Genpool verbunden sind (können sich untereinander kreuzen und ihre eigene Art reproduzieren): ein Rudel Wölfe in einem Wald, ein Fischschwarm in einem See, ein Ameisenhaufen usw Busch;
- Biozönose – eine Reihe von Populationen von Organismen, in denen die Abfallprodukte einiger zu Bedingungen für das Leben und die Existenz anderer Organismen werden, die ein Land- oder Wassergebiet bewohnen. Zum Beispiel ein Wald: darin lebende Pflanzenpopulationen sowie Tiere, Pilze, Flechten und Mikroorganismen interagieren miteinander und bilden ein integrales System;
- Biosphäre – ein globales Lebenssystem, der Teil der geografischen Umgebung (unterer Teil der Atmosphäre, oberer Teil der Lithosphäre und Hydrosphäre), der der Lebensraum lebender Organismen ist und die für ihr Überleben notwendigen Bedingungen (Temperatur, Boden) bietet usw.), als Ergebnis gebildet Interaktionen von Biozönosen.
Die allgemeine Lebensgrundlage auf biologischer Ebene ist der organische Stoffwechsel (Austausch von Materie, Energie, Informationen mit der Umwelt), der sich auf jeder der identifizierten Unterebenen manifestiert:
Auf der Ebene der Organismen bedeutet Stoffwechsel Assimilation und Dissimilation durch intrazelluläre Transformationen;
Auf der Ebene der Biozönose besteht sie aus einer Kette von Umwandlungen einer zunächst von Produzentenorganismen assimilierten Substanz durch Konsumorganismen und Zerstörerorganismen verschiedener Arten;
Auf der Ebene der Biosphäre findet ein globaler Stoff- und Energiekreislauf unter direkter Beteiligung von Faktoren auf kosmischer Ebene statt.
Innerhalb der Biosphäre beginnt sich ein besonderes materielles System zu entwickeln, das dank der Arbeitsfähigkeit besonderer Populationen von Lebewesen entsteht – die menschliche Gesellschaft. Die soziale Realität umfasst Unterebenen: Individuum, Familie, Gruppe, Kollektiv, soziale Gruppe, Klassen, Nationen, Staat, Staatensysteme, Gesellschaft als Ganzes. Die Gesellschaft existiert nur dank der Aktivitäten der Menschen.
Die strukturelle Ebene der gesellschaftlichen Realität steht in mehrdeutigen linearen Beziehungen zueinander (zum Beispiel die Ebene der Nation und die Ebene des Staates). Die Verflechtung verschiedener Ebenen der Gesellschaftsstruktur bedeutet nicht das Fehlen von Ordnung und Struktur in der Gesellschaft. In der Gesellschaft können wir grundlegende Strukturen unterscheiden – die Hauptbereiche des gesellschaftlichen Lebens: materielle und produktive, soziale, politische, spirituelle usw., die ihre eigenen Gesetze und Strukturen haben. Sie alle sind gewissermaßen untergeordnet, strukturiert und bestimmen die genetische Einheit der gesamtgesellschaftlichen Entwicklung.
Somit wird jeder Bereich der objektiven Realität aus einer Reihe spezifischer Strukturebenen gebildet, die innerhalb eines bestimmten Realitätsbereichs in strenger Reihenfolge angeordnet sind. Der Übergang von einem Bereich in einen anderen ist mit der Komplikation und Zunahme der Anzahl gebildeter Faktoren verbunden, die die Integrität von Systemen gewährleisten, d.h. Die Entwicklung materieller Systeme erfolgt in der Richtung vom Einfachen zum Komplexen, vom Niedrigen zum Höheren.
Innerhalb jeder Strukturebene bestehen Unterordnungsbeziehungen (die molekulare Ebene umfasst die atomare Ebene und nicht umgekehrt). Jede höhere Form entsteht auf der Grundlage einer niedrigeren und schließt diese in ihrer aufgehobenen Form ein. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die Spezifität höherer Formen nur auf der Grundlage einer Analyse der Strukturen niedrigerer Formen ermittelt werden kann. Und umgekehrt kann das Wesen einer Form höherer Ordnung nur auf der Grundlage des Inhalts einer höheren Form der Materie in Bezug auf sie erkannt werden.
Die Muster neuer Ebenen lassen sich nicht auf die Muster der Ebenen reduzieren, auf deren Grundlage sie entstanden sind, und sind für eine bestimmte Organisationsebene der Materie maßgebend. Darüber hinaus ist es illegal, die Eigenschaften höherer Materieebenen auf niedrigere zu übertragen. Jede Materieebene hat ihre eigene qualitative Spezifität. Auf der höchsten Ebene der Materie werden ihre niederen Formen nicht in „reiner“, sondern in synthetisierter („aufgehobener“) Form dargestellt. Beispielsweise ist es unmöglich, die Gesetze der Tierwelt auf die Gesellschaft zu übertragen, auch wenn es auf den ersten Blick so aussieht, als ob dort das „Gesetz des Dschungels“ herrscht. Obwohl die menschliche Grausamkeit unvergleichlich größer sein mag als die Grausamkeit von Raubtieren, sind Raubtiere dennoch mit menschlichen Gefühlen wie Liebe und Mitgefühl nicht vertraut.
Andererseits sind Versuche, Elemente höherer Ebenen auf niedrigeren Ebenen zu finden, haltlos. Zum Beispiel ein denkender Kopfsteinpflasterstein. Das ist eine Übertreibung. Aber es gab Versuche von Biologen, „menschliche“ Bedingungen für Affen zu schaffen, in der Hoffnung, in einhundert bis zweihundert Jahren einen Anthropoiden (Urmenschen) in ihrem Nachwuchs zu entdecken.
Die Strukturebenen der Materie interagieren als Teil und Ganzes miteinander. Das Zusammenspiel von Teil und Ganzem besteht darin, dass das eine das andere voraussetzt, sie eins sind und nicht ohne einander existieren können. Es gibt kein Ganzes ohne einen Teil und keine Teile außerhalb des Ganzen. Ein Teil erhält seine Bedeutung erst durch das Ganze, so wie das Ganze das Zusammenwirken von Teilen ist.
Im Zusammenwirken von Teil und Ganzem kommt dem Ganzen die bestimmende Rolle zu. Dies bedeutet jedoch nicht, dass den Teilen ihre Spezifität fehlt. Die bestimmende Rolle des Ganzen setzt nicht eine passive, sondern eine aktive Rolle der Teile voraus, die darauf abzielt, das normale Leben des Universums als Ganzes sicherzustellen. Unter dem Gesamtsystem des Ganzen behalten die Teile ihre relative Unabhängigkeit und Autonomie. Einerseits fungieren sie als Bestandteile des Ganzen, andererseits sind sie selbst einzigartige integrale Strukturen und Systeme. Beispielsweise sind die Faktoren, die die Integrität von Systemen in der unbelebten Natur gewährleisten, nukleare, elektromagnetische und andere Kräfte in der Gesellschaft – Arbeitsbeziehungen, politische, nationale usw.
Strukturelle Organisation, d.h. Systematik ist die Existenzweise der Materie.
Literatur
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6. Philosophische Probleme der Naturwissenschaft. M., 1985.
PRÜFUNG
durch Disziplin Konzepte der modernen Naturwissenschaft
Thema Nr. 9
„Strukturelle Organisationsebenen der Materie“
Planen:
Einleitung………………………………………………………… ….……………..2
- Die Rolle von Systemkonzepten bei der Analyse struktureller Organisationsebenen der Materie……………….……………………………………2
Strukturebenen des Wohnens……………………………………………..6
Die Essenz des Makrokosmos, Mikrokosmos und Megakosmos………………………….7
- Mikrowelt…………………………………………………………..… …………..8
- Makrowelt…………………………………………………………..… …………11
- Megawelt…………………………………………………………… ……12
- Analyse des klassischen und modernen Verständnisses des Konzepts des Makrokosmos…………………………………………………………….…13
Einführung.
Alle Objekte der Natur (lebende und unbelebte Natur) können als System dargestellt werden, das Merkmale aufweist, die ihre Organisationsebenen charakterisieren. Das Konzept der Strukturebenen lebender Materie umfasst Vorstellungen von Systematik und der damit verbundenen Organisation der Integrität lebender Organismen. Lebende Materie ist diskret, d.h. ist in Bestandteile einer unteren Organisation unterteilt, die spezifische Funktionen haben.
Strukturebenen unterscheiden sich nicht nur in den Komplexitätsklassen, sondern auch in den Funktionsmustern. Die hierarchische Struktur ist so, dass nicht jede höhere Ebene die Kontrolle hat, sondern die niedrigere einbezieht. Unter Berücksichtigung der Organisationsebene kann man die Hierarchie der Organisationsstrukturen materieller Objekte belebter und unbelebter Natur betrachten. Diese Strukturhierarchie beginnt bei den Elementarteilchen und endet bei den Lebensgemeinschaften. Das Konzept der Strukturebenen wurde erstmals in den 20er Jahren unseres Jahrhunderts vorgeschlagen. Demnach unterscheiden sich Strukturebenen nicht nur durch Komplexitätsklassen, sondern auch durch Funktionsmuster. Das Konzept umfasst eine Hierarchie von Strukturebenen, bei der jede nachfolgende Ebene in der vorherigen enthalten ist.
- Die Rolle von Systemkonzepten bei der Analyse struktureller Ebenen der Organisation der Materie.
Materie (lat. Materia – Substanz), „...eine philosophische Kategorie zur Bezeichnung der objektiven Realität, die dem Menschen in seinen Sinnen gegeben ist, die von unseren Sinnen kopiert, fotografiert, dargestellt wird und unabhängig von uns existiert.“
Materie ist eine unendliche Menge aller auf der Welt existierenden Objekte und Systeme, das Substrat aller Eigenschaften, Verbindungen, Beziehungen und Bewegungsformen. Materie umfasst nicht nur alle direkt beobachtbaren Objekte und Körper der Natur, sondern auch alle diejenigen, die im Prinzip durch die Verbesserung der Beobachtungs- und Experimentiermöglichkeiten in der Zukunft erkannt werden können.
In der modernen Wissenschaft ist die Grundlage für Vorstellungen über die Struktur der materiellen Welt ein Systemansatz, nach dem jedes Objekt der materiellen Welt (Atom, Organismus, Galaxie und das Universum selbst) als komplexes Gebilde einschließlich seiner Bestandteile betrachtet werden kann Teile in Integrität organisiert.
Grundprinzipien des Systemansatzes:
- Integrität, die es uns ermöglicht, das System gleichzeitig als Ganzes und gleichzeitig als Subsystem höherer Ebenen zu betrachten.
Hierarchie der Struktur, d. h. das Vorhandensein vieler (mindestens zwei) Elemente, die auf der Grundlage der Unterordnung von Elementen niedrigerer Ebene unter Elemente höherer Ebene angeordnet sind. Die Umsetzung dieses Prinzips ist am Beispiel einer bestimmten Organisation deutlich sichtbar. Wie Sie wissen, ist jede Organisation ein Zusammenspiel zweier Subsysteme: des verwaltenden und des verwalteten Subsystems. Das eine ist dem anderen untergeordnet.
Strukturierung, die es Ihnen ermöglicht, die Elemente des Systems und ihre Beziehungen innerhalb einer bestimmten Organisationsstruktur zu analysieren. In der Regel wird der Funktionsprozess eines Systems weniger durch die Eigenschaften seiner einzelnen Elemente als vielmehr durch die Eigenschaften der Struktur selbst bestimmt.
Vielfalt, die den Einsatz vieler kybernetischer, ökonomischer und mathematischer Modelle zur Beschreibung einzelner Elemente und des Systems als Ganzes ermöglicht.
Um die Integrität von Objekten in der Wissenschaft zu bezeichnen, wurde der Begriff „System“ entwickelt.
Ein System ist ein Komplex von Elementen, die interagieren. Aus dem Griechischen übersetzt ist es ein Ganzes aus Teilen, eine Verbindung.
Der Begriff „Element“ bezeichnet eine minimale, dann unteilbare Komponente innerhalb eines gegebenen Systems. Ein System kann nicht nur aus homogenen, sondern auch aus heterogenen Objekten bestehen. Die Struktur kann einfach oder komplex sein. Ein komplexes System besteht aus Elementen, die wiederum Subsysteme unterschiedlicher Komplexität und Hierarchie bilden.
Jedes System zeichnet sich nicht nur durch das Vorhandensein von Verbindungen und Beziehungen zwischen seinen Bestandteilen aus, sondern auch durch seine untrennbare Einheit mit der Umwelt.
Es können verschiedene Arten von Systemen unterschieden werden:
- durch die Art der Verbindung zwischen den Teilen und dem Ganzen – anorganisch und organisch;
durch Bewegungsformen der Materie – mechanisch, physikalisch, chemisch, physikalisch-chemisch;
in Bezug auf Bewegung – statistisch und dynamisch;
nach Art der Veränderung – nicht funktionsfähig, funktionsfähig, sich entwickelnd;
durch die Art des Austauschs mit der Umwelt – offen und geschlossen;
nach Organisationsgrad - einfach und komplex;
nach Entwicklungsstand - niedriger und höher;
nach Herkunft - natürlich, künstlich, gemischt;
in Richtung Entwicklung - progressiv und regressiv.
Stabile Verbindungen zwischen Elementen bestimmen die Ordnung des Systems. Es gibt zwei Arten von Verbindungen zwischen Systemelementen – horizontal und vertikal.
„Horizontale“ Verbindungen sind Koordinationsverbindungen zwischen Elementen gleicher Ordnung. Sie sind ihrer Natur nach korreliert: Kein Teil des Systems kann sich ändern, ohne dass sich andere Teile ändern.
„Vertikale“ Verbindungen sind Verbindungen der Unterordnung, also der Unterordnung von Elementen. Sie drücken die komplexe innere Struktur des Systems aus, wobei einige Teile anderen möglicherweise unterlegen und ihnen untergeordnet sind. Die vertikale Struktur umfasst Ebenen der Systemorganisation sowie deren Hierarchie.
Folglich ist der Ausgangspunkt jeder systemischen Forschung die Idee der Integrität des untersuchten Systems.
Die Integrität des Systems bedeutet, dass alle seine Bestandteile, die miteinander interagieren und sich verbinden, ein einzigartiges Ganzes bilden, das über neue Systemeigenschaften verfügt.
Die Eigenschaften eines Systems sind nicht nur die Summe der Eigenschaften seiner Elemente, sondern etwas Neues, das nur dem System als Ganzes innewohnt.
Nach modernen wissenschaftlichen Ansichten über die Natur sind alle natürlichen Objekte geordnete, strukturierte und hierarchisch organisierte Systeme.
In den Naturwissenschaften gibt es zwei große Klassen materieller Systeme: Systeme der unbelebten Natur und Systeme der belebten Natur.
Zu den Systemen der unbelebten Natur gehören Elementarteilchen und -felder, physikalisches Vakuum, Atome, Moleküle, makroskopische Körper, Planeten und Planetensysteme, Sterne, Galaxien und das Galaxiensystem – die Metagalaxie.
Zu den Systemen der belebten Natur zählen Biopolymere (Informationsmoleküle), Zellen, vielzellige Organismen, Populationen, Biozönosen und die Biosphäre als Gesamtheit aller lebenden Organismen.
In der Natur ist alles miteinander verbunden, sodass wir Systeme unterscheiden können, die sowohl Elemente der belebten als auch der unbelebten Natur umfassen – Biogeozänosen und die Biosphäre der Erde.
- Strukturebenen von Lebewesen.
Biosphäre – einschließlich der gesamten Gesamtheit der lebenden Organismen auf der Erde und ihrer natürlichen Umgebung. Auf dieser Ebene löst die biologische Wissenschaft ein Problem wie Änderungen der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre. Mit diesem Ansatz haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Kohlendioxidkonzentration in letzter Zeit jährlich um 0,4 % zugenommen hat, wodurch die Gefahr eines globalen Temperaturanstiegs, der Entstehung des sogenannten „Treibhauseffekts“, besteht.
Ebene der Biozönosen drückt die nächste Stufe der Struktur von Lebewesen aus, bestehend aus Teilen der Erde mit einer bestimmten Zusammensetzung aus lebenden und nicht lebenden Bestandteilen, die einen einzigen natürlichen Komplex, ein Ökosystem, darstellen. Eine rationelle Nutzung der Natur ist ohne Kenntnis der Struktur und Funktionsweise von Biogeozänosen bzw. Ökosystemen nicht möglich.
Populationsarten Die Ebene wird durch die freie Kreuzung von Individuen derselben Art gebildet. Seine Untersuchung ist wichtig für die Identifizierung von Faktoren, die die Bevölkerungsgröße beeinflussen.
Organismen- und Organgewebe Ebenen spiegeln die Eigenschaften einzelner Individuen, ihre Struktur, Physiologie, ihr Verhalten sowie die Struktur und Funktionen von Organen und Geweben von Lebewesen wider.
Zellulär und subzellulär Ebenen spiegeln die Prozesse der Zellspezialisierung sowie verschiedene intrazelluläre Einschlüsse wider.
Molekular Ebene ist das Fach der Molekularbiologie, zu deren wichtigsten Problemen die Untersuchung der Mechanismen der Übertragung genetischer Informationen und die Entwicklung der Gentechnik und Biotechnologie gehört.
Die Einteilung der lebenden Materie in Ebenen ist natürlich sehr willkürlich. Die Lösung spezifischer biologischer Probleme, wie etwa der Regulierung der Artenzahl, basiert auf Daten über alle Ebenen von Lebewesen. Aber alle Biologen sind sich einig, dass es in der lebenden Welt abgestufte Ebenen gibt, eine Art Hierarchie. Ihre Idee spiegelt eindeutig einen systematischen Ansatz zur Erforschung der Natur wider, der zu einem besseren Verständnis der Natur beiträgt.
Die grundlegende Grundlage der lebenden Welt ist die Zelle. Ihre Forschung hilft, die Besonderheiten aller Lebewesen zu verstehen.
- Die Essenz des Makrokosmos, Mikrokosmos und Megakosmos.
Die Kriterien zur Identifizierung verschiedener Strukturebenen sind folgende:
- raumzeitliche Skalen;
eine Reihe wesentlicher Eigenschaften;
spezifische Bewegungsgesetze;
der Grad der relativen Komplexität, der im Prozess der historischen Entwicklung der Materie in einem bestimmten Bereich der Welt entsteht;
einige andere Zeichen.
Mikrowelt.
Das Präfix „micro“ bezieht sich auf sehr kleine Größen. Man kann also sagen, dass ein Mikrokosmos etwas Kleines ist.
Die Mikrowelt sind Moleküle, Atome, Elementarteilchen – die Welt extrem kleiner, nicht direkt beobachtbarer Mikroobjekte, deren räumliche Dimension zwischen 10 –8 und 10 –16 cm liegt und deren Lebensdauer zwischen unendlich und 10 –24 liegt Sekunden.
In der Philosophie wird der Mensch als Mikrokosmos untersucht, und in der Physik, den Konzepten der modernen Naturwissenschaften, werden Moleküle als Mikrokosmos untersucht.
Die Mikrowelt hat ihre eigenen Eigenschaften, die sich wie folgt ausdrücken lassen:
1) Die vom Menschen verwendeten Entfernungseinheiten (m, km usw.) sind einfach sinnlos;
2) Es ist auch sinnlos, Maßeinheiten für das menschliche Gewicht (g, kg, Pfund usw.) zu verwenden.
In der Antike stellte Demokrit die Atomhypothese über die Struktur der Materie auf; später, im 18. Jahrhundert, wurde sie vom Chemiker J. Dalton wiederbelebt, der das Atomgewicht von Wasserstoff als eins annahm und die Atomgewichte anderer Gase damit verglich Es.
Dank der Arbeiten von J. Dalton begann man, die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Atoms zu untersuchen. Im 19. Jahrhundert baute D. I. Mendeleev ein System chemischer Elemente auf, das auf ihrem Atomgewicht basierte.
In der Physik stammt die Vorstellung von Atomen als den letzten unteilbaren Strukturelementen der Materie aus der Chemie. Tatsächlich beginnen physikalische Untersuchungen des Atoms Ende des 19. Jahrhunderts, als der französische Physiker A. A. Becquerel das Phänomen der Radioaktivität entdeckte, das in der spontanen Umwandlung von Atomen einiger Elemente in Atome anderer Elemente bestand.
Die Geschichte der Erforschung der Struktur des Atoms begann 1895 mit der Entdeckung des Elektrons durch J. Thomson, einem negativ geladenen Teilchen, das Teil aller Atome ist.
Da Elektronen negativ geladen sind und das Atom insgesamt elektrisch neutral ist, wurde angenommen, dass es neben dem Elektron ein positiv geladenes Teilchen gibt. Die Masse des Elektrons wurde mit 1/1836 der Masse eines positiv geladenen Teilchens berechnet.
Es gab mehrere Modelle der Struktur des Atoms.
Im Jahr 1902 schlug der englische Physiker W. Thomson (Lord Kelvin) das erste Atommodell vor – eine positive Ladung ist über eine ziemlich große Fläche verteilt und mit Elektronen durchsetzt, wie „Rosinen im Pudding“.
Im Jahr 1911 schlug E. Rutherford ein Atommodell vor, das dem Sonnensystem ähnelte: Im Zentrum befindet sich ein Atomkern, um den sich Elektronen auf ihren Bahnen bewegen.
Der Kern ist positiv geladen und die Elektronen sind negativ geladen. Anstelle der im Sonnensystem wirkenden Gravitationskräfte wirken im Atom elektrische Kräfte. Die elektrische Ladung des Atomkerns, numerisch gleich der Seriennummer im Periodensystem von Mendelejew, wird durch die Summe der Ladungen der Elektronen ausgeglichen – das Atom ist elektrisch neutral.
Beide Modelle erwiesen sich als widersprüchlich.
Im Jahr 1913 wandte der große dänische Physiker N. Bohr das Prinzip der Quantisierung an, um das Problem der Struktur des Atoms und der Eigenschaften der Atomspektren zu lösen.
N. Bohrs Atommodell basierte auf dem Planetenmodell von E. Rutherford und der von ihm entwickelten Quantentheorie der Atomstruktur. N. Bohr stellte eine Hypothese über die Struktur des Atoms auf, die auf zwei Postulaten beruhte, die mit der klassischen Physik völlig unvereinbar sind:
1) In jedem Atom gibt es mehrere stationäre Zustände.
2) Wenn ein Elektron von einem stationären Zustand in einen anderen übergeht, gibt das Atom einen Teil der Energie ab oder absorbiert ihn.
Letztendlich ist es grundsätzlich unmöglich, die Struktur eines Atoms anhand der Vorstellung der Bahnen von Punktelektronen genau zu beschreiben, da solche Bahnen tatsächlich nicht existieren.
Die Theorie von N. Bohr stellt sozusagen die Grenze der ersten Stufe in der Entwicklung der modernen Physik dar. Dies ist der jüngste Versuch, die Struktur des Atoms auf der Grundlage der klassischen Physik zu beschreiben, ergänzt durch nur wenige neue Annahmen.
Es schien, dass die Postulate von N. Bohr einige neue, unbekannte Eigenschaften der Materie widerspiegelten, jedoch nur teilweise. Antworten auf diese Fragen wurden durch die Entwicklung der Quantenmechanik gewonnen. Es stellte sich heraus, dass das Atommodell von N. Bohr nicht wie zu Beginn wörtlich genommen werden sollte. Prozesse im Atom können grundsätzlich nicht in Form mechanischer Modelle in Analogie zu Ereignissen im Makrokosmos visuell dargestellt werden. Selbst die Konzepte von Raum und Zeit in der Form, wie sie in der Makrowelt existieren, erwiesen sich als ungeeignet, um mikrophysikalische Phänomene zu beschreiben. Das Atom der theoretischen Physiker wurde zunehmend zu einer abstrakten, nicht beobachtbaren Summe von Gleichungen.
Makrowelt.
Natürlich gibt es Objekte, die viel größer sind als Objekte in der Mikrowelt. Diese Objekte bilden den Makrokosmos. Die Makrowelt wird nur von Objekten „bewohnt“, deren Größe mit der Größe eines Menschen vergleichbar ist. Auch der Mensch selbst kann als Objekt des Makrokosmos betrachtet werden.
Der Makrokosmos hat eine ziemlich komplexe Organisation. Sein kleinstes Element ist das Atom und sein größtes System ist der Planet Erde. Es umfasst sowohl nicht lebende Systeme als auch lebende Systeme verschiedener Ebenen. Jede Organisationsebene der Makrowelt enthält sowohl Mikrostrukturen als auch Makrostrukturen. Beispielsweise scheinen Moleküle zum Mikrokosmos zu gehören, da sie von uns nicht direkt beobachtet werden. Aber einerseits ist das Atom die größte Struktur des Mikrokosmos. Und wir haben jetzt die Möglichkeit, mit Mikroskopen der neuesten Generation sogar einen Teil eines Wasserstoffatoms zu sehen. Auf der anderen Seite gibt es riesige Moleküle, die in ihrer Struktur äußerst komplex sind, beispielsweise kann die DNA des Zellkerns fast einen Zentimeter lang sein. Dieser Wert ist mit unserer Erfahrung bereits durchaus vergleichbar, und wenn das Molekül dicker wäre, würden wir es mit bloßem Auge sehen.
Alle Stoffe, ob fest oder flüssig, bestehen aus Molekülen. Moleküle bilden Kristallgitter, Erze, Gesteine und andere Objekte, d. h. was wir fühlen, sehen usw. können. Trotz solch riesiger Formationen wie Berge und Ozeane handelt es sich jedoch allesamt um miteinander verbundene Moleküle. Moleküle stellen eine neue Organisationsebene dar; sie bestehen alle aus Atomen, die in diesen Systemen als unteilbar gelten, d. h. Elemente des Systems.
Sowohl die physikalische Organisationsebene des Makrokosmos als auch die chemische Ebene befassen sich mit Molekülen und verschiedenen Materiezuständen. Allerdings ist die chemische Ebene viel komplexer. Es wird nicht auf das Physische reduziert, das die Struktur von Stoffen, ihre physikalischen Eigenschaften, ihre Bewegung berücksichtigt (all dies wurde im Rahmen der klassischen Physik untersucht), zumindest im Hinblick auf die Komplexität chemischer Prozesse und die Reaktivität von Stoffen.
Auf der biologischen Organisationsebene des Makrokosmos können wir neben Molekülen normalerweise auch Zellen ohne Mikroskop nicht sehen. Aber es gibt Zellen, die enorme Größen erreichen, zum Beispiel sind die Axone von Krakenneuronen einen Meter lang oder sogar länger. Gleichzeitig weisen alle Zellen bestimmte ähnliche Merkmale auf: Sie bestehen aus Membranen, Mikrotubuli, viele haben Kerne und Organellen. Alle Membranen und Organellen wiederum bestehen aus Riesenmolekülen (Proteinen, Lipiden usw.), und diese Moleküle bestehen aus Atomen. Daher sind sowohl riesige Informationsmoleküle (DNA, RNA, Enzyme) als auch Zellen Mikroebenen der biologischen Organisationsebene der Materie, zu der so große Formationen wie Biozönosen und die Biosphäre gehören.
Megawelt.
Die Megaworld ist eine Welt aus Objekten, die unverhältnismäßig größer als Menschen sind.
Unser gesamtes Universum ist eine Megawelt. Seine Größe ist enorm, es ist grenzenlos und wächst ständig. Das Universum ist voller Objekte, die viel größer sind als unser Planet Erde und unsere Sonne. Es kommt oft vor, dass der Unterschied zwischen Sternen außerhalb des Sonnensystems um ein Vielfaches größer ist als der der Erde.
Die moderne Wissenschaft betrachtet die Megawelt oder den Weltraum als ein interagierendes und sich entwickelndes System aller Himmelskörper. Die Megawelt hat eine systemische Organisation in Form von Planeten und Planetensystemen, die um Sterne, Sterne und Sternsysteme – Galaxien – entstehen; Galaxiensysteme - Metagalaxien.
Das Studium der Megawelt ist eng mit der Kosmologie und Kosmogonie verbunden.
Kosmogonie ist ein Zweig der Wissenschaft der Astronomie, der den Ursprung von Galaxien, Sternen, Planeten und anderen Objekten untersucht. Heute lässt sich die Kosmogonie in zwei Teile unterteilen:
1) Kosmogonie des Sonnensystems. Dieser Teil (oder Typ) der Kosmogonie wird auch planetarisch genannt;
2) Sternkosmogonie.
Und obwohl alle diese Ebenen ihre eigenen spezifischen Gesetze haben, sind Mikrowelt, Makrowelt und Megawelt eng miteinander verbunden.
- Analyse des klassischen und modernen Verständnisses des Konzepts des Makrokosmos.
Am bedeutendsten für die spätere Entwicklung der Naturwissenschaften war das Konzept der diskreten Struktur der Materie – der Atomismus, nach dem alle Körper aus Atomen – den kleinsten Teilchen der Welt – bestehen.
Die Grundprinzipien des Atomismus waren Atome und Leere. Das Wesen natürlicher Prozesse wurde anhand der mechanischen Wechselwirkung von Atomen, ihrer Anziehung und Abstoßung erklärt.
Da moderne wissenschaftliche Vorstellungen über die strukturellen Ebenen der Organisation der Materie im Zuge eines kritischen Überdenkens der Ideen der klassischen Wissenschaft entwickelt wurden und nur auf Objekte auf Makroebene anwendbar sind, muss die Studie mit den Konzepten der klassischen Physik beginnen.
I. Newton entwickelte unter Berufung auf die Werke Galileis eine strenge wissenschaftliche Theorie der Mechanik, die sowohl die Bewegung von Himmelskörpern als auch die Bewegung irdischer Objekte nach denselben Gesetzen beschreibt. Die Natur wurde als komplexes mechanisches System betrachtet. Unter Materie versteht man eine materielle Substanz, die aus einzelnen Atomteilchen oder Korpuskeln besteht. Atome sind absolut stark, unteilbar, undurchdringlich und zeichnen sich durch das Vorhandensein von Masse und Gewicht aus.
Bewegung wurde als Bewegung im Raum entlang kontinuierlicher Bahnen gemäß den Gesetzen der Mechanik betrachtet. Es wurde angenommen, dass alle physikalischen Prozesse auf die Bewegung materieller Punkte unter dem Einfluss der Schwerkraft mit großer Reichweite reduziert werden können
In Anlehnung an die Newtonsche Mechanik entstanden die Hydrodynamik, die Elastizitätstheorie, die mechanische Wärmetheorie, die molekularkinetische Theorie und viele andere, mit denen die Physik enorme Erfolge erzielte. Allerdings gab es zwei Bereiche – optische und elektromagnetische Phänomene, die im Rahmen eines mechanistischen Weltbildes nicht vollständig erklärt werden konnten.
Bei der Entwicklung der Optik betrachtete I. Newton, der Logik seiner Lehre folgend, Licht als einen Fluss materieller Teilchen – Korpuskeln. In der Korpuskulartheorie des Lichts von I. Newton wurde argumentiert, dass leuchtende Körper winzige Teilchen aussenden, die sich nach den Gesetzen der Mechanik bewegen und beim Eintritt in das Auge ein Lichtempfinden hervorrufen. Auf der Grundlage dieser Theorie erklärte I. Newton die Gesetze der Reflexion und Brechung von Licht.
Neben der mechanischen Korpuskulartheorie wurde versucht, optische Phänomene auf grundlegend andere Weise zu erklären, nämlich auf der Grundlage der von H. Huygens formulierten Wellentheorie. Als Hauptargument für seine Theorie sah H. Huygens die Tatsache, dass zwei sich kreuzende Lichtstrahlen einander störungsfrei durchdringen, genau wie zwei Wellenreihen auf dem Wasser.
Nach der Korpuskulartheorie würde es zwischen Strahlen emittierter Teilchen wie Licht zu Kollisionen oder zumindest zu Störungen kommen. Basierend auf der Wellentheorie gelang es H. Huygens, die Reflexion und Brechung von Licht zu erklären.
Allerdings gab es einen wichtigen Einwand dagegen. Wie Sie wissen, fließen Wellen um Hindernisse herum. Ein Lichtstrahl, der sich geradlinig ausbreitet, kann Hindernisse nicht umgehen. Wenn ein undurchsichtiger Körper mit einer scharfen Kante in den Strahlengang eines Lichtstrahls gebracht wird, hat sein Schatten eine scharfe Kante. Dieser Einwand wurde jedoch dank der Experimente von Grimaldi bald ausgeräumt. Bei einer genaueren Beobachtung mit Vergrößerungslinsen stellte man fest, dass man an den Grenzen scharfer Schatten schwache Beleuchtungsbereiche in Form von abwechselnd hellen und dunklen Streifen oder Lichthöfen erkennen konnte. Dieses Phänomen wurde Lichtbeugung genannt.
Die Wellentheorie des Lichts wurde in den ersten Jahrzehnten des 19. Jahrhunderts erneut von dem englischen Physiker T. Young und dem französischen Naturforscher O. J. Fresnel aufgestellt. T. Jung gab eine Erklärung für das Phänomen der Interferenz, d.h. das Auftreten dunkler Streifen, wenn Licht auf Licht aufgetragen wird. Sein Wesen kann mit einer paradoxen Aussage beschrieben werden: Licht, das zu Licht hinzugefügt wird, erzeugt nicht unbedingt stärkeres Licht, kann aber schwächeres Licht und sogar Dunkelheit erzeugen. Der Grund dafür liegt darin, dass es sich bei Licht nach der Wellentheorie nicht um einen Fluss materieller Teilchen, sondern um Schwingungen eines elastischen Mediums bzw. um eine Wellenbewegung handelt. Wenn Ketten von Wellen in entgegengesetzten Phasen einander überlappen, wobei der Wellenberg einer Welle mit dem Wellental einer anderen zusammenfällt, zerstören sie sich gegenseitig, was zu dunklen Streifen führt.
Ein weiterer Bereich der Physik, in dem sich mechanische Modelle als unzureichend erwiesen, war der Bereich elektromagnetischer Phänomene. Die Experimente des englischen Naturforschers M. Faraday und die theoretischen Arbeiten des englischen Physikers J. C. Maxwell zerstörten endgültig die Vorstellungen der Newtonschen Physik über diskrete Materie als einzige Art von Materie und legten den Grundstein für das elektromagnetische Weltbild. Das Phänomen des Elektromagnetismus wurde vom dänischen Naturforscher H.K. Oersted entdeckt, der als Erster die magnetische Wirkung elektrischer Ströme bemerkte.
Später kam M. Faraday zu dem Schluss, dass die Erforschung von Elektrizität und Optik miteinander verbunden sind und ein einziges Fachgebiet bilden. Seine Arbeiten wurden zum Ausgangspunkt für die Forschungen von J.C. Maxwell, dessen Verdienst in der mathematischen Weiterentwicklung von M. Faradays Ideen über Magnetismus und Elektrizität liegt.
Nachdem Maxwell die zuvor experimentell festgestellten Gesetze elektromagnetischer Phänomene (Coulomb, Ampere) und das von M. Faraday entdeckte Phänomen der elektromagnetischen Induktion verallgemeinert hatte, fand er ein System von Differentialgleichungen, die das elektromagnetische Feld auf rein mathematische Weise beschreiben. Dieses Gleichungssystem bietet im Rahmen seiner Anwendbarkeit eine vollständige Beschreibung elektromagnetischer Phänomene und ist eine ebenso perfekte und logisch kohärente Theorie wie das System der Newtonschen Mechanik.
Aus den Gleichungen folgte die wichtigste Schlussfolgerung über die Möglichkeit der unabhängigen Existenz eines Feldes, das nicht an elektrische Ladungen „gebunden“ ist. IN
usw.................
Der Einfachheit halber ist es derzeit üblich, die einheitliche Natur in drei Strukturebenen zu unterteilen – Mikro-, Makro- und Megawelt. Natürliche, wenn auch teilweise subjektive Zeichen der Teilung sind die Größen und Massen der untersuchten Objekte.
Mikrowelt– die Welt extrem kleiner, nicht direkt beobachtbarer Mikrosysteme mit einer charakteristischen Größe von 10–8 cm oder weniger (Atome, Atomkerne, Elementarteilchen).
Makrowelt– die Welt der Makrokörper, angefangen bei Makromolekülen (Größen von 10–6 cm und mehr) über Objekte, deren Abmessungen mit der Skala direkter menschlicher Erfahrung vergleichbar sind – Millimeter, Zentimeter, Kilometer, bis hin zur Größe der Erde (die Länge von der Äquator der Erde beträgt ~ 10 9 cm).
Megawelt– die Welt der kosmischen Objekte von 10 9 cm bis 10 28 cm. Dieser Bereich umfasst die Größen der Erde, des Sonnensystems, der Galaxie und der Metagalaxie.
Obwohl die Mikro-, Makro- und Megawelten eng miteinander verbunden sind und ein Ganzes bilden, hat jede dieser Strukturebenen ihre eigenen spezifischen Gesetze: in der Mikrowelt – die Gesetze der Quantenphysik, in der Makrowelt - die Gesetze der klassischen Naturwissenschaften, insbesondere der klassischen Physik: Mechanik, Thermodynamik, Elektrodynamik. Die Gesetze der Megawelt basieren hauptsächlich auf der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Mikrowelt
Atomphysik Schon die alten Griechen Leukipp und Demokrit stellten die brillante Vermutung auf, dass Materie aus winzigen Teilchen – Atomen – besteht.
Die wissenschaftlichen Grundlagen der atomar-molekularen Wissenschaft wurden viel später in den Werken des russischen Wissenschaftlers gelegt M.V. Lomonossow, französischer Chemiker L. Lavoisier Und J. Proust, englischer Chemiker J. Dalton, italienischer Physiker A. Avogadro und andere Forscher.
Periodisches Recht D.I. Mendelejew zeigte die Existenz einer natürlichen Beziehung zwischen allen chemischen Elementen. Es wurde deutlich, dass alle Atome im Kern etwas gemeinsam hatten. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts. In der Chemie herrschte die Überzeugung vor, dass ein Atom das kleinste unteilbare Teilchen einer einfachen Substanz sei. Es wurde angenommen, dass bei allen chemischen Umwandlungen nur Moleküle zerstört und erzeugt werden, während Atome unverändert bleiben und nicht in Teile zerlegt werden können. Und schließlich Ende des 19. Jahrhunderts. Es wurden Entdeckungen gemacht, die die Komplexität der Struktur des Atoms und die Möglichkeit der Umwandlung einiger Atome in andere zeigten.
Deutsche Wissenschaftler waren die ersten, die auf die komplexe Struktur des Atoms hinwiesen. GR. Kirchhoff Und R.V. Bunsen, Untersuchung der Emissions- und Absorptionsspektren verschiedener Substanzen. Die komplexe Struktur des Atoms wurde auch durch Experimente zur Erforschung der Ionisation, der Entdeckung und Erforschung sogenannter Kathodenstrahlen und dem Phänomen der Radioaktivität bestätigt.
GR. Kirchhoff und R.V. Bunsen entdeckte, dass jedes chemische Element einen charakteristischen, einzigartigen Satz von Spektrallinien in seinen Emissions- und Absorptionsspektren aufweist. Dies bedeutete, dass Licht von einzelnen Atomen emittiert und absorbiert wurde und das Atom wiederum ein komplexes System war, das mit einem elektromagnetischen Feld interagieren konnte.
Dies wurde auch durch das Phänomen der Ionisierung von Atomen belegt, das bei Untersuchungen zur Elektrolyse und Gasentladung entdeckt wurde. Dieses Phänomen konnte nur durch die Annahme erklärt werden, dass das Atom während des Ionisierungsprozesses einige seiner Ladungen verliert oder neue Ladungen aufnimmt.
Beweise für die komplexe Struktur des Atoms lieferten Experimente zur Untersuchung von Kathodenstrahlen, die bei einer elektrischen Entladung in stark verdünnten Gasen erzeugt werden. Um diese Strahlen zu beobachten, wird möglichst viel Luft aus einem Glasrohr, in das zwei Metallelektroden eingelötet sind, gepumpt und anschließend von einem Hochspannungsstrom durchflossen. Unter solchen Bedingungen breiten sich „unsichtbare“ Kathodenstrahlen von der Kathode der Röhre senkrecht zu ihrer Oberfläche aus und verursachen an der Stelle, an der sie auftreffen, ein hellgrünes Leuchten. Kathodenstrahlen haben die Fähigkeit, leicht bewegliche Körper in magnetischen und elektrischen Feldern in Bewegung zu versetzen und von ihrer ursprünglichen Bahn abzuweichen.
Die Untersuchung der Eigenschaften von Kathodenstrahlen führte zu dem Schluss, dass sie aus winzigen Teilchen bestehen, die eine negative Ladung tragen. Später gelang es, die Masse und Größe ihrer Ladung zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass die Masse der Teilchen und die Größe ihrer Ladung weder von der Art des in der Röhre verbleibenden Gases noch von der Substanz, aus der die Elektroden bestehen, noch von anderen experimentellen Bedingungen abhängen. Darüber hinaus sind Kathodenteilchen nur im geladenen Zustand bekannt und können ohne ihre Ladungen nicht existieren und nicht in elektrisch neutrale Teilchen umgewandelt werden: Elektrische Ladung ist das Wesen ihrer Natur. Diese Teilchen heißen Elektronen.
In Kathodenröhren werden Elektronen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes von der Kathode getrennt. Sie können aber auch ohne Zusammenhang mit dem elektrischen Feld entstehen. Beispielsweise geben Metalle bei der Elektronenemission Elektronen ab, beim Photoeffekt emittieren auch viele Stoffe Elektronen. Die Freisetzung von Elektronen durch verschiedenste Stoffe deutete darauf hin, dass diese Teilchen ausnahmslos Bestandteil aller Atome sind. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass Atome komplexe Gebilde sind, die aus kleineren Komponenten aufgebaut sind.
Als er 1896 die Lumineszenz verschiedener Substanzen untersuchte, A.A. Becquerel entdeckte zufällig, dass Uransalze ohne vorherige Beleuchtung emittieren. Diese Strahlung, die eine große Durchdringungskraft hat und auf eine in schwarzes Papier eingewickelte Fotoplatte einwirkt, wurde genannt radioaktive Strahlung. Später wurde festgestellt, dass es aus schweren positiv geladenen α-Teilchen, leichten negativ geladenen β-Teilchen (Elektronen) und elektrisch neutraler γ-Strahlung besteht.
Die Entdeckung des Elektrons kann als Beginn der Geburt der Atomphysik angesehen werden, die zu Konstruktionsversuchen führte Atommodelle. Da das Elektron negativ geladen ist und das Atom als Ganzes stabil und elektrisch neutral ist, lag es nahe, das Vorhandensein positiv geladener Teilchen im Atom anzunehmen.
Die ersten Atommodelle, die auf den Konzepten der klassischen Mechanik und Elektrodynamik basierten, erschienen 1904: Der Autor eines davon war ein japanischer Physiker Hantaro Nagaoka, das andere gehörte dem englischen Physiker J. Thomson- der Autor der Entdeckung des Elektrons.
X. Nagaoka stellte die Struktur des Atoms als ähnlich der Struktur des Sonnensystems dar: Die Rolle der Sonne spielt der positiv geladene zentrale Teil des Atoms, um den sich „Planeten“ – Elektronen – in etablierter Ringform bewegen Umlaufbahnen. Bei geringen Verschiebungen regen Elektronen elektromagnetische Wellen an.
Im Atommodell von J. Thomson wird positive Elektrizität über eine Kugel „verteilt“, in die Elektronen eingebettet sind. Im einfachsten Wasserstoffatom befindet sich das Elektron im Zentrum einer positiv geladenen Kugel. In Mehrelektronenatomen sind Elektronen in stabilen Konfigurationen angeordnet, die von J. Thomson berechnet wurden. Thomson glaubte, dass jede Konfiguration bestimmte chemische Eigenschaften von Atomen bestimmt. Er machte einen Versuch, das Periodensystem der Elemente von D.I. Mendelejew theoretisch zu erklären.
Es stellte sich jedoch bald heraus, dass neue experimentelle Fakten Thomsons Modell widerlegen und im Gegenteil für das Planetenmodell sprechen. Diese Tatsachen wurden festgestellt E. Rutherford im Jahr 1912. Zunächst ist festzuhalten, dass er den Atomkern entdeckte. Um die Struktur des Atoms aufzudecken, untersuchte Rutherford das Atom mithilfe von Alphateilchen, die beim Zerfall von Radium und einigen anderen radioaktiven Elementen entstehen. Ihre Masse beträgt etwa das 8000-fache der Masse eines Elektrons und ihre positive Ladung entspricht in ihrer Größe dem Doppelten der Elektronenladung.
Bei Rutherfords Experimenten fiel ein Strahl aus α-Teilchen auf eine dünne Folie aus dem untersuchten Material (Gold, Kupfer usw.). Nach dem Durchgang durch die Folie treffen die α-Partikel auf ein mit Zinksulfid beschichtetes Sieb. Die Kollision jedes Partikels mit dem Bildschirm wurde begleitet von Szintillation(Lichtblitz), der beobachtet werden konnte. Ohne Folie erschien auf dem Bildschirm ein heller Kreis, der aus durch den Teilchenstrahl verursachten Szintillationen bestand. Wenn jedoch eine Folie in den Strahlengang gelegt wurde, erfuhren die α-Teilchen entgegen den Erwartungen nur eine sehr geringe Streuung an den Atomen der Folie und verteilten sich auf dem Bildschirm innerhalb eines Kreises mit einer etwas größeren Fläche.
Es stellte sich auch als völlig unerwartet heraus, dass eine kleine Anzahl von α-Teilchen (etwa eines von zwanzigtausend) in Winkeln größer als 90° abgelenkt wurde, d. h. geht praktisch zurück. Rutherford erkannte, dass ein positiv geladenes α-Teilchen nur dann zurückgeschleudert werden konnte, wenn die positive Ladung des Atoms und seine Masse in einem sehr kleinen Raumbereich in den Zielatomen konzentriert waren. Also kam Rutherford auf die Idee Atomkern- ein kleiner Körper, in dem fast die gesamte Masse und die gesamte positive Ladung des Atoms konzentriert sind.
Durch Zählen der Anzahl der in großen Winkeln gestreuten α-Partikel konnte Rutherford die Größe des Kerns abschätzen. Es stellte sich heraus, dass der Kern einen Durchmesser in der Größenordnung von hatte
10 –12 –10 –13 cm (für verschiedene Kerne). Die Größe des Atoms selbst beträgt etwa 10–8 cm, d.h. 10.000 bis 100.000 Mal größer als der Kern. Anschließend konnte die Ladung des Kerns genau bestimmt werden. Wenn wir die Ladung eines Elektrons als eins annehmen, ist die Ladung des Kerns genau gleich der Nummer eines bestimmten chemischen Elements im Periodensystem der Elemente D.I. Mendelejew.
Rutherfords Experimente führten direkt zum Planetenmodell des Atoms mit positiv geladenem Atomkern. Wenn man bedenkt, dass das Atom als Ganzes elektrisch neutral sein sollte, sollte man schlussfolgern, dass die Anzahl der intraatomaren Elektronen ebenso wie die Ladung des Kerns gleich der Ordnungszahl des Elements im Periodensystem ist. Es ist auch offensichtlich, dass Elektronen nicht im Inneren eines Atoms ruhen können, da sie aufgrund der Anziehungskraft des positiven Kerns auf das Atom fallen würden. Daher sollten sie sich wie Planeten um die Sonne um den Kern bewegen. Diese Art der Elektronenbewegung wird durch die Wirkung elektrischer Coulomb-Kräfte seitens des Kerns bestimmt.
In einem Wasserstoffatom umkreist nur ein Elektron den Kern. Der Kern eines Wasserstoffatoms hat eine positive Ladung, die der Ladung eines Elektrons entspricht, und eine Masse, die etwa 1836-mal größer als die Masse des Elektrons ist. Dieser Kern wurde von Rutherford benannt Proton und begann als Elementarteilchen betrachtet zu werden.
Die Größe eines Atoms wird durch den Umlaufradius seiner Elektronen bestimmt. Ein ziemlich klares Planetenmodell des Atoms ist, wie bereits erwähnt, eine direkte Folge von Rutherfords experimentellen Ergebnissen zur Streuung von Alphateilchen an Materieatomen.
Es wurde jedoch schnell klar, dass ein so einfaches Modell den Gesetzen der Elektrodynamik widerspricht, woraus folgt, dass das Rutherford-Modell des Atoms ein instabiles System ist und ein Atom der angegebenen Bauart nicht lange existieren kann. Tatsache ist, dass die Bewegung von Elektronen auf Kreisbahnen mit Beschleunigung erfolgt und eine beschleunigende Ladung gemäß den Maxwellschen Gesetzen der Elektrodynamik elektromagnetische Wellen aussenden muss (ω – eine Frequenz, die der Frequenz ihrer Drehung um den Kern entspricht). Strahlung geht mit einem Energieverlust einher. Unter Verlust von Energie müssen sich die Elektronen dem Kern nähern, so wie sich ein Satellit der Erde nähert, wenn er in der oberen Atmosphäre bremst.
In der Realität geschieht dies jedoch nicht. Atome sind stabil und können unbegrenzt existieren, ohne überhaupt elektromagnetische Wellen auszusenden.
Der dänische Wissenschaftler N. Bohr fand einen Ausweg aus dieser Situation. Er kam zu dem radikalen Schluss, dass die Gesetze der klassischen Mechanik und Elektrodynamik im Mikrokosmos und insbesondere im Atom überhaupt nicht anwendbar sind. Um jedoch Rutherfords Planetenmodell des Atoms zu bewahren, formulierte er zwei Postulate (Bohrs Postulate), die sowohl der klassischen Mechanik als auch der klassischen Elektrodynamik zuwiderliefen. Diese Postulate legten den Grundstein für grundlegend neue Theorien der Mikrowelt – Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik (Quantentheorie des elektromagnetischen Feldes). Zur Untermauerung seiner Postulate stützte sich Bohr auf die Idee der Existenz elektromagnetischer Feldquanten, die 1900 von M. Planck aufgestellt und dann von A. Einstein weiterentwickelt wurde (zur Erklärung des photoelektrischen Effekts).
Bohrs Postulate lauten wie folgt: Ein Elektron kann sich nicht auf irgendwelchen Bahnen um den Kern bewegen, sondern nur auf solchen, die bestimmte Bedingungen erfüllen, die sich aus der Quantentheorie ergeben. Diese Umlaufbahnen werden aufgerufen nachhaltig, oder Quantum, Orbit. Wenn sich ein Elektron auf einer der für es möglichen stabilen Bahnen bewegt, strahlt es nicht. Der Übergang eines Elektrons von einer entfernten Umlaufbahn in eine nähere Umlaufbahn geht mit einem Energieverlust einher.
Die Energie, die das Atom bei jedem Übergang verliert, wird in ein Quantum Strahlungsenergie umgewandelt. Die Frequenz des emittierten Lichts wird dabei durch die Radien der beiden Bahnen bestimmt, zwischen denen der Elektronenübergang stattfindet. Je größer der Abstand zwischen der Umlaufbahn, auf der sich das Elektron befindet, und der Umlaufbahn, auf der es sich bewegt, desto höher ist die Frequenz der Strahlung.
Das einfachste Atom ist das Wasserstoffatom: Nur ein Elektron rotiert um den Kern. Basierend auf den obigen Postulaten berechnete Bohr die Radien möglicher Bahnen für dieses Elektron und stellte fest, dass sie als Quadrate der natürlichen Zahlen zusammenhängen: 1: 2: : 3: ... : P. Größe P habe den Namen bekommen Hauptquantenzahl. Der Radius der dem Kern nächstgelegenen Umlaufbahn eines Wasserstoffatoms beträgt 0,53 Angström. Die daraus berechneten Frequenzen der Strahlungen, die die Übergänge eines Elektrons von einer Umlaufbahn in eine andere begleiten, erwiesen sich als genau dieselben wie die experimentell gefundenen Frequenzen für die Linien des Wasserstoffspektrums. Damit wurde die Richtigkeit der Berechnung stabiler (stationärer) Bahnen für das Wasserstoffatom bewiesen und gleichzeitig die Anwendbarkeit der Bohrschen Postulate für solche Berechnungen.
Bohrs Theorie wurde später auf die atomare Struktur anderer Elemente ausgeweitet. Die Ausweitung der Theorie auf Mehrelektronenatome und -moleküle stieß jedoch auf Schwierigkeiten. Je mehr Theoretiker versuchten, die Bewegung von Elektronen in einem Mehrelektronenatom zu beschreiben und ihre Umlaufbahnen zu bestimmen, desto größer wurden die Diskrepanzen zwischen den Ergebnissen und den experimentellen Daten. Im Zuge der Entwicklung der Quantentheorie wurde deutlich, dass diese Diskrepanzen grundlegender Natur sind und mit den sogenannten Welleneigenschaften des Elektrons zusammenhängen.
Tatsache ist, dass Louis de Broglie 1924 den damals bekannten Welle-Korpuskular-Dualismus des elektromagnetischen Feldes auf die materiellen Teilchen der Mikrowelt (Atome, Elektronen, Protonen usw.) ausdehnte. Erinnern wir uns daran, dass nach seiner Vorstellung Teilchen mit Masse, Ladung usw. auch Welleneigenschaften haben. In diesem Fall hängt die De-Broglie-Wellenlänge (λ) mit dem Teilchenimpuls zusammen R und ist gleich
λ = h/ð, Wo H– Plancksches Wirkungsquantum.
De Broglies Idee fand eine glänzende Bestätigung in den Experimenten von K. Davisson und L. Germer (1927), in denen das Phänomen der Elektronenbeugung beobachtet wurde – ein klassisches Beispiel für ein Wellenphänomen.
Wellenideen von Teilchen der Mikrowelt entwickeln, E. Schrödinger erstellte ein mathematisches Wellenmodell des Atoms in Form der mittlerweile berühmten Schrödinger-Wellendifferentialgleichung:
Die Analyse der Schrödinger-Wellengleichung zeigte, dass sich damit alle möglichen diskreten Energien bestimmen lassen E p in einem Atom. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Wellenfunktion es nicht erlaubt, die Position der Elektronen in Atomen, die sie in einer Art „Wolke“ ausbreiten, absolut genau zu bestimmen; Wir können also nur über die Wahrscheinlichkeit sprechen, an der einen oder anderen Stelle im Atom Elektronen zu finden, die durch das Quadrat der Wellenamplitude charakterisiert wird.
Unter Berücksichtigung der Gesetze der Quantenwellenmechanik wird deutlich, warum es unmöglich war, die Struktur eines Atoms anhand der Vorstellungen über die Bohr-Bahnen der Elektronen in einem Atom genau zu beschreiben. Solche genau lokalisierten Bahnen in Atomen gibt es einfach nicht, und eine gute Übereinstimmung zwischen der Berechnung der Elektronenbahnen im Wasserstoffatom gemäß Bohrs Theorie und experimentellen Daten ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Bohrs Elektronenbahnen nur für das Wasserstoffatom gut übereinstimmten mit den nach Schrödingers Quantentheorie berechneten Kurven der mittleren Ladungsdichte. Bei Mehrelektronenatomen wird ein solcher Zufall nicht beobachtet.
Derzeit basiert es auf der Quantenmechanik sowie der Quantenelektrodynamik – der 1927 entwickelten Quantentheorie des elektromagnetischen Feldes. P.A. Dirac konnten viele Merkmale des Verhaltens atomar-molekularer Mehrelektronensysteme erklärt werden. Insbesondere konnte die wichtigste Frage zum Aufbau von Atomen verschiedener Elemente geklärt und die Abhängigkeit der Eigenschaften von Elementen vom Aufbau der elektronischen Hüllen ihrer Atome festgestellt werden. Derzeit wurden Schemata für den Aufbau von Atomen aller chemischen Elemente entwickelt, die es ermöglichen, viele physikalische und chemische Eigenschaften der Elemente zu erklären.
Erinnern wir uns daran, dass die Anzahl der um den Atomkern rotierenden Elektronen der Ordnungszahl des Elements im Periodensystem von D.I. entspricht. Mendelejew. Elektronen sind in Schichten angeordnet. Jede Schicht verfügt über eine bestimmte Anzahl von Elektronen, die sie füllen oder sozusagen sättigen. Elektronen derselben Schicht zeichnen sich durch nahe beieinander liegende Energiewerte aus, d.h. liegen etwa auf dem gleichen Energieniveau. Die gesamte Atomhülle zerfällt in mehrere Energieniveaus ( N). Die Elektronen jeder nachfolgenden Schicht haben ein höheres Energieniveau als die Elektronen der vorherigen Schicht. Maximale Elektronenzahl ( N), das auf einem bestimmten Energieniveau (n) liegen kann, wird durch die Formel N = 2n 2 bestimmt, d.h. auf der ersten Ebene (n=1) Es können zwei Elektronen vorhanden sein, das zweite (n = 2)– acht Elektronen, am dritten (n= 3)- achtzehn.
Die Elektronen der äußeren Schicht, die am weitesten vom Kern entfernt sind und daher am wenigsten fest an den Kern gebunden sind, können vom Atom gelöst und an andere Atome gebunden werden, wodurch sie Teil der äußeren Schicht des letzteren werden. Atome, die ein oder mehrere Elektronen verloren haben, werden positiv geladen, weil die Ladung des Atomkerns die Summe der Ladungen der verbleibenden Elektronen übersteigt. Im Gegenteil: Atome, die Elektronen aufgenommen haben, werden negativ geladen. Die erzeugten geladenen Teilchen werden aufgerufen Ionen. Viele Ionen wiederum können Elektronen verlieren oder aufnehmen und sich in elektrisch neutrale Atome oder neue Ionen mit einer anderen Ladung verwandeln.
Zusammenfassend fassen wir die Betrachtung der wichtigsten Ergebnisse quantenmechanischer Ansätze zur Struktur und Struktur von Atomen zusammen und stellen Folgendes fest . Der Zustand jedes Elektrons in einem Atom wird durch vier Quantenzahlen charakterisiert – n, l, t, s:
1) N – Die Hauptsache Quantenzahl charakterisiert die Energie eines Elektrons in der entsprechenden Umlaufbahn ( N);
2)l – Orbital Quantenzahl, charakterisiert die Form der Umlaufbahn (Elektronenwolke) und kann in einem Atom von 0 bis variieren N = 1;
3)T– magnetisch Quantenzahl, charakterisiert die Ausrichtung von Umlaufbahnen (Elektronenwolken) im Raum und kann Werte von +1 bis –1 annehmen;
4)S–drehen Die Quantenzahl charakterisiert die Drehung eines Elektrons um seine eigene Achse und kann nur zwei Werte annehmen: S= ±1/2.
Nach einem der wichtigsten Prinzipien der Quantenmechanik, dem Pauli-Prinzip, kann ein Atom keine Elektronen haben, für die alle vier Quantenzahlen gleich sind. Im Rahmen der Quantenmechanik wurden sowohl der Aufbau von Atomen als auch die Veränderungen der Eigenschaften chemischer Elemente im Periodensystem von D.I. vollständig erklärt. Mendelejew.
Auch die Anwendung der Quantenmechanik auf physikalische Felder erwies sich als fruchtbar. Es wurde eine Quantentheorie des elektromagnetischen Feldes entwickelt – die Quantenelektrodynamik, die eine Reihe grundlegender Gesetze der Mikrowelt enthüllte. Darunter sind die wichtigsten Gesetze der gegenseitigen Umwandlung zweier Arten materieller Stoffe – Stoff- und Feldmaterie – ineinander.
nahm seinen Platz in der Reihe der Elementarteilchen ein Photon– ein Teilchen eines elektromagnetischen Feldes, das keine Ruhemasse hat. Die Synthese von Quantenmechanik und spezieller Relativitätstheorie führte zur Vorhersage der Existenz Antiteilchen. Es stellte sich heraus, dass jedes Teilchen sein eigenes „Doppel“ haben muss – ein anderes Teilchen mit der gleichen Masse, aber entgegengesetzter elektrischer oder anderer Ladung. Englischer Physiker P.A. Dirac – Begründer der relativistischen zur Geweihfeldtheorie – sagte die Existenz des Positrons und die Möglichkeit der Umwandlung eines Photons in ein Elektron-Positron-Paar und zurück voraus. Das Positron, das Antiteilchen des Elektrons, wurde 1934 experimentell entdeckt. K.D. Anderson in der kosmischen Strahlung.
Kernphysik.Nach modernen Vorstellungen bestehen die Atomkerne der Elemente aus Protonen und Neutronen. Die ersten Hinweise darauf, dass die Zusammensetzung von Kernen Protonen (Kerne von Wasserstoffatomen) umfasst, erhielt Rutherford 1919 als Ergebnis seiner neuen (nach der Entdeckung der Struktur des Atoms) sensationellen Entdeckung – der Spaltung des Atomkerns unter dem Einfluss von α-Teilchen und die Entstehung neuer chemischer Elemente im Ergebnis der ersten künstlichen Kernreaktion.
In einer Version seiner Experimente mit einer mit Stickstoff gefüllten Nebelkammer, in der sich eine radioaktive Strahlungsquelle befand, machte Rutherford Fotos von Spuren von α-Teilchen, an deren Ende sich eine charakteristische Verzweigung befand – eine „Gabelung“. “. Eine der Seiten der „Gabelung“ ergab eine kurze Spur und die andere – eine lange. Die lange Spur wies die gleichen Merkmale auf wie die Spuren, die Rutherford zuvor beim Beschuss von Wasserstoffatomen mit α-Teilchen beobachtet hatte
Dies war das erste Mal, dass die Idee geäußert wurde, dass Wasserstoffkerne ein integraler Bestandteil der Kerne anderer Atome sind. Anschließend schlug Rutherford für diesen Kernbestandteil den Begriff „Proton“ vor.
Das Rutherford-Reaktionsschema lässt sich wie folgt darstellen: Ein α-Teilchen dringt in den Stickstoffatomkern ein und wird von diesem absorbiert. Der dabei gebildete Zwischenkern des Fluorisotops erweist sich als instabil: Er stößt ein Proton aus sich selbst aus und verwandelt sich in den Kern des Sauerstoffisotops.
Im Jahr 1932 D.D. Iwanenko veröffentlichte eine Notiz, in der er vermutete, dass das Neutron neben dem Proton auch ein Strukturelement des Kerns sei. 1933 begründete er das Proton-Neutronen-Modell des Kerns und formulierte die Hauptthese, dass der Kern nur schwere Teilchen enthält – Protonen und Neutronen. In diesem Fall können sich beide Teilchen ineinander umwandeln. Weiter Proton Und Neutron begann als zwei Zustände eines Teilchens betrachtet zu werden - Nukleon.
Und im selben Jahr 1933 J. Chadwick bewies experimentell die Existenz von Neutronen in Atomkernen. Er bestrahlte eine Berylliumplatte mit Alphateilchen und untersuchte die Reaktion der Umwandlung von Beryllium (Be) in Kohlenstoff (C) unter Emission eines Neutrons n).
Aus Beryllium emittierte Neutronen wurden in eine mit Stickstoff (N) gefüllte Nebelkammer geleitet, und wenn ein Neutron auf ein Proton eines Stickstoffatoms traf, bildeten sich ein Borkern (B) und α-Partikel.
Das Neutron selbst gibt in der Nebelkammer keine Spur, aber aus den Spuren des Borkerns und des α-Teilchens lässt sich berechnen, dass diese Reaktion durch ein neutrales Teilchen mit der Masse einer atomaren Masseneinheit verursacht wird, also Neutron. Beachten Sie, dass ein freies Neutron nicht lange existiert, es ist radioaktiv, seine Halbwertszeit beträgt etwa 8 Minuten, danach verwandelt es sich in ein Proton und emittiert ein β-Teilchen (Elektron) und ein Neutrino. Nach der Entdeckung des Neutrons wurde das Proton-Neutron-Modell der Struktur von Atomkernen von D.D. Ivanenko ist allgemein anerkannt.
Alle Kernreaktionen gehen mit der Emission bestimmter Elementarteilchen einher. Die Produkte von Kernreaktionen erweisen sich als radioaktiv, so heißt es künstlich radioaktive Isotope. Das Phänomen der künstlichen Radioaktivität wurde 1934 von berühmten französischen Physikern entdeckt Friedrich Und Irene Joliot-Curie.
Wie natürlich vorkommende radioaktive Substanzen emittieren künstlich hergestellte radioaktive Isotope bekannte α-, β- und γ-Strahlung. Doch zusätzlich zu den aufgeführten Strahlungen entdeckten Frederic und Irene Joliot-Curie eine neue Art von Radioaktivität – die Emission positiver Elektronen-Positronen.
Dies wurde erstmals mithilfe einer Nebelkammer festgestellt, bei der bestimmte leichte Elemente (Beryllium, Bor, Aluminium) mit Alphateilchen beschossen wurden, wodurch eine ganze Reihe neuer radioaktiver Isotope künstlich erzeugt wurden, die zuvor in der Natur nicht beobachtet wurden. Ein Beispiel für die Bildung eines radioaktiven Positronenisotops ist die Reaktion des Beschusses von Aluminium mit α-Partikeln. Und in diesem Fall emittiert der Aluminiumkern ein Neutron und verwandelt sich in den Kern eines radioaktiven Phosphorisotops, das wiederum ein Positron aussendet β + , verwandelt sich in ein stabiles Siliziumisotop.
Im industriellen Maßstab werden künstliche radioaktive Isotope üblicherweise durch Bestrahlung (hauptsächlich Neutronen) der entsprechenden chemischen Elemente in Kernreaktoren hergestellt.
Nachdem festgestellt wurde, dass die Atomkerne sowohl aus Protonen als auch aus Neutronen bestehen, wurde die Theorie des Atomkerns in Richtung der Untersuchung der Wechselwirkungen von Teilchen im Kern sowie der Struktur der Atomkerne verschiedener Elemente weiterentwickelt .
Unten sind grundlegende Informationen über die Eigenschaften und Struktur von Kernen.
1. Kern bezeichnet den zentralen Teil des Atoms, in dem fast die gesamte Masse des Atoms und seine positive elektrische Ladung konzentriert sind. Alle Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die als zwei Ladungszustände eines Teilchens – des Nukleons – betrachtet werden.
Proton hat eine positive elektrische Ladung, deren Absolutwert der Ladung des Elektrons entspricht e=1,6 –19 C und Ruhemasse t r ~ 1.6726 10 – 27 kg.
Neutron hat keine elektrische Ladung, seine Masse ist etwas größer als die Masse eines Protons - t p= 1,6749 · 10 –27 kg.
Die Masse der Kerne von Elementarteilchen wird üblicherweise in Atommasseneinheiten (amu) ausgedrückt. Als atomare Masseneinheit wird 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops angenommen: 1 amu. = 1,66 · 10 –27 kg. Somit, t r= 1,00728 amu, a t p= 1,00866 amu
2. Kernladung heißt Menge Ze, Wo e– die Größe der Protonenladung; Z ist die Seriennummer eines chemischen Elements im Periodensystem von Mendelejew, gleich der Anzahl der Protonen im Kern.
Derzeit sind Kerne mit den Seriennummern Z = 1 bis Z = 114 bekannt. Bei leichten Kernen handelt es sich um das Verhältnis der Neutronenzahlen (N) zur Anzahl der Protonen (Z) nahe oder gleich Eins. Für die Kerne chemischer Elemente am Ende des Periodensystems beträgt das Verhältnis N/Z = 1,6.
3. Gesamtzahl der Nukleonen im Kern A= N+ Z angerufen Massenzahl. Den Nukleonen (Proton und Neutron) wird eine Massenzahl von eins zugeordnet. Kerne mit dem gleichen Z, aber anders A werden genannt Isotope. Kerne, mit dem gleichen A verschiedene Z haben, heißen Isobaren. Die Kerne chemischer Elemente werden üblicherweise mit dem Symbol bezeichnet .X, A, Z wo X– Symbol eines chemischen Elements; A- Massenzahl; Z – Ordnungszahl.
Insgesamt sind etwa 300 stabile Isotope chemischer Elemente und mehr als 2000 natürliche und künstlich hergestellte radioaktive Isotope bekannt.
Alle Isotope eines chemischen Elements haben die gleiche Struktur ihrer Elektronenhüllen. Daher haben Isotope eines bestimmten Elements die gleichen chemischen Eigenschaften. Mittlerweile wurde festgestellt, dass die meisten in der Natur vorkommenden chemischen Elemente ein Isotopengemisch sind. Daher weichen die im Periodensystem angegebenen Atommassen der Elemente oft deutlich von ganzen Zahlen ab.
4. Die Größe des Kerns wird durch den Radius des Kerns charakterisiert, der aufgrund der Unschärfe der Grenzen des Kerns eine konventionelle Bedeutung hat. Empirische Formel für den Kernradius R= R A, Wo R=(1,3/1,7)10 –15 m kann als Proportionalität des Kernvolumens zur Anzahl der darin enthaltenen Nukleonen interpretiert werden.
5. Kernteilchen haben ihre eigenen magnetischen Momente, die das magnetische Moment des Kerns bestimmen (R tt) im Allgemeinen. Die Maßeinheit für die magnetischen Momente von Kernen ist Kernmagneton μ ICH = eh,/2t p, Wo e– absoluter Wert der Elektronenladung; H– Plancksches Wirkungsquantum; t r– Protonenmasse. Kernmagneton μ Gift ist 1836,5-mal kleiner als das magnetische Moment eines Elektrons in einem Atom, was bedeutet, dass die magnetischen Eigenschaften von Atomen durch die magnetischen Eigenschaften seiner Elektronen bestimmt werden.
6. Die Verteilung der elektrischen Ladung von Protonen über den Kern ist im Allgemeinen asymmetrisch. Das Maß für die Abweichung dieser sphärisch symmetrischen Verteilung ist elektrisches Quadrupolmoment des Kerns Q. Wenn man davon ausgeht, dass die Kerndichte überall gleich ist, dann Q nur durch die Form des Kerns bestimmt.
Die Nukleonen, aus denen der Kern besteht, sind durch besondere Anziehungskräfte – Kernkräfte – miteinander verbunden. Die Stabilität der Atomkerne der meisten Elemente weist darauf hin, dass die Kernkräfte außergewöhnlich stark sind: Sie müssen die erheblichen Coulomb-Abstoßungskräfte übertreffen, die zwischen Protonen in Abständen von etwa 10–13 cm (in der Größenordnung der Kerngröße) wirken ). Kernkräfte sind Kräfte besonderer Art, die mit der Existenz einer besonderen Art von Materie im Kern verbunden sind – nukleares Feld.
Derzeit ist die Mesonentheorie der Kernkräfte anerkannt, wonach Nukleonen durch den Austausch spezieller Elementarteilchen – π-Mesonen – Quanten des Kernfeldes miteinander interagieren.
Das Vorhandensein von Austauschteilchen im Kern – Mesonen – wurde erstmals theoretisch von einem japanischen Wissenschaftler vorhergesagt Hidoki Yukawa im Jahr 1936 und dann 1947 in der kosmischen Strahlung entdeckt.
Allgemeine Merkmale der Nuklearstreitkräfte läuft auf Folgendes hinaus.
1. Nuklearstreitkräfte sind Kräfte mit kurzer Reichweite. Sie erscheinen nur bei sehr geringen Abständen zwischen den Nukleonen des Kerns in der Größenordnung von 10 – 15 m. Die Länge wird (1,5 ÷ 2,2) –10 – 15 m genannt Reichweite nuklearer Kräfte.
2. Kernkräfte weisen Ladungsunabhängigkeit auf: Die Anziehung zwischen zwei Nukleonen ist unabhängig vom Ladungszustand der Nukleonen – Proton oder Nukleon – gleich. Die Ladungsunabhängigkeit der Kernkräfte wird aus einem Vergleich der Energien in Spiegelkernen sichtbar (dies ist die Bezeichnung für Kerne, in denen die Gesamtzahl der Nukleonen gleich ist, die Zahl der Protonen in einem jedoch gleich der Zahl der Neutronen darin ist). das andere).
3. Kernkräfte haben eine Sättigungseigenschaft, die sich darin äußert, dass ein Nukleon in einem Kern nur mit einer begrenzten Anzahl benachbarter Nukleonen wechselwirkt, die ihm am nächsten sind. Deshalb besteht eine lineare Abhängigkeit der Bindungsenergien von Kernen von deren Massenzahlen A. Im α-Teilchen, einem sehr stabilen Gebilde, wird eine nahezu vollständige Sättigung der Kernkräfte erreicht.
Nukleonen werden durch Kernkräfte fest im Kern gebunden. Um diese Verbindung zu unterbrechen, d.h. Für eine vollständige Trennung der Nukleonen muss viel Arbeit geleistet werden. Die Energie, die erforderlich ist, um die Nukleonen, aus denen der Kern besteht, zu trennen, wird aufgerufen nukleare Bindungsenergie. Die Größe der Bindungsenergie lässt sich anhand des Energieerhaltungssatzes und des Proportionalitätsgesetzes von Masse und Energie nach Einsteins Formel bestimmen E = ts 2.
Nach dem Energieerhaltungssatz sollte die Energie der in einem Kern gebundenen Nukleonen um den Betrag der Bindungsenergie ε 0 geringer sein als die Energie der getrennten Nukleonen. Andererseits ändert sich nach dem Gesetz der Proportionalität von Masse und Energie die Energie des Systems ΔW muss mit einer proportionalen Änderung der Masse des Systems einhergehen Δm, diese. ΔW = Δmc 2, Wo Mit– Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Da in diesem Fall ΔW ist die Bindungsenergie des Kerns, dann muss die Masse des Atomkerns um den Betrag kleiner sein als die Summe der Massen der Nukleonen, aus denen der Kern besteht Δm, Was heisst Kernmassendefekt. Aus der Beziehung ΔW = Δmc 2 Es ist möglich, die Bindungsenergie eines Kerns zu berechnen, wenn der Massendefekt dieses Kerns bekannt ist Δm.
Berechnen wir als Beispiel die Bindungsenergie des Kerns eines Heliumatoms. Es besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Protonenmasse t r= 1,0073 amu, Neutronenmasse – t p= 1,0087 amu Daher ist die Masse der Nukleonen, die den Kern bilden, gleich 2t r + 2 t p = 4,0320 amu Die Masse des Kerns eines Heliumatoms t i = 4,0016 amu Somit ist der Massendefekt des Helium-Atomkerns gleich Δm= 4,0320 – 4,0016 = 0,03 amu, oder Δm = 0,03 1,66 10~ 27 = 5 10~ 29 kg. Dann die Bindungsenergie des Heliumkerns
ΔW = Δmc 2=510-29 9-10 16 J=28 MeV.
Die allgemeine Formel zur Berechnung der Bindungsenergie eines beliebigen Kerns (in Joule) lautet:
ΔW = c 2 (- t i),
wobei Z die Ordnungszahl ist; A - Massenzahl.
Man nennt die Bindungsenergie eines Kerns pro Nukleon spezifische Bindungsenergie (ε ). Daher ist ε= ΔW/A(spezifische Bindungsenergie) charakterisiert die Stabilität von Atomkernen. Je größer s, desto stabiler ist der Kern.
In Abb. Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse der Berechnungen spezifischer Bindungsenergien für verschiedene Atome (abhängig von den Massenzahlen). A).
Aus der Grafik in Abb. 2.2 Daraus folgt, dass die spezifische Bindungsenergie für Kerne mit Massenzahlen in der Größenordnung von 100 maximal ist (8,65 MeV). Für schwere und leichte Kerne ist sie etwas geringer (z. B. 7,5 MeV für Uran und 7 MeV für Helium), z Beim Atomkern des Wasserstoffs ist die spezifische Bindungsenergie Null, was verständlich ist, denn in diesem Kern gibt es nichts zu trennen: Er besteht nur aus einem Nukleon (Proton).
a.e.m.
Reis. 1. Abhängigkeit spezifischer Bindungsenergien von Massenzahlen
Jede Kernreaktion geht mit der Freisetzung oder Aufnahme von Energie einher. Bei der Spaltung schwerer Kerne mit Massenzahlen A etwa 100 (oder mehr) Kernenergie wird freigesetzt.
Die Freisetzung von Kernenergie erfolgt auch bei Kernreaktionsarten – wenn mehrere leichte Kerne zu einem Kern zusammengefasst (Synthese) werden. Somit erfolgt die Freisetzung von Kernenergie sowohl bei Spaltungsreaktionen schwerer Kerne als auch bei Fusionsreaktionen leichter Kerne. Menge der Kernenergie Δ Das von jedem reagierten Kern freigesetzte ε ist gleich der Differenz zwischen der Bindungsenergie ε des Reaktionsprodukts und der Bindungsenergie des ursprünglichen Kernmaterials.
Verhältnis ∆E∆t>ħ/2 bedeutet Energieumwandlung mit Präzision ∆E sollte mindestens ein Zeitintervall von dauern ∆t~ ħ/∆E. Dieses Verhältnis ist für die natürliche Breite der Spektrallinien von Atomen und Ionen verantwortlich. Die Lebensdauer des angeregten Zustands von Atomen liegt in der Größenordnung T~10 -8 ÷10 -9 s. Folglich ist die Unsicherheit in der Energie solcher Zustände groß ∆E~ ħ/t, was der natürlichen Breite der Spektrallinien entspricht. Wenn Energieunsicherheit ∆E ~ ħ/∆t entspricht der Energie eines Teilchens ( mс 2, hv), bis sich dieses Teilchen, das aus dem „Nichts“ entstanden ist, für die Zeit in einem virtuellen Zustand befinden kann ∆t ohne den Energieerhaltungssatz zu verletzen. In der modernen Quantenfeldtheorie wird die Wechselwirkung von Teilchen und ihre gegenseitigen Transformationen als Geburt oder Absorption virtueller Teilchen durch jedes reale Teilchen betrachtet. Jedes Teilchen emittiert oder absorbiert kontinuierlich virtuelle Teilchen unterschiedlicher Art. So ist beispielsweise die elektromagnetische Wechselwirkung das Ergebnis eines Austauschs virtuelle Photonen, Gravitation – Gravitonen. Das Kernkraftfeld wird bestimmt durch virtuelles π–Mesonen. Es entsteht eine schwache Interaktion Vektorbosonen(entdeckt 1983 am CERN, Schweiz-Frankreich). Und der Träger starker Interaktion ist Gluonen(vom englischen Wort für „Kleber“). Die Unschärferelation schränkt die Anwendbarkeit der klassischen Mechanik auf Mikroobjekte ein. Es löste zahlreiche philosophische Diskussionen aus. Die Koordinaten des Teilchens und sein Impuls, die Energieänderung und die Zeit, in der diese Änderung stattfand, werden als zueinander komplementäre Größen bezeichnet. Das Erhalten experimenteller Informationen über einige physikalische Größen, die ein Mikropartikel beschreiben, ist zwangsläufig mit dem Verlust von Informationen über andere Größen zusätzlich zur ersten verbunden. Diese Aussage, die erstmals vom dänischen Physiker N. Bohr formuliert wurde, heißt das Prinzip der Komplementarität. Bohr erklärte das Prinzip der Komplementarität durch den Einfluss eines Messgeräts, das immer ein makroskopisches Gerät ist, auf den Zustand eines Mikroobjekts. Aus der Sicht der modernen Quantentheorie sind jedoch Zustände, in denen zueinander komplementäre Größen gleichzeitig genau definierte Werte hätten, grundsätzlich unmöglich. Das Komplementaritätsprinzip spiegelt die objektiven Eigenschaften von Quantensystemen wider, die nicht mit der Existenz eines Beobachters zusammenhängen, und die Rolle des Messgeräts besteht darin, einen bestimmten Zustand des Systems „vorzubereiten“. Jede neue Theorie, die den Anspruch erhebt, eine tiefere Beschreibung der physikalischen Realität und einen größeren Anwendungsbereich als die alte zu liefern, muss die vorherige als Grenzfall einbeziehen. Somit wird die relativistische Mechanik (spezielle Relativitätstheorie) im Grenzfall niedriger Geschwindigkeiten zur Newtonschen Mechanik. In der Quantenmechanik Prinzip der Korrespondenz erfordert, dass ihre physikalischen Konsequenzen im Grenzfall mit den Ergebnissen der klassischen Theorie übereinstimmen. Das Korrespondenzprinzip zeigt, dass Quanteneffekte nur bei der Betrachtung von Mikroobjekten von Bedeutung sind, wenn die Wirkungsdimensionen mit dem Planckschen Wirkungsquantum vergleichbar sind. Aus formaler Sicht bedeutet das Korrespondenzprinzip im Grenzfall ħ → 0 Die quantenmechanische Beschreibung physikalischer Objekte muss der klassischen äquivalent sein. Die Bedeutung des Korrespondenzprinzips geht über die Quantenmechanik hinaus– es wird ein integraler Bestandteil jedes neuen theoretischen Schemas sein. In der modernen Physik wird der Begriff „Elementarteilchen“ meist nicht in seiner genauen Bedeutung verwendet, sondern weniger streng zur Bezeichnung einer großen Gruppe winziger Materieteilchen, die keine Atome oder Atomkerne sind (Ausnahme ist das Proton). Die wichtigste Eigenschaft aller Elementarteilchen ist die Fähigkeit, bei der Wechselwirkung mit anderen Teilchen geboren und zerstört (emissioniert und absorbiert) zu werden. Mittlerweile nähert sich die Gesamtzahl der der Wissenschaft bekannten Elementarteilchen (zusammen mit Antiteilchen) der 400. Einige von ihnen sind stabil und kommen in der Natur in einem freien oder schwach gebundenen Zustand vor. Dies sind Elektronen, Protonen, Neutronen, Photonen und verschiedene Arten von Neutrinos.
Alle anderen Elementarteilchen sind extrem instabil und werden in sekundärer kosmischer Strahlung gebildet oder im Labor gewonnen. Die Hauptmethode ihrer Erzeugung sind Kollisionen schneller stabiler Teilchen, bei denen ein Teil der anfänglichen kinetischen Energie in Ruheenergie der resultierenden Teilchen umgewandelt wird (fallen in der Regel nicht mit den kollidierenden zusammen).
Das gemeinsame Merkmal aller Elementarteilchen ist die Masse M, Lebensdauer T, drehen J und elektrische Ladung Q.
Abhängig von ihrer Lebensdauer werden Elementarteilchen in stabile, quasistabile und instabile (Resonanzen) unterteilt. Stabil im Rahmen der Genauigkeit moderner Messungen sind das Elektron (t > 5 · 10 · 21 Jahre), das Proton (t > 5 · 10 · 31 Jahre), das Photon und das Neutrino. Zu den quasistabilen Teilchen zählen Teilchen, die aufgrund elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkungen zerfallen; ihre Lebensdauer beträgt t > 5 · 10 -20 s. Ein Beispiel für ein quasistabiles Teilchen ist das Neutron.
Es zerfällt aufgrund schwacher Wechselwirkungen, die durchschnittliche Lebensdauer beträgt 15,3 Minuten: 
.
Resonanzen sind Elementarteilchen, die aufgrund starker Wechselwirkungen zerfallen; ihre charakteristischen Lebensdauern betragen t~ 10 -22 - 10 -24 s.
Elektrische Ladungen von Elementarteilchen sind ganzzahlige Vielfache von e≈1,6-10 -19 C, sogenannte elementare elektrische Ladung (Elektronenladung). Für bekannte Elementarteilchen gilt Q = 0, ±1, ±2.
Der Spin von Elementarteilchen ist ein ganzzahliges oder halbzahliges Vielfaches des Planckschen Wirkungsquantums ħ.
Teilchen mit halbzahligem Spin nennt man Fermionen. Fermionen umfassen Leptonen (wie Elektron und Neutrino) und Baryonen, bestehend aus Quarks (zum Beispiel Proton und Neutron). Fermionsysteme werden beschrieben Fermi-Dirac-Quantenstatistik. Fermionen gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip und in einem bestimmten Quantenzustand kann ein Fermionsystem nicht mehr als ein Teilchen enthalten. Fermionen bilden materielle Strukturen.
Teilchen mit ganzzahligem oder Null-Spin werden genannt Bosonen. Zu den Bosonen zählen Teilchen mit der Ruhemasse Null (Photon, Graviton) sowie Mesonen, bestehend aus Quarks (zum Beispiel π-Mesonen). Es werden Systeme solcher Teilchen beschrieben Bose-Einstein-Statistik. Bosonen gehorchen nicht dem Pauli-Ausschlussprinzip und es gibt keine Beschränkungen hinsichtlich der Anzahl der Teilchen, die sich in einem bestimmten Quantenzustand befinden können. Sie bilden ein Wechselwirkungsfeld (gemäß der Quantenfeldtheorie) zwischen Fermionen.
Beispielsweise werden materielle Strukturen durch Elektronen und Nukleonen (Protonen und Neutronen, die die Atomkerne bilden) gebildet, und das elektromagnetische Wechselwirkungsfeld zwischen ihnen wird durch Photonen (genauer gesagt virtuelle Photonen) gebildet (Abb. 2).
Abb. 2. Klassifizierung von Elementarteilchen
Mesonen und Baryonen bestehen aus Quarks und haben daher einen gemeinsamen Namen – Hadronen. Alle bekannten Hadronen bestehen entweder aus einem Quark-Antiquark-Paar (Mesonen) oder aus drei Quarks (Baryonen). Quarks und Antiquarks werden durch das Gluonenfeld im Inneren der Hadronen gehalten. Quarks unterscheiden sich in „Geschmack“ und „Farbe“. Jedes Quark kann einen von drei Farbzuständen haben: Rot, Blau und Gelb. Von den „Geschmacksrichtungen“ sind fünf bekannt und die Anwesenheit eines sechsten wird angenommen. Die Geschmacksrichtungen von Quarks werden durch Buchstaben gekennzeichnet u, d, s, c, b, t, die englischen Wörtern entsprechen hoch, runter, seltsam, bezaubernd, schön Und Wahrheit. Darüber hinaus hat jedes Quark sein Antiquark. Trotz langjähriger Suche wurde noch nie ein einziges Quark in freier Form registriert. Quarks können nur im Inneren von Hadronen beobachtet werden.
Die Teilchenphysik basiert auf dem Konzept grundlegender Wechselwirkungen: gravitative, elektromagnetische, starke und schwache.
Die elektromagnetische Wechselwirkung beruht auf dem Austausch von Photonen, die besser untersucht sind als andere Bosonen. Die Photonenquelle ist eine elektrische Ladung. Gravitationswechselwirkung ist mit noch hypothetischen Teilchen verbunden - Gravitonen. Neutrale (Z 0) und geladene (W + ,W –) Bosonen sind Träger der schwachen Wechselwirkung zwischen Elektronen, Protonen, Neutronen und Neutrinos. Die Träger der starken Wechselwirkung sind Gluonen . Sie scheinen Quarks in Hadronen zusammenzukleben. Die Quellen der Gluonen sind die sogenannten „Farb“-Ladungen. Sie haben nichts mit gewöhnlichen Farben zu tun und werden zur Vereinfachung der Beschreibung auch so genannt. Jede der sechs Quarksorten gibt es in drei Farbvarianten: Gelb, Blau oder Rot. (f, s, k jeweils). Auch Antiquitäten sind mit Farbgebühren versehen. Es ist wichtig zu betonen, dass die drei Ladungen und drei Antiladungen völlig unabhängig von den Geschmacksrichtungen der Quarks sind. Damit beträgt die Gesamtzahl der Quarks und Antiquarks (einschließlich drei Farben und sechs Geschmacksrichtungen) derzeit 36. Darüber hinaus gibt es neun weitere Gluonen, die wie Quarks nicht im freien Zustand beobachtet werden.
Die Existenz von Quarks und Gluonen führt zur Entstehung eines neuen Materiezustandes, der sogenannte Quark-Gluon-Plasma.
Dies ist ein Plasma, das nicht wie gewöhnliches Plasma aus Elektronen und Ionen besteht, sondern aus Quarks und Gluonen, die schwach oder überhaupt nicht miteinander interagieren.
Eine der Hauptaufgaben der Mikrophysik, von deren Lösung A. Einstein träumte, ist die Schaffung einer einheitlichen Feldtheorie, die alle bekannten grundlegenden Wechselwirkungen vereint. Die Schaffung einer solchen Theorie würde einen grundlegenden Durchbruch in allen Bereichen der Wissenschaft bedeuten.
Bisher wurde eine Theorie erstellt und anerkannt, die zwei grundlegende Wechselwirkungen kombiniert – schwache und elektromagnetische. Es wird genannt eine einheitliche Theorie der schwachen und elektromagnetischen (elektroschwachen) Wechselwirkung und behauptet, dass es spezielle Teilchen gibt – Träger der Wechselwirkung zwischen Elektronen, Protonen, Neutronen, Neutrinos. Diese Teilchen werden Bosonen genannt W + , W – und Z° wurden in den 70er Jahren theoretisch vorhergesagt. letzten Jahrhunderts und 1983 experimentell entdeckt.
Die Theorie der starken Wechselwirkung heißt Quantenchromodynamik. Diese Theorie, die die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen beschreibt, basiert auf der Quantenelektrodynamik, die wiederum elektromagnetische Wechselwirkungen beschreibt, die durch den Austausch von Photonen verursacht werden. Im Gegensatz zu elektrisch neutralen Photonen sind Gluonen Träger von „Farb“-Ladungen. Dies führt dazu, dass beim Versuch, sie im Raum zu trennen, die Interaktionsenergie zunimmt. Infolgedessen existieren Gluonen und Quarks nicht in einem freien Zustand: Sie sind in Hadronen „selbstgeschlossen“.
Gewöhnlich wird die moderne Theorie der Elementarteilchen genannt, bestehend aus den Theorien der elektroschwachen Wechselwirkung und der Quantenchromodynamik Standardmodell. Diese komplexe, aber nahezu vollständige phänomenologische Theorie ist das wichtigste theoretische Werkzeug, mit dessen Hilfe Probleme der Mikrophysik gelöst werden
Als „Große Vereinigung“ werden theoretische Modelle bezeichnet, die auf der Idee der einheitlichen Natur starker, schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkungen basieren. Es soll alle existierenden Teilchen vereinen: Fermionen, Bosonen und Skalarteilchen. Im Rahmen der Grand Unification-Theorie werden viele sehr wichtige Phänomene gut erklärt, insbesondere wie die beobachtete Gluonenasymmetrie des Universums, die kleine Ruhemasse ungleich Null von Neutrinos, die Quantisierung elektrischer Ladung und die Existenz von Lösungen wie z als magnetische Dirac-Monopole. Nach neuesten Daten beträgt die durchschnittliche Protonenlebensdauer mehr als 1,6 10 33 Jahre alt. Der Nachweis, dass das Proton instabil ist, wäre eine Entdeckung von grundlegender Bedeutung. Dieser Zerfall wurde jedoch noch nicht aufgezeichnet. Wissenschaftler hoffen, dass die Weiterentwicklung der Grand Unification-Modelle zur Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen, einschließlich der Gravitationswechselwirkungen, führen wird (Supervereinigung). Aber das ist eine Frage der Zukunft.
In der Mikrophysik ist eine bestimmte Grundlänge bekannt und spielt eine wichtige Rolle, die sogenannte Planck- oder Gravitationslänge – l g= 1,6 –33 cm Es wird angenommen, dass es in der Natur keine kürzeren Längen als Planck gibt. Zusammen mit Planck-Zeit t g ~ 1,6 10 –43 s stellen sie Raumzeitquanten dar, die die Grundlage der zukünftigen Quantentheorie der Gravitation bilden sollen. Laut dem Akademiker V.L. Ginzburg, physikalische Bedeutung der Länge l g liegt darin, dass es in kleineren Maßstäben nicht mehr möglich ist, die klassische relativistische Gravitationstheorie und insbesondere die Allgemeine Relativitätstheorie (GR), deren Konstruktion 1915 von Einstein fertiggestellt wurde, anzuwenden.
Derzeit beträgt der kleinste „Impact-Parameter“, der an modernen Beschleunigern erreicht wird l f ~ 10 –17 cm. Somit können wir auf die Entfernungen schließen l f ~ 10–17 cm und Zeiten l f /c ~ 10 –27 s gelten die vorhandenen Raum-Zeit-Koordinaten. Bedeutung l f vom Wert abweichen l g um bis zu 16 Größenordnungen, so dass die Frage nach der Grundlänge für die Wissenschaft weiterhin relevant bleibt.
In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, als die Forschungsobjekte der Mikrophysik das Atom und dann der Atomkern waren, war es zum Verständnis des Verhaltens von Elektronen in Atomen notwendig, eine echte Revolution in der Wissenschaft durchzuführen – die Schaffung von Quanten Mechanik. Die Mikrophysik nahm damals einen ganz besonderen Platz in der Naturwissenschaft ein. Dank ihrer Erfolge konnten wir den Aufbau der Materie verstehen. Die Mikrophysik ist die Grundlage der modernen Physik.
Makrowelt
Von der Mikrowelt zur Makrowelt. Die Theorie der Atomstruktur gab der Chemie den Schlüssel zum Verständnis des Wesens chemischer Reaktionen und des Mechanismus der Bildung chemischer Verbindungen – eine komplexere molekulare Ebene der Organisation materieller Materie im Vergleich zur elementaren Atomform.
Die Quantenmechanik ermöglichte es, die sehr wichtige Frage der Anordnung der Elektronen in einem Atom zu lösen und die Abhängigkeit der Eigenschaften von Elementen vom Aufbau der Elektronenhüllen festzustellen. Gegenwärtig wurden Schemata für die Struktur der Atome aller chemischen Elemente entwickelt. Bei ihrer Konstruktion gingen die Wissenschaftler von allgemeinen Überlegungen zur Stabilität verschiedener Elektronenkombinationen aus. Und natürlich diente das periodische Gesetz von D.I. als Leitfaden. Mendelejew.
Bei der Entwicklung von Diagrammen der Struktur von Atomen von Elementen wurde Folgendes berücksichtigt:
1) Es wurde angenommen, dass die Anzahl der Elektronen in einem Atom gleich der Ladung des Atomkerns ist, d.h. die Seriennummer des Elements im Periodensystem;
2) die gesamte Elektronenhülle zerfällt in mehrere Schichten entsprechend bestimmten Energieniveaus (n = 1, 2,3,4,...);
3)auf jeder Ebene P mehr kann es nicht geben N Elektronen, wo N= 2п 2 ;
4) Der Zustand jedes Elektrons in einem Atom wird durch einen Satz von vier Quantenzahlen bestimmt p, l, T Und S.
Nach dem Pauli-Prinzip unterscheiden sich alle Elektronen eines Atoms um mindestens eine Quantenzahl voneinander. Es gibt keine zwei Elektronen in einem Atom, deren Quantenzahlen alle gleich sind; in Übereinstimmung mit diesen Annahmen wurden vereinfachte Diagramme der Struktur von Atomen für die ersten drei Perioden des Periodensystems erstellt.
Trotz der Konventionalität und Einfachheit dieser Schemata reichen sie dennoch aus, um die wichtigsten Eigenschaften von Elementen und Verbindungen zu erklären.
So zum Beispiel auf der ersten Energieebene ( n = 1, l =0, t = 0) Es kann nur zwei Elektronen geben, die sich in ihren Spinquantenzahlen unterscheiden (S= ±1/2). Andere Elektronen bei n = Es kann nicht 1 geben. Dies entspricht der Tatsache, dass es sich bei einem Elektron in der ersten Ebene um ein Wasserstoffatom handelt; Sind zwei Elektronen vorhanden, handelt es sich um ein Heliumatom. Beide Elemente füllen die erste Zeile des Periodensystems.
Die zweite Reihe des Periodensystems wird von Elementen besetzt, deren Elektronen sich auf dem zweiten Energieniveau befinden ( P= 2). Im zweiten Energieniveau können insgesamt acht Elektronen vorhanden sein (N=2· 2 2).
In der Tat, wann P= 2 können folgende Elektronenzustände auftreten: if l = 0 und T= 0, dann kann es zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin geben; Wenn l = 1 also T kann drei Werte annehmen (T= –1; 0; +1) und jeder Wert T entspricht auch zwei Elektronen mit unterschiedlichen Spins. Somit sind es insgesamt acht Elektronen.
Die zweite Reihe von Elementen im Periodensystem, in der ein Elektron nacheinander auf dem zweiten Energieniveau hinzugefügt wird, ist Lithium, Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Neon.
Bei der Hauptquantenzahl P= 3 l kann drei Werte annehmen ( l=0; 1; 2) und alle l stimmt mit mehreren Werten überein T. bei l= 0 T= 0; bei l~ 1 T= –1; 0; +1; bei l=2 t=–2; -1; 0; Ich 1; +2 (Abb. 2.4).
Da es insgesamt neun Werte geben kann T, und zu jedem Staat T entspricht zwei Elektronen mit unterschiedlichen Werten s =±1/2, aber nur auf dem dritten Energieniveau (n = 3) vielleicht 18 Elektronen (N=2· Z 2).
Die dritte Zeile im Periodensystem entspricht der sequentiellen Auffüllung des äußeren Energieniveaus der Elemente von Natrium bis Argon (Natrium, Magnesium, Aluminium, Silizium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Argon) mit Elektronen.
Energieniveaus und mögliche Zustände von Elektronen in einem Atom: Mögliche Umlaufbahnen, auf denen sich ein Elektron in einem Atom um den Kern bewegt, können in Form von Kreisen (A) dargestellt werden, von denen jeder genau einer ganzen Zahl von Lichtwellenlängen gleich entspricht Hauptquantenzahl P. Ein zweidimensionales Analogon eines Atoms kann durch zwei Quantenzahlen beschrieben werden, während ein reales Atom durch drei Quantenzahlen charakterisiert wird.
Die folgenden Zeilen des Periodensystems entsprechen komplexeren Regeln zum Füllen der äußeren Ebenen von Atomen mit Elektronen, da mit zunehmender Gesamtzahl der Elektronen in Atomen kollektive Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Elektronengruppen auf unterschiedlichen Energieniveaus auftreten. Dies führt dazu, dass eine Reihe subtilerer Effekte berücksichtigt werden müssen.
Die Aufklärung der Struktur der elektronischen Hüllen von Atomen beeinflusste auch die Struktur des Periodensystems selbst und veränderte die bis dahin bestehende Einteilung der Elemente in Perioden etwas. In den vorherigen Tabellen begann jede Periode mit einem Inertgas, während außerhalb der Perioden Wasserstoff verblieb. Nun ist jedoch klar geworden, dass die neue Periode mit dem Element beginnen muss, in dessen Atom erstmals eine neue Elektronenschicht in Form eines Valenzelektrons auftritt (Wasserstoff und Alkalimetalle), und mit dem Element enden muss, in dessen Atom dies der Fall ist Die Schicht verfügt über acht Elektronen und bildet eine sehr starke elektronische Struktur, die für Inertgase charakteristisch ist.
Die Theorie des Atomaufbaus löste auch die Frage nach der Stellung der Seltenerdelemente im Periodensystem, die aufgrund ihrer großen Ähnlichkeit untereinander nicht in verschiedene Gruppen eingeteilt werden konnten. Die Atome dieser Elemente unterscheiden sich voneinander in der Struktur einer der inneren elektronischen Schichten, während die Anzahl der Elektronen in der äußeren Schicht, von der die chemischen Eigenschaften des Elements hauptsächlich abhängen, gleich ist. Aus diesem Grund werden nun alle Seltenerdelemente (Lanthanide) außerhalb der allgemeinen Tabelle aufgeführt.
Die Hauptbedeutung der Theorie der Atomstruktur bestand jedoch darin, die physikalische Bedeutung des periodischen Gesetzes aufzudecken, die zu Mendelejews Zeiten noch unklar war. Es reicht aus, sich die Tabelle der Elektronenanordnung in den Atomen chemischer Elemente anzusehen, um sich davon zu überzeugen, dass die Ladung zunimmt Atomkerne Die gleichen Elektronenkombinationen in der äußeren Schicht des Atoms wiederholen sich ständig. Daher kommt es aufgrund der periodischen Rückkehr zu denselben elektronischen Konfigurationen zu periodischen Änderungen der Eigenschaften chemischer Elemente.
Versuchen wir genauer herauszufinden, wie die chemischen Eigenschaften von Atomen von der Struktur der Elektronenhüllen abhängen.
Betrachten wir zunächst die Veränderung der Eigenschaften über Zeiträume. Innerhalb jeder Periode (mit Ausnahme der ersten) schwächen sich die metallischen Eigenschaften, die im ersten Mitglied der Periode am stärksten ausgeprägt sind, beim Übergang zu den nachfolgenden Mitgliedern allmählich ab und weichen metalloiden Eigenschaften: Zu Beginn der Periode gibt es ein typisches Metall, bei Am Ende befindet sich ein typisches Metalloid (Nichtmetall) und dahinter ein Inertgas.
Die regelmäßige Änderung der Eigenschaften von Elementen über Zeiträume lässt sich wie folgt erklären. Die aus chemischer Sicht charakteristischste Eigenschaft von Metallen ist die Fähigkeit ihrer Atome, leicht externe Elektronen abzugeben und sich in positiv geladene Ionen umzuwandeln, während Metalloide im Gegensatz dazu durch die Fähigkeit gekennzeichnet sind, Elektronen aufzunehmen, um negative Ionen zu bilden .
Um einem Atom ein Elektron zu entziehen und dieses in ein positives Ion umzuwandeln, muss man etwas Energie aufwenden, was man nennt Ionisationspotential.
Das Ionisationspotential hat den niedrigsten Wert für Elemente, die die Periode beginnen, d. h. für Wasserstoff und Alkalimetalle und am größten für Elemente, die den Zeitraum beenden, d. h. für Inertgase. Sein Wert kann als Maß für die mehr oder weniger große „Metallizität“ eines Elements dienen: Je niedriger das Ionisationspotential, desto leichter lässt sich ein Elektron aus einem Atom entfernen, desto ausgeprägter sollten die metallischen Eigenschaften des Elements sein.
Die Größe des Ionisationspotentials hängt von drei Gründen ab: der Größe der Kernladung, dem Radius des Atoms und einer besonderen Art der Wechselwirkung zwischen Elektronen im elektrischen Feld des Kerns, die durch ihre Welleneigenschaften verursacht wird. Offensichtlich gilt: Je größer die Ladung des Kerns und je kleiner der Radius des Atoms, desto stärker ist die Anziehungskraft des Elektrons auf den Kern und desto größer ist das Ionisierungspotential.
Bei Elementen desselben Zeitraums nimmt beim Übergang von einem Alkalimetall zu einem Inertgas die Kernladung allmählich zu und der Atomradius ab. Die Folge davon ist ein allmählicher Anstieg des Ionisationspotentials und eine Abschwächung der metallischen Eigenschaften. Obwohl in Edelgasen die Radien ihrer Atome größer sind als die Radien der Halogenatome im gleichen Zeitraum, sind die Ionisierungspotentiale größer als die der Halogene. In diesem Fall wird der dritte der oben genannten Faktoren – die Wechselwirkung zwischen Elektronen – stark beeinflusst, wodurch die äußere Elektronenhülle eines Edelgasatoms eine besondere Energiestabilität aufweist und die Entfernung eines Elektrons aus ihr erheblich erforderlich ist mehr Energie.
Die Anlagerung eines Elektrons an ein Metalloidatom und die Umwandlung seiner Elektronenhülle in eine stabile Hülle eines Edelgasatoms geht mit der Freisetzung von Energie einher. Die Größe dieser Energie, berechnet pro 1 Grammatom eines Elements, dient als Maß für die sogenannte Elektronenaffinität. Je größer die Elektronenaffinität, desto leichter bindet das Atom ein Elektron. Die Elektronenaffinität von Metallatomen ist Null – Metallatome sind nicht in der Lage, Elektronen an sich zu binden. Die Elektronenaffinität von Metalloidatomen ist umso größer, je näher das Metalloid an einem Inertgas im Periodensystem steht. Daher nehmen die Metalloideigenschaften innerhalb eines Zeitraums zu, wenn das Ende des Zeitraums näher rückt.
Im Alltag haben wir es nicht mit Atomen zu tun. Die Welt um uns herum besteht aus Objekten, die aus einer riesigen Anzahl von Atomen in Form von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen bestehen. Daher sollte unser nächster Schritt darin bestehen, zu untersuchen, wie Atome miteinander interagieren, um Moleküle und dann makroskopische Materie zu bilden. Sogar die menschliche Persönlichkeit (und im Allgemeinen das Verhalten aller lebenden Organismen) ist das Ergebnis von Unterschieden in der Struktur riesiger Moleküle, die genetische Informationen tragen.
Moleküle bestehen aus gleichen oder unterschiedlichen Atomen, die durch interatomare chemische Bindungen miteinander verbunden sind. Die Stabilität von Molekülen weist darauf hin, dass chemische Bindungen durch Wechselwirkungskräfte entstehen, die Atome zu einem Molekül binden.
Zwischen den Außenelektronen von Atomen entstehen interatomare Wechselwirkungskräfte. Die Ionisierungspotentiale dieser Elektronen sind viel niedriger als die von Elektronen, die sich auf inneren Energieniveaus befinden.
Das Finden spezifischer Formeln chemischer Verbindungen wird erheblich vereinfacht, wenn man das Konzept der Wertigkeit von Elementen verwendet, d.h. die Eigenschaft seiner Atome, sich an sich selbst zu binden oder eine bestimmte Anzahl von Atomen eines anderen Elements zu ersetzen.
Der Begriff der Valenz erstreckt sich nicht nur auf einzelne Atome, sondern auch auf ganze Gruppen von Atomen, die Teil chemischer Verbindungen sind und als Ganzes an chemischen Reaktionen teilnehmen. Solche Atomgruppen nennt man Radikale.
Physikalische Grundlage chemischer Bindungen in Materiemolekülen. Die Natur der Kräfte, die die Bindungen zwischen Atomen in Molekülen bestimmen, blieb jedoch lange Zeit unbekannt. Erst mit der Entwicklung der Lehre vom Aufbau des Atoms tauchten Theorien auf, die auf der Grundlage elektronischer Konzepte den Grund für die unterschiedlichen Wertigkeiten der Elemente und den Mechanismus der Bildung chemischer Verbindungen erklärten. Alle diese Theorien basieren auf der Existenz eines Zusammenhangs zwischen chemischen und elektrischen Phänomenen.
Lassen Sie uns zunächst auf die Beziehung von Stoffen zum elektrischen Strom eingehen.
Einige Stoffe leiten elektrischen Strom, sowohl fest als auch flüssig: Dies sind beispielsweise alle Metalle. Andere Stoffe leiten im festen Zustand keinen Strom, sind aber im geschmolzenen Zustand elektrisch leitend. Dazu gehören die überwiegende Mehrheit der Salze sowie viele Oxide und Oxidhydrate. Die dritte Gruppe schließlich besteht aus Stoffen, die weder im festen noch im flüssigen Zustand Strom leiten. Dazu gehören fast alle Metalloide.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die elektrische Leitfähigkeit von Metallen auf der Bewegung von Elektronen beruht und die elektrische Leitfähigkeit von geschmolzenen Salzen und ähnlichen Verbindungen auf der Bewegung von Ionen mit entgegengesetzten Ladungen. Wenn beispielsweise Strom durch geschmolzenes Speisesalz fließt, wandern positiv geladene Natriumionen Na + zur Kathode und negativ geladene Chlorionen Cl – zur Anode. Es ist offensichtlich, dass die Ionen in Salzen bereits in einer festen Substanz vorhanden sind; durch das Schmelzen werden nur Bedingungen für ihre freie Bewegung geschaffen. Daher werden solche Verbindungen genannt ionische Verbindungen. Stoffe, die praktisch keinen Strom leiten, enthalten keine Ionen: Sie sind aus elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen aufgebaut. Das unterschiedliche Verhältnis von Stoffen zu elektrischem Strom ist also eine Folge des unterschiedlichen elektrischen Zustands der Partikel, aus denen diese Stoffe bestehen.
Den oben genannten Stoffarten entsprechen zwei unterschiedliche Arten chemischer Bindungen:
a) ionische Bindung, auch elektrovalent genannt (zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen in ionischen Verbindungen);
b) atomare oder kovalente Bindung (zwischen elektrisch neutralen Atomen in den Molekülen aller anderen Substanzen).
Ionenverbindung Diese Art von Bindung besteht zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen und entsteht durch einfache elektrostatische Anziehung der Ionen zueinander.
Positive Ionen entstehen, indem man Atomen Elektronen entzieht, negative Ionen entstehen, indem man Atomen Elektronen hinzufügt.
Beispielsweise entsteht das positive Ion Na +, wenn dem Natriumatom ein Elektron entzogen wird. Da sich in der äußeren Schicht des Natriumatoms nur ein Elektron befindet, liegt die Annahme nahe, dass dieses Elektron als das am weitesten vom Kern entfernte Elektron vom Natriumatom abgespalten wird, wenn es in ein Ion umgewandelt wird. Auf ähnliche Weise werden Magnesiumionen Mg 2+ und Aluminium A1 3+ durch die Abstraktion von zwei bzw. drei Außenelektronen von Magnesium- bzw. Aluminiumatomen erhalten.
Im Gegensatz dazu entstehen negative Schwefel- und Chlorionen durch die Anlagerung von Elektronen an diese Atome. Da die inneren Elektronenschichten in den Chlor- und Schwefelatomen gefüllt sind, mussten offensichtlich zusätzliche Elektronen in den S 2 - und Cl – -Ionen in der äußeren Schicht Platz finden.
Wenn wir die Zusammensetzung und Struktur der elektronischen Hüllen der Ionen Na +, Mg 2+, A1 3+ vergleichen, sehen wir, dass alle diese Ionen die gleichen haben – die gleichen wie die der Atome des Edelgases Neon (Ne).
Gleichzeitig sind S 2 und Cl-Ionen – , entstehen durch die Anlagerung von Elektronen an Schwefel- und Chloratome und haben die gleichen elektronischen Hüllen wie Argonatome (Ar).
In den betrachteten Fällen ähneln also bei der Umwandlung von Atomen in Ionen die elektronischen Hüllen der Ionen den Hüllen der Atome von Inertgasen, die ihnen im Periodensystem am nächsten stehen.
Moderne Theorie der chemischen Bindung erklärt
In ihrer allgemeinsten Form ist Materie eine unendliche Menge aller in der Welt koexistierenden Objekte und Systeme, die Gesamtheit ihrer Eigenschaften, Verbindungen, Beziehungen und Bewegungsformen. Darüber hinaus umfasst es nicht nur alle direkt beobachtbaren Gegenstände und Körper der Natur, sondern auch alles, was uns nicht an Empfindungen gegeben ist. Die gesamte Welt um uns herum ist bewegte Materie in ihren unendlich vielfältigen Formen und Erscheinungsformen, mit all ihren Eigenschaften, Zusammenhängen und Beziehungen. In dieser Welt haben alle Objekte eine innere Ordnung und eine systemische Organisation. Ordnung manifestiert sich in der regelmäßigen Bewegung und Interaktion aller Elemente der Materie, wodurch sie zu Systemen zusammengefasst werden. Die ganze Welt erscheint somit als eine hierarchisch organisierte Menge von Systemen, in der jedes Objekt gleichzeitig ein unabhängiges System und ein Element eines anderen, komplexeren Systems ist.
Nach dem modernen naturwissenschaftlichen Weltbild sind auch alle Naturobjekte geordnete, strukturierte, hierarchisch organisierte Systeme. Basierend auf einer systematischen Herangehensweise an die Natur wird alle Materie in zwei große Klassen materieller Systeme unterteilt – unbelebte und lebende Natur. Im System unbelebte Natur Strukturelemente sind: Elementarteilchen, Atome, Moleküle, Felder, makroskopische Körper, Planeten und Planetensysteme, Sterne und Sternsysteme, Galaxien, Metagalaxien und das Universum als Ganzes. Dementsprechend in Tierwelt Die Hauptelemente sind Proteine und Nukleinsäuren, Zellen, ein- und mehrzellige Organismen, Organe und Gewebe, Populationen, Biozönosen und lebende Materie des Planeten.
Gleichzeitig umfassen sowohl unbelebte als auch lebende Materie eine Reihe miteinander verbundener Strukturebenen. Struktur ist eine Reihe von Verbindungen zwischen Elementen eines Systems. Daher besteht jedes System nicht nur aus Subsystemen und Elementen, sondern auch aus verschiedenen Verbindungen zwischen ihnen. Innerhalb dieser Ebenen sind die wichtigsten:
Es gibt horizontale (Koordinations-)Verbindungen und zwischen den Ebenen vertikale (Unterordnungs-)Verbindungen. Die Kombination von horizontalen und vertikalen Verbindungen ermöglicht die Schaffung einer hierarchischen Struktur des Universums, bei der die Größe eines Objekts und seine Masse sowie seine Beziehung zu einer Person das wichtigste qualifizierende Merkmal sind. Basierend auf diesem Kriterium werden folgende Ebenen der Materie unterschieden: Mikrowelt, Makrowelt und Megawelt.
Mikrowelt- der Bereich extrem kleiner, direkt nicht beobachtbarer materieller Mikroobjekte, deren räumliche Ausdehnung im Bereich von 10 -8 bis 10 -16 cm liegt und deren Lebensdauer zwischen unendlich und 10 - 24 s liegt. Dazu gehören Felder, Elementarteilchen, Kerne, Atome und Moleküle.
Makrowelt - die Welt der materiellen Objekte, deren Maßstab dem Menschen und seinen physischen Parametern entspricht. Auf dieser Ebene werden räumliche Größen in Millimetern, Zentimetern, Metern und Kilometern und die Zeit in Sekunden, Minuten, Stunden, Tagen und Jahren ausgedrückt. In der praktischen Realität wird die Makrowelt durch Makromoleküle, Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen, lebende Organismen, Menschen und die Produkte ihrer Aktivitäten, d.h. Makrokörper.
Megawelt - eine Sphäre enormer kosmischer Ausmaße und Geschwindigkeiten, deren Entfernung in astronomischen Einheiten, Lichtjahren und Parsecs gemessen wird und die Lebensdauer von Weltraumobjekten in Millionen und Abermilliarden Jahren gemessen wird. Diese Materieebene umfasst die größten materiellen Objekte: Sterne, Galaxien und ihre Cluster.
Jede dieser Ebenen hat ihre eigenen spezifischen Gesetze, die nicht aufeinander reduzierbar sind. Obwohl alle diese drei Bereiche der Welt eng miteinander verbunden sind.
Megaworld-Struktur
Die wichtigsten Strukturelemente der Megawelt sind Planeten und Planetensysteme; Sterne und Sternsysteme, die Galaxien bilden; Galaxiensysteme, die Metagalaxien bilden.
Planeten- nicht selbstleuchtende Himmelskörper, die einer Kugel ähneln, sich um Sterne drehen und deren Licht reflektieren. Aufgrund ihrer Nähe zur Erde sind die am besten untersuchten Planeten des Sonnensystems diejenigen, die sich auf elliptischen Bahnen um die Sonne bewegen. Zu dieser Planetengruppe gehört auch unsere Erde, die sich in einer Entfernung von 150 Millionen km von der Sonne befindet.
Sterne- leuchtende (Gas-)Weltraumobjekte, die durch Gravitationskondensation aus einer Gas-Staub-Umgebung (hauptsächlich Wasserstoff und Helium) entstehen. Sterne entfernt
über weite Distanzen voneinander entfernt und dadurch voneinander isoliert. Dies bedeutet, dass Sterne praktisch nicht miteinander kollidieren, obwohl die Bewegung jedes einzelnen von ihnen durch die von allen Sternen in der Galaxie erzeugte Gravitationskraft bestimmt wird. Die Anzahl der Sterne in der Galaxie beträgt etwa eine Billion. Die zahlreichsten von ihnen sind Zwerge, deren Masse etwa zehnmal geringer ist als die Masse der Sonne. Abhängig von ihrer Masse entwickeln sich Sterne entweder zu Weißen Zwergen, Neutronensternen oder Schwarzen Löchern.
weißer Zwerg ist ein Elektronenpoststern, der entsteht, wenn ein Stern im letzten Stadium seiner Entwicklung eine Masse von weniger als 1,2 Sonnenmassen hat. Der Durchmesser des Weißen Zwergs entspricht dem Durchmesser unserer Erde, die Temperatur erreicht etwa eine Milliarde Grad und die Dichte beträgt 10 t/cm 3, d. h. Hunderte Male größer als die Dichte der Erde.
Neutronensterne entstehen im Endstadium der Entwicklung Sterne mit einer Masse von 1,2 bis 2 Sonnenmassen. Hohe Temperaturen und Drücke schaffen in ihnen Bedingungen für die Bildung einer großen Anzahl von Neutronen. In diesem Fall kommt es zu einer sehr schnellen Kompression des Sterns, bei der in seinen äußeren Schichten schnelle Kernreaktionen beginnen. Dabei wird so viel Energie freigesetzt, dass es zu einer Explosion kommt, die die äußere Schicht des Sterns zerstreut. Seine inneren Regionen schrumpfen rapide. Das verbleibende Objekt wird Neutronenstern genannt, weil es aus Protonen und Neutronen besteht. Neutronensterne werden auch Pulsare genannt.
Schwarze Löcher - Dabei handelt es sich um Sterne im Endstadium ihrer Entwicklung, deren Masse mehr als 2 Sonnenmassen beträgt und die einen Durchmesser von 10 bis 20 km haben. Theoretische Berechnungen ergaben, dass sie eine gigantische Masse (10 15 g) und ein ungewöhnlich starkes Gravitationsfeld haben. Sie haben ihren Namen erhalten, weil sie kein Leuchten haben und aufgrund ihres Gravitationsfeldes alle kosmischen Körper und Strahlungen, die nicht aus ihnen herauskommen können, aus dem Weltraum einfangen. Sie scheinen in sie hineinzufallen (wie in ein Loch hineingezogen zu werden). ). Aufgrund der starken Schwerkraft kann sich kein eingefangener materieller Körper über den Gravitationsradius des Objekts hinausbewegen und erscheint daher für den Beobachter „schwarz“.
Sternsysteme (Sternhaufen)- Gruppen von Sternen, die durch Gravitationskräfte verbunden sind, einen gemeinsamen Ursprung und eine ähnliche chemische Zusammensetzung haben und bis zu Hunderttausende Einzelsterne umfassen. Es gibt verstreute Sternsysteme, wie zum Beispiel die Plejaden im Sternbild Stier. Solche Systeme haben nicht die richtige Form. Derzeit sind mehr als tausend bekannt
Sternensysteme. Zu den Sternsystemen zählen außerdem Kugelsternhaufen, die Hunderttausende Sterne enthalten. Gravitationskräfte halten Sterne über Milliarden von Jahren in solchen Clustern fest. Derzeit kennen Wissenschaftler etwa 150 Kugelsternhaufen.
Galaxien sind Ansammlungen von Sternhaufen. Der Begriff „Galaxie“ bedeutet in seiner modernen Interpretation riesige Sternensysteme. Dieser Begriff (aus dem Griechischen „Milch, milchig“) wurde geprägt, um unser Sternensystem zu bezeichnen, das ein heller Streifen mit milchiger Tönung ist, der sich über den gesamten Himmel erstreckt und daher Milchstraße genannt wird.
Herkömmlicherweise können Galaxien aufgrund ihres Aussehens in drei Typen eingeteilt werden. ZU Erste(etwa 80 %) sind Spiralgalaxien. Bei dieser Art sind der Kern und die spiralförmigen „Ärmel“ deutlich zu erkennen. Zweiter Typ(ca. 17 %) umfasst elliptische Galaxien, d.h. diejenigen, die die Form einer Ellipse haben. ZU dritter Typ(ungefähr 3 %) sind unregelmäßig geformte Galaxien, die keinen klar definierten Kern haben. Darüber hinaus unterscheiden sich Galaxien in ihrer Größe, der Anzahl der darin enthaltenen Sterne und ihrer Leuchtkraft. Alle Galaxien befinden sich in einem Zustand der Bewegung und der Abstand zwischen ihnen nimmt ständig zu, d.h. es kommt zu einer gegenseitigen Entfernung (Streuung) der Galaxien voneinander.
Unser Sonnensystem gehört zur Milchstraße, die mindestens 100 Milliarden Sterne umfasst und somit zur Kategorie der Riesengalaxien zählt. Es hat eine abgeflachte Form, in deren Mitte sich ein Kern befindet, von dem sich spiralförmige „Ärmel“ erstrecken. Der Durchmesser unserer Galaxie beträgt etwa 100.000 und die Dicke beträgt 10.000 Lichtjahre. Unsere Nachbargalaxie ist der Andromedanebel.
Eine Metagalaxie ist ein Galaxiensystem, das alle bekannten kosmischen Objekte umfasst.
Da es in der Megawelt um große Entfernungen geht, wurden zur Messung dieser Entfernungen folgende Spezialeinheiten entwickelt:
1) Lichtjahr – die Entfernung, die ein Lichtstrahl im Laufe eines Jahres mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s zurücklegt, d. h. ein Lichtjahr ist 10 Billionen km;
2) Die astronomische Einheit ist die durchschnittliche Entfernung von der Erde zur Sonne, 1 AE. entspricht 8,3 Lichtminuten. Das bedeutet, dass die Sonnenstrahlen, nachdem sie die Sonne verlassen haben, die Erde in 8,3 Minuten erreichen;
3) Parsec – eine Maßeinheit für kosmische Entfernungen innerhalb von Sternsystemen und zwischen ihnen. 1 Stück - 206.265 AU, d.h. entspricht ungefähr 30 Billionen km oder 3,3 Lichtjahren.
