Luonnontieteet, jotka ovat aloittaneet aineellisen maailman tutkimuksen yksinkertaisimmilla ihmisen suoraan havaitsemilla aineellisilla esineillä, siirtyvät tutkimaan aineen syvien rakenteiden monimutkaisimpia kohteita, jotka ylittävät ihmisen havainnon rajojen ja ovat suhteettomia esineiden kanssa. jokapäiväinen kokemus. Systeemilähestymistapaa käyttäen luonnontiede ei pelkästään tunnista materiaalijärjestelmien tyyppejä, vaan paljastaa niiden yhteydet ja suhteet.

Tieteessä aineen rakenteessa on kolme tasoa:

Mikromaailma (alkuainehiukkaset, ytimet, atomit, molekyylit) on äärimmäisen pienten, ei suoraan havainnoitavien mikroobjektien maailma, joiden spatiaalinen monimuotoisuus lasketaan kymmenestä miinus kahdeksastoista potenssiin kymmenestä miinus kuudestoista potenssiin cm, ja elinikä on äärettömyydestä kymmeneen miinus 24 asteeseen.

Makromaailma (makromolekyylit, elävät organismit, ihmiset, tekniset esineet jne.) on makroobjektien maailma, jonka ulottuvuus on verrattavissa ihmisen kokemuksen mittakaavaan: spatiaaliset suureet ilmaistaan ​​millimetreinä, senttimetreinä ja kilometreinä, ja aika - vuonna sekuntia, minuuttia, tuntia, vuotta.

Megamaailma (planeetat, tähdet, galaksi) on valtavien kosmisten mittojen ja nopeuksien maailma, jonka etäisyys mitataan valovuosissa ja avaruusobjektien elinikä miljoonissa ja miljardeissa vuosissa.

Ja vaikka näillä tasoilla on omat erityiset lakinsa, mikro-, makro- ja megamaailmat liittyvät läheisesti toisiinsa. Maailman perusvakiot määräävät aineen hierarkkisen rakenteen mittakaavan maailmassamme. On selvää, että suhteellisen pieni muutos niissä johtaa laadullisesti erilaisen maailman muodostumiseen, jossa nykyisin olemassa olevien mikro-, makro- ja megarakenteiden ja ylipäätään hyvin organisoituneiden elävän aineen muotojen muodostuminen tulisi mahdottomaksi. Niiden tietyt merkitykset ja niiden väliset suhteet pohjimmiltaan varmistavat universumimme rakenteellisen vakauden. Siksi näennäisesti abstraktien maailmanvakioiden ongelmalla on globaali ideologinen merkitys.

Asia

Aine on ääretön joukko kaikkia maailmassa olemassa olevia esineitä ja järjestelmiä, minkä tahansa ominaisuuksien, yhteyksien, suhteiden ja liikemuotojen substraatti. Aine ei sisällä vain kaikkia suoraan havaittavia luonnon esineitä ja kappaleita, vaan myös kaikkia niitä, jotka periaatteessa voidaan tulevaisuudessa tuntea havainnointi- ja kokeilukeinojen parantamisen perusteella. Aineellisen maailman rakennetta koskevien käsitysten perustana on systeemilähestymistapa, jonka mukaan mitä tahansa aineellisen maailman esinettä, oli se sitten atomi, planeetta, organismi tai galaksi, voidaan pitää monimutkaisena muodostumana, joka sisältää komponentteja, jotka on organisoitu eheys. Esineiden eheyden osoittamiseksi tieteessä kehitettiin järjestelmän käsite.

Aine objektiivisena todellisuutena ei sisällä vain ainetta sen neljässä aggregaatiotilassa (kiinteä, nestemäinen, kaasumainen, plasma), vaan myös fysikaaliset kentät (sähkömagneettinen, gravitaatio, ydin jne.) sekä niiden ominaisuudet, suhteet, tuotteiden vuorovaikutukset. . Se sisältää myös tieteen äskettäin löytämän antimateriaalin (joukko antihiukkasia: positroni tai antielektroni, antiprotoni, antineutroni). Antimateriaali ei missään nimessä ole antimateriaa. Antimateriaa ei voi olla olemassa ollenkaan. Liike ja aine liittyvät orgaanisesti ja erottamattomasti toisiinsa: liikettä ei ole ilman ainetta, kuten ei ole ainetta ilman liikettä. Toisin sanoen maailmassa ei ole muuttumattomia asioita, ominaisuuksia ja suhteita. Jotkut muodot tai tyypit korvataan toisilla, muuttuvat toisiksi - liike on jatkuvaa. Rauha on dialektisesti katoava hetki jatkuvassa muutos- ja tulemisprosessissa. Absoluuttinen rauha merkitsee kuolemaa tai pikemminkin olemattomuutta. Sekä liike että lepo ovat ehdottomasti kiinteät vain suhteessa johonkin viitekehykseen.

Liikkuvaa ainetta on kahdessa päämuodossa - avaruudessa ja ajassa. Avaruuden käsite ilmaisee materiaalijärjestelmien ja niiden tilojen laajenemisen ja rinnakkaiselon ominaisuuksia. Se on objektiivista, yleismaailmallista ja tarpeellista. Ajan käsite määrittää materiaalijärjestelmien tilojen muutosten keston ja järjestyksen. Aika on objektiivista, väistämätöntä ja peruuttamatonta.

Demokritos oli perustanut näkemyksen aineesta erillisistä hiukkasista koostuvana. Demokritos kiisti aineen äärettömän jakautumisen. Atomit eroavat toisistaan ​​vain muodon, keskinäisen peräkkäisyyden järjestyksen ja sijainnin osalta tyhjässä tilassa sekä koon ja painovoiman suhteen, mikä riippuu koosta. Niillä on äärettömän erilaisia ​​muotoja, joissa on painaumia tai pullistumia. Modernissa tieteessä on keskusteltu paljon siitä, ovatko Demokritoksen atomit fyysisiä vai geometrisia kappaleita, mutta Demokritos itse ei ole vielä päässyt eroon fysiikan ja geometrian välillä. Näistä eri suuntiin liikkuvista atomeista, niiden "pyörteestä", luonnollisesta välttämättömyydestä, keskenään samankaltaisten atomien yhdistämisen kautta muodostuu sekä yksittäisiä kokonaisia ​​kappaleita että koko maailma; atomien liike on ikuista, ja nousevien maailmojen määrä on ääretön. Ihmisten ulottuvilla oleva objektiivisen todellisuuden maailma laajenee jatkuvasti. Käsitteelliset muodot aineen rakenteellisista tasoista ovat erilaisia. Moderni tiede tunnistaa kolme rakenteellista tasoa maailmassa.

Aineen organisoinnin rakenteelliset tasot

Mikromaailma on molekyylejä, atomeja, alkuainehiukkasia - äärimmäisen pienten, ei suoraan havaittavissa olevien mikroobjektien maailmaa, joiden tilallinen monimuotoisuus on laskettu 10-8 - 10-16 cm ja elinikä äärettömyydestä 10-24 s. Makromaailma on ihmisiin suhteutettujen vakaiden muotojen ja määrien maailma sekä molekyylien, organismien, organismiyhteisöjen kiteiset kompleksit; makroobjektien maailma, jonka ulottuvuus on verrattavissa ihmisen kokemuksen mittakaavaan: spatiaaliset suureet ilmaistaan ​​millimetreinä, senttimetreinä ja kilometreinä ja aika - sekunteina, minuutteina, tunteina, vuosina.

Megamaailma on planeetat, tähtikompleksit, galaksit, metagalaksit - valtavien kosmisten mittakaavojen ja nopeuksien maailma, jonka etäisyys mitataan valovuosina ja avaruusobjektien elinikä miljoonissa ja miljardeissa vuosissa.

Ja vaikka näillä tasoilla on omat erityiset lakinsa, mikro-, makro- ja megamaailmat liittyvät läheisesti toisiinsa.

On selvää, että mikro- ja makrokosmosen rajat ovat liikkuvia, eikä ole olemassa erillistä mikrokosmosta ja erillistä makrokosmosta. Luonnollisesti makro- ja mega-objektit rakennetaan mikro-objekteista, ja makro- ja mega-ilmiöt perustuvat mikroilmiöihin. Tämä näkyy selvästi esimerkissä universumin rakentamisesta vuorovaikutuksessa olevista alkuainehiukkasista kosmisen mikrofysiikan puitteissa. Itse asiassa meidän on ymmärrettävä, että puhumme vain aineen eri tasoista. Objektien mikro-, makro- ja megakoot korreloivat keskenään makro/mikro - mega/makro.

Klassisessa fysiikassa ei ollut objektiivista kriteeriä makron erottamiseksi mikroobjektista. Tämän eron esitteli M. Planck: jos tarkasteltavan kohteen minimaalinen vaikutus siihen voidaan jättää huomiotta, niin nämä ovat makroobjekteja, jos tämä ei ole mahdollista, ne ovat mikroobjekteja. Protonit ja neutronit muodostavat atomiytimiä. Atomit yhdistyvät muodostaen molekyylejä. Jos mennään pidemmälle kehon kokojen mittakaavassa, niin seuraavat ovat tavalliset makrokehot, planeetat ja niiden järjestelmät, tähdet, galaksiklusterit ja metagalaksit, eli voimme kuvitella siirtymisen mikro-, makro- ja mega- sekä mikro-, makro- ja mega-asteikoista. koossa ja fysikaalisten prosessien malleissa.

Mikromaailma

Demokritos esitti antiikin aikana atomistisen hypoteesin aineen rakenteesta, myöhemmin, 1700-luvulla. sen herätti henkiin kemisti J. Dalton, joka otti vedyn atomipainon yhdeksi ja vertasi siihen muiden kaasujen atomipainoja. J. Daltonin töiden ansiosta atomin fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia alettiin tutkia. 1800-luvulla D.I. Mendelejev rakensi kemiallisten alkuaineiden järjestelmän niiden atomipainon perusteella. Atomin rakenteen tutkimuksen historia alkoi vuonna 1895, kun J. Thomson löysi elektronin, negatiivisesti varautuneen hiukkasen, joka on osa kaikkia atomeja. Koska elektroneilla on negatiivinen varaus ja atomi kokonaisuudessaan on sähköisesti neutraali, oletettiin, että elektronin lisäksi on positiivisesti varautunut hiukkanen. Elektronin massaksi laskettiin 1/1836 positiivisesti varautuneen hiukkasen massasta.

Ytimellä on positiivinen varaus ja elektroneilla negatiivinen varaus. Aurinkokunnassa vaikuttavien gravitaatiovoimien sijaan atomissa toimivat sähkövoimat. Atomin ytimen sähkövaraus, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin sarjanumero Mendelejevin jaksollisessa järjestelmässä, tasapainotetaan elektronien varausten summalla - atomi on sähköisesti neutraali. Molemmat mallit osoittautuivat ristiriitaisiksi.

Vuonna 1913 suuri tanskalainen fyysikko N. Bohr käytti kvantisoinnin periaatetta ratkaistakseen atomin rakenteen ja atomispektrien ominaisuuksien ongelman. N. Bohrin atomimalli perustui E. Rutherfordin planeettamalliin ja hänen kehittämäänsä atomirakenteen kvanttiteoriaan. N. Bohr esitti hypoteesin atomin rakenteesta, joka perustuu kahteen postulaattiin, jotka ovat täysin yhteensopimattomia klassisen fysiikan kanssa:

1) jokaisessa atomissa on useita elektronien stationaarisia tiloja (planetaarimallin kielellä useita stationaarisia kiertoradoja), joita pitkin elektroni voi olla emittoimatta;

2) kun elektroni siirtyy kiinteästä tilasta toiseen, atomi emittoi tai absorboi osan energiasta.

Loppujen lopuksi on pohjimmiltaan mahdotonta kuvata tarkasti atomin rakennetta pisteelektronien kiertoradan idean perusteella, koska tällaisia ​​ratoja ei todellisuudessa ole olemassa. N. Bohrin teoria edustaa ikään kuin modernin fysiikan kehityksen ensimmäisen vaiheen rajaa. Tämä on viimeisin yritys kuvata atomin rakennetta klassiseen fysiikkaan, jota on täydennetty vain pienellä määrällä uusia oletuksia.

Näytti siltä, ​​että N. Bohrin postulaatit heijastivat aineen uusia, tuntemattomia ominaisuuksia, mutta vain osittain. Vastaukset näihin kysymyksiin saatiin kvanttimekaniikan kehityksen tuloksena. Kävi ilmi, että N. Bohrin atomimallia ei pidä ottaa kirjaimellisesti, kuten se oli alussa. Atomissa tapahtuvia prosesseja ei periaatteessa voida esittää visuaalisesti mekaanisten mallien muodossa analogisesti makrokosmoksen tapahtumien kanssa. Jopa tilan ja ajan käsitteet makromaailmassa olemassa olevassa muodossa osoittautuivat sopimattomiksi mikrofyysisten ilmiöiden kuvaamiseen. Teoreettisten fyysikkojen atomista tuli yhä enemmän abstrakti, havaitsematon yhtälöiden summa.

Macroworld

Luonnontutkimuksen historiassa voidaan erottaa kaksi vaihetta: esitieteellinen ja tieteellinen. Esitieteellinen eli luonnonfilosofinen kattaa ajanjakson antiikista kokeellisen luonnontieteen muodostumiseen 1500-1600-luvuilla. Havaitut luonnonilmiöt selitettiin spekulatiivisten filosofisten periaatteiden pohjalta. Merkittävin luonnontieteiden myöhemmälle kehitykselle oli aineen diskreetin rakenteen, atomismin käsite, jonka mukaan kaikki kappaleet koostuvat atomeista - maailman pienimmistä hiukkasista.

Luonnontutkimuksen tieteellinen vaihe alkaa klassisen mekaniikan muodostumisesta. Koska modernit tieteelliset ajatukset aineen organisoitumisen rakenteellisista tasoista syntyivät klassisen tieteen ideoiden kriittisen uudelleenajattelun yhteydessä, ja niitä voidaan soveltaa vain makrotason esineisiin, meidän on aloitettava klassisen fysiikan käsitteistä.

Tieteellisten näkemysten muodostuminen aineen rakenteesta juontaa juurensa 1500-luvulle, jolloin G. Galileo loi pohjan tieteenhistorian ensimmäiselle fyysiselle maailmakuvalle - mekaaniselle. Hän löysi inertialain ja kehitti menetelmän uudelle tavalle kuvata luontoa - tieteellis-teoreettista. Sen ydin oli, että vain tietyt fysikaaliset ja geometriset ominaisuudet tunnistettiin ja niistä tuli tieteellisen tutkimuksen kohde.

I. Newton kehitti Galileon teoksiin tukeutuen tiukan tieteellisen mekaniikkateorian, joka kuvaa sekä taivaankappaleiden että maallisten esineiden liikettä samojen lakien mukaan. Luontoa pidettiin monimutkaisena mekaanisena järjestelmänä. I. Newtonin ja hänen seuraajiensa kehittämän mekaanisen maailmakuvan puitteissa syntyi diskreetti (korpuskulaarinen) todellisuusmalli. Ainetta pidettiin aineellisena aineena, joka koostui yksittäisistä hiukkasista - atomeista tai hiukkasista. Atomit ovat ehdottoman vahvoja, jakamattomia, läpäisemättömiä, ja niille on ominaista massan ja painon läsnäolo.

Newtonilaisen maailman olennainen ominaisuus oli euklidisen geometrian kolmiulotteinen avaruus, joka on ehdottoman vakio ja aina levossa. Aika esitettiin avaruudesta tai aineesta riippumattomana suureena. Liikkeenä pidettiin liikettä avaruudessa jatkuvia lentoratoja pitkin mekaniikan lakien mukaisesti. Newtonin maailmankuvan tuloksena syntyi kuva maailmankaikkeudesta jättimäisenä ja täysin määräytyvänä mekanismina, jossa tapahtumat ja prosessit ovat toisistaan ​​riippuvaisten syiden ja seurausten ketju.

Mekaaninen lähestymistapa luonnon kuvaamiseen on osoittautunut erittäin hedelmälliseksi. Newtonin mekaniikkaa noudattaen syntyi hydrodynamiikka, elastisuusteoria, lämmön mekaaninen teoria, molekyylikineettinen teoria ja joukko muita, joiden mukaisesti fysiikka on saavuttanut valtavaa menestystä. Oli kuitenkin kaksi aluetta - optiset ja sähkömagneettiset ilmiöt, joita ei voitu täysin selittää mekaanisen maailmankuvan puitteissa.

Mekaanisen korpuskulaariteorian ohella optisia ilmiöitä yritettiin selittää olennaisesti eri tavalla, nimittäin aaltoteorian pohjalta. Aaltoteoria loi analogian valon etenemisen ja aaltojen liikkeen välillä veden pinnalla tai ääniaaltojen välillä ilmassa. Se oletti kaiken tilan täyttävän elastisen väliaineen - valoa sisältävän eetterin. X. Huygensin aaltoteoriaan perustuen selitti onnistuneesti valon heijastuksen ja taittumisen.

Toinen fysiikan alue, jolla mekaaniset mallit osoittautuivat riittämättömiksi, oli sähkömagneettisten ilmiöiden alue. Englantilaisen luonnontieteilijän M. Faradayn kokeet ja englantilaisen fyysikon J. C. Maxwellin teoreettiset teokset tuhosivat lopulta newtonilaisen fysiikan ajatukset diskreetistä aineesta ainoana ainelajina ja loivat pohjan sähkömagneettiselle maailmankuvalle. Sähkömagnetismin ilmiön löysi tanskalainen luonnontieteilijä H.K. Oersted, joka huomasi ensimmäisenä sähkövirtojen magneettisen vaikutuksen. Jatkaessaan tutkimusta tähän suuntaan, M. Faraday havaitsi, että väliaikainen muutos magneettikentissä luo sähkövirran.

M. Faraday tuli siihen tulokseen, että sähkön ja optiikan tutkimus liittyvät toisiinsa ja muodostavat yhden kentän. Maxwell "käänsi" Faradayn kenttäviivamallin matemaattiseksi kaavaksi. "Voimien kentän" käsite kehitettiin alun perin matemaattiseksi apukäsitteeksi. J.C. Maxwell antoi sille fyysisen merkityksen ja alkoi pitää kenttää itsenäisenä fyysisenä todellisuutena: "Sähkömagneettinen kenttä on avaruuden osa, joka sisältää ja ympäröi sähköisessä tai magneettisessa tilassa olevia kappaleita."

Maxwell pystyi tutkimuksensa perusteella päättelemään, että valoaallot ovat sähkömagneettisia aaltoja. Valon ja sähkön ainoa olemus, jonka M. Faraday ehdotti vuonna 1845, ja J.K. Maxwell perusti sen teoreettisesti vuonna 1862, ja saksalainen fyysikko G. Hertz vahvisti sen kokeellisesti vuonna 1888. G. Hertzin kokeiden jälkeen kentän käsite lopulta vakiintui fysiikkaan, ei matemaattisena apukonstruktina, vaan objektiivisesti olemassa olevana fyysisenä rakenteena. todellisuus. Löydettiin laadullisesti uusi, ainutlaatuinen ainetyyppi. Siis 1800-luvun loppuun mennessä. Fysiikka on tullut siihen tulokseen, että ainetta on kahdessa muodossa: diskreetti aine ja jatkuva kenttä. Myöhemmin viime vuosisadan lopulla ja tämän vuosisadan alussa tehtyjen fysiikan vallankumouksellisten löytöjen seurauksena klassisen fysiikan käsitykset aineesta ja kentästä kahdella laadullisesti ainutlaatuisella ainetyypillä tuhoutuivat.

Megamaailma

Nykyaikainen tiede näkee megamaailman tai avaruuden kaikkien taivaankappaleiden vuorovaikutuksessa ja kehittyvänä järjestelmänä. Kaikki olemassa olevat galaksit sisältyvät korkeimpaan luokkaan - metagalaksiin. Metagalaksin mitat ovat erittäin suuret: kosmologisen horisontin säde on 15 - 20 miljardia valovuotta. Käsitteet "Universumi" ja "Metagalaksi" ovat hyvin läheisiä käsitteitä: ne kuvaavat samaa kohdetta, mutta eri näkökulmista. Käsite "universumi" tarkoittaa koko olemassa olevaa aineellista maailmaa; "Metagalaksin" käsite on sama maailma, mutta rakenteensa näkökulmasta - järjestyneenä galaksijärjestelmänä. Universumin rakennetta ja kehitystä tutkii kosmologia. Kosmologia luonnontieteen haarana sijaitsee ainutlaatuisessa tieteen, uskonnon ja filosofian leikkauskohdassa. Universumin kosmologiset mallit perustuvat tiettyihin ideologisiin lähtökohtiin, ja näillä malleilla itsessään on suuri ideologinen merkitys.

Klassisessa tieteessä oli ns. vakaan tilan teoria maailmankaikkeudesta, jonka mukaan universumi on aina ollut lähes sama kuin nyt. Tähtitiede oli staattista: planeettojen ja komeettojen liikkeitä tutkittiin, tähtiä kuvailtiin, luotiin niiden luokitukset, mikä oli tietysti erittäin tärkeää. Mutta kysymystä maailmankaikkeuden evoluutiosta ei esitetty. Universumin nykyaikaiset kosmologiset mallit perustuvat A. Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan, jonka mukaan avaruuden ja ajan metriikka määräytyy gravitaatiomassojen jakautumisen perusteella universumissa. Sen ominaisuudet kokonaisuutena määräytyvät aineen keskimääräisen tiheyden ja muiden erityisten fysikaalisten tekijöiden perusteella.

Einsteinin painovoimayhtälössä ei ole yhtä, vaan useita ratkaisuja, mikä selittää monien maailmankaikkeuden kosmologisten mallien olemassaolon. Ensimmäisen mallin kehitti A. Einstein itse vuonna 1917. Hän hylkäsi newtonilaisen kosmologian postulaatit tilan ja ajan absoluuttisuudesta ja äärettömyydestä. A. Einsteinin maailmankaikkeuden kosmologisen mallin mukaan maailmanavaruus on homogeeninen ja isotrooppinen, aine jakautuu siihen keskimäärin tasaisesti ja massojen vetovoimaa kompensoi universaali kosmologinen hylkiminen. Universumin olemassaolo on ääretön, ts. sillä ei ole alkua eikä loppua, ja avaruus on rajaton, mutta rajallinen.

Universumi A. Einsteinin kosmologisessa mallissa on paikallaan, ajallisesti ääretön ja avaruudessa rajaton. Vuonna 1922 Venäläinen matemaatikko ja geofyysikko A. A Friedman hylkäsi klassisen kosmologian postulaatin maailmankaikkeuden stationaarisuudesta ja sai ratkaisun Einsteinin yhtälöön, joka kuvaa maailmankaikkeutta "laajenevalla" avaruudella. Koska aineen keskimääräistä tiheyttä universumissa ei tunneta, emme nykyään tiedä, missä näistä universumin tiloista elämme.

Vuonna 1927 belgialainen apotti ja tiedemies J. Lemaitre yhdisti avaruuden "laajenemisen" tähtitieteellisten havaintojen tietoihin. Lemaitre esitteli käsitteen maailmankaikkeuden alkamisesta singulaariteettina (eli supertiheänä tilana) ja maailmankaikkeuden syntymän alkuräjähdyksenä. Universumin laajenemista pidetään tieteellisesti toteena. J. Lemaîtren teoreettisten laskelmien mukaan universumin säde alkuperäisessä tilassaan oli 10-12 cm, mikä on kooltaan lähellä elektronin sädettä, ja sen tiheys oli 1096 g/cm 3 . Yksittäisessä tilassa maailmankaikkeus oli mitättömän kokoinen mikroobjekti. Alkuperäisestä yksittäistilasta universumi siirtyi laajenemaan alkuräjähdyksen seurauksena.

Retrospektiiviset laskelmat määrittelevät maailmankaikkeuden iän 13-20 miljardiksi vuodeksi. Nykyaikaisessa kosmologiassa, selvyyden vuoksi, maailmankaikkeuden evoluution alkuvaihe on jaettu "aikakausiin".

Hadronien aikakausi. Raskaat hiukkaset, jotka tulevat voimakkaaseen vuorovaikutukseen.

Leptonien aikakausi. Valohiukkaset joutuvat sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen.

Fotonien aikakausi. Kesto 1 miljoona vuotta. Suurin osa massasta - maailmankaikkeuden energiasta - tulee fotoneista.

Tähtien aikakausi. Tapahtuu miljoona vuotta maailmankaikkeuden syntymän jälkeen. Tähtien aikakaudella prototähtien ja protogalaksien muodostumisprosessi alkaa. Sitten avautuu mahtava kuva metagalaksin rakenteen muodostumisesta.

Modernissa kosmologiassa alkuräjähdyksen hypoteesin ohella maailmankaikkeuden inflaatiomalli, joka ottaa huomioon maailmankaikkeuden luomisen, on erittäin suosittu. Inflaatiomallin kannattajat näkevät vastaavuuden kosmisen evoluution vaiheiden ja Raamatun Genesiksen kirjassa kuvattujen maailman luomisvaiheiden välillä. Inflaatiohypoteesin mukaan kosminen evoluutio varhaisessa universumissa käy läpi useita vaiheita.

Inflaatiovaihe. Kvanttihypyn seurauksena maailmankaikkeus siirtyi kiihtyneen tyhjiön tilaan ja laajeni intensiivisesti eksponentiaalisen lain mukaan, koska siinä ei ollut ainetta ja säteilyä. Tänä aikana luotiin itse maailmankaikkeuden tila ja aika. Universumi puhallettiin käsittämättömän pienestä 10-33:n kvanttikoosta käsittämättömän suureen 101000000 cm:iin, mikä on monta suuruusluokkaa suurempi kuin havaittavan maailmankaikkeuden koko - 1028 cm. Koko tämän alkujakson aikana sisällä ei ollut ainetta eikä säteilyä universumi. Siirtyminen inflaatiovaiheesta fotonivaiheeseen. Valheellisen tyhjiön tila hajosi, vapautunut energia meni raskaiden hiukkasten ja antihiukkasten syntymiseen, jotka tuhoutuessaan antoivat voimakkaan säteilyn (valon), joka valaisi avaruutta.

Myöhemmin maailmankaikkeuden kehitys suuntautui yksinkertaisimmasta homogeenisestä tilasta yhä monimutkaisempien rakenteiden luomiseen - atomien (alun perin vetyatomien), galaksien, tähtien, planeettojen, raskaiden alkuaineiden synteesiin tähtien suolistossa, mukaan lukien ne. välttämätön elämän luomiselle, elämän syntymiselle ja luomisen kruununa - ihminen. Ero universumin evoluution vaiheiden välillä inflaatiomallissa ja alkuräjähdyksessä koskee vain 10-30 s luokkaa olevaa alkuvaihetta, jolloin näiden mallien välillä ei ole perustavanlaatuisia eroja kosmisen evoluution vaiheiden ymmärtämisessä. . Universumille eri tasoilla, tavanomaisista alkuainehiukkasista jättimäisiin galaksien superklusteriin, on ominaista rakenne. Universumin nykyaikainen rakenne on seurausta kosmisesta evoluutiosta, jonka aikana galakseja muodostui protogalakseista, tähtiä prototähdistä ja planeettoja protoplanetaarisista pilvistä.

Metagalaksi on kokoelma tähtijärjestelmiä - galakseja, ja sen rakenteen määrää niiden jakautuminen avaruudessa, joka on täytetty erittäin harvinaisella galaksien välisellä kaasulla ja jonka läpi tunkeutuvat intergalaktiset säteet. Nykyaikaisten käsitteiden mukaan metagalaksille on ominaista solurakenne (verkko, huokoinen). On olemassa valtavia tilavuuksia (miljoonan kuutiometrin megaparsekin luokkaa), joista galakseja ei ole vielä löydetty. Metagalaksin ikä on lähellä maailmankaikkeuden ikää, koska rakenteen muodostuminen tapahtuu aineen ja säteilyn eroamisen jälkeisellä kaudella. Nykyaikaisten tietojen mukaan metagalaksin ikä on arviolta 15 miljardia vuotta.

Galaksi on jättiläinen järjestelmä, joka koostuu tähtijoukoista ja sumuista, jotka muodostavat melko monimutkaisen kokoonpanon avaruudessa. Muotonsa perusteella galaksit jaetaan tavanomaisesti kolmeen tyyppiin: elliptisiin, kierteisiin ja epäsäännöllisiin. Elliptiset galaksit ovat muodoltaan ellipsoidia, joiden puristusaste vaihtelee: ne ovat rakenteeltaan yksinkertaisimpia: tähtien jakautuminen laskee tasaisesti keskustasta. Spiraaligalaksit esitetään spiraalimuodossa, mukaan lukien spiraalivarret. Tämä on lukuisin galaksityyppi, johon kuuluu galaksimme - Linnunrata. Epäsäännöllisillä galakseilla ei ole selkeää muotoa; Vanhimmat tähdet, joiden ikä on lähellä galaksin ikää, ovat keskittyneet galaksin ytimeen. Keski-ikäiset ja nuoret tähdet sijaitsevat galaktisella levyllä. Tähdet ja sumut galaksin sisällä liikkuvat melko monimutkaisesti, yhdessä galaksin kanssa ne osallistuvat maailmankaikkeuden laajenemiseen, lisäksi ne osallistuvat galaksin pyörimiseen akselinsa ympäri.

Tähdet. Universumin evoluution nykyisessä vaiheessa siinä oleva aine on pääosin tähtitilassa 97 % galaksissamme olevasta aineesta on keskittynyt tähtiin, jotka ovat erikokoisia, -lämpöisiä ja ominaisuuksiltaan erilaisia ​​plasmamuodostelmia. liikkeestä. Monissa, ellei useimmissa muissa galakseissa on "tähtiainetta", joka muodostaa yli 99,9 % niiden massasta. Tähtien ikä vaihtelee melko laajalla arvoalueella: 15 miljardista vuodesta, joka vastaa maailmankaikkeuden ikää, satoihin tuhansiin - nuorimpiin. Tähtien syntyminen tapahtuu kaasu-pölysumuissa gravitaatio-, magneetti- ja muiden voimien vaikutuksesta, minkä seurauksena muodostuu epävakaita homogeenisuuksia ja diffuusi aine hajoaa sarjaksi kondensaatioita. Jos tällaiset kondensaatiot jatkuvat tarpeeksi kauan, ne muuttuvat ajan myötä tähdiksi. Evoluution viimeisessä vaiheessa tähdet muuttuvat inertiksi ("kuolleiksi") tähdiksi.

Tähdet eivät ole olemassa eristyksissä, vaan muodostavat järjestelmiä. Yksinkertaisimmat tähtijärjestelmät - niin sanotut monijärjestelmät - koostuvat kahdesta, kolmesta, neljästä, viidestä tai useammasta tähdestä, jotka pyörivät yhteisen painopisteen ympärillä. Tähdet yhdistyvät myös vielä suurempiin ryhmiin - tähtiklusteriin, joilla voi olla "hajallaan" tai "pallomainen" rakenne. Avoimissa tähtijoukkoissa on useita satoja yksittäisiä tähtiä, pallomaisissa tähtijoukoissa useita satoja tuhansia. Aurinkokunta on ryhmä taivaankappaleita, jotka ovat kooltaan ja fyysiseltä rakenteeltaan hyvin erilaisia. Tähän ryhmään kuuluvat: Aurinko, yhdeksän pääplaneettaa, kymmeniä planeettasatelliitteja, tuhansia pieniä planeettoja (asteroideja), satoja komeettoja ja lukemattomia meteoriittikappaleita, jotka liikkuvat sekä parveissa että yksittäisten hiukkasten muodossa.

Vuoteen 1979 mennessä tiedettiin 34 satelliittia ja 2000 asteroidia. Kaikki nämä kappaleet yhdistyvät yhdeksi järjestelmäksi keskuskappaleen - Auringon - painovoiman vuoksi. Aurinkokunta on järjestelmällinen järjestelmä, jolla on omat rakenteelliset lakinsa. Aurinkokunnan yhtenäinen luonne ilmenee siinä, että kaikki planeetat pyörivät auringon ympäri samassa suunnassa ja lähes samassa tasossa. Suurin osa planeettojen satelliiteista pyörii samaan suuntaan ja useimmissa tapauksissa planeetansa ekvatoriaalisessa tasossa. Aurinko, planeetat, planeettojen satelliitit pyörivät akselinsa ympäri samaan suuntaan kuin ne liikkuvat liikeratojaan pitkin. Aurinkokunnan rakenne on myös luonnollinen: jokainen seuraava planeetta on noin kaksi kertaa kauempana Auringosta kuin edellinen.

Aurinkokunta syntyi noin 5 miljardia vuotta sitten, ja Aurinko on toisen sukupolven tähti. Siten aurinkokunta syntyi aikaisempien sukupolvien tähtien jätetuotteista, jotka kerääntyivät kaasu- ja pölypilviin. Tämä seikka antaa aihetta kutsua aurinkokuntaa pieneksi osaksi tähtipölyä. Tiede tietää aurinkokunnan alkuperästä ja sen historiallisesta evoluutiosta vähemmän kuin on tarpeen planeettojen muodostumista koskevan teorian rakentamiseksi.

Nykyaikaiset käsitykset aurinkokunnan planeettojen alkuperästä perustuvat siihen, että on tarpeen ottaa huomioon mekaanisten voimien lisäksi myös muut, erityisesti sähkömagneettiset voimat. Tämän ajatuksen esittivät ruotsalainen fyysikko ja astrofyysikko H. Alfvén ja englantilainen astrofyysikko F. Hoyle. Nykyaikaisten käsitysten mukaan alkuperäinen kaasupilvi, josta aurinko ja planeetat muodostuivat, koostui ionisoidusta kaasusta, joka oli alttiina sähkömagneettisten voimien vaikutukselle. Sen jälkeen kun Aurinko muodostui valtavasta kaasupilvestä keskittymisen kautta, pienet osat tästä pilvestä jäivät hyvin suurelle etäisyydelle siitä. Gravitaatiovoima alkoi vetää jäljellä olevaa kaasua syntyneeseen tähteen - aurinkoon, mutta sen magneettikenttä pysäytti putoavan kaasun eri etäisyyksillä - juuri siellä, missä planeetat sijaitsevat. Gravitaatio- ja magneettivoimat vaikuttivat putoavan kaasun pitoisuuteen ja tiivistymiseen, minkä seurauksena planeettoja muodostui. Kun suurimmat planeetat syntyivät, sama prosessi toistettiin pienemmässä mittakaavassa, mikä loi satelliittijärjestelmiä.

Aurinkokunnan alkuperän teoriat ovat luonteeltaan hypoteettisia, eikä niiden luotettavuutta voida yksiselitteisesti ratkaista tieteen nykyisessä kehitysvaiheessa. Kaikissa olemassa olevissa teorioissa on ristiriitoja ja epäselviä alueita. Tällä hetkellä teoreettisen fysiikan alalla kehitetään käsitteitä, joiden mukaan objektiivisesti olemassa oleva maailma ei rajoitu aisteillamme tai fyysisillä instrumenteillamme havaittuun aineelliseen maailmaan. Näiden käsitteiden kirjoittajat tulivat seuraavaan johtopäätökseen: aineellisen maailman rinnalla on korkeamman tason todellisuus, jolla on olennaisesti erilainen luonne verrattuna aineellisen maailman todellisuuteen.

Ihmiset ovat pitkään yrittäneet löytää selitystä maailman monimuotoisuudelle ja omituisuudelle. Aineen ja sen rakenteellisten tasojen tutkiminen on välttämätön edellytys maailmankuvan muodostumiselle riippumatta siitä, osoittautuuko se lopulta materialistiseksi vai idealistiseksi. On aivan ilmeistä, että aineen käsitteen määrittely, jälkimmäisen ymmärtäminen ehtymättömänä tieteellisen maailmankuvan rakentamisessa, mikro-, makro- ja megamaailman esineiden ja ilmiöiden todellisuus- ja tunnettavuusongelman ratkaisemisessa on erittäin tärkeä rooli. .

Kaikki edellä mainitut fysiikan vallankumoukselliset löydöt kumosivat aiemmin olemassa olevat näkemykset maailmasta. Vakaumus klassisen mekaniikan lakien universaalisuudesta katosi, koska aiemmat käsitykset atomin jakamattomuudesta, massan pysyvyydestä, kemiallisten alkuaineiden muuttumattomuudesta jne. tuhoutuivat. Nyt on tuskin mahdollista löytää fyysikkoa, joka uskoisi, että kaikki hänen tieteensä ongelmat voidaan ratkaista mekaanisten käsitteiden ja yhtälöiden avulla.

Atomifysiikan synty ja kehitys murskasi siten lopullisesti aiemman mekanistisen maailmankuvan. Mutta Newtonin klassinen mekaniikka ei kadonnut. Tähän päivään asti sillä on kunniapaikka muiden luonnontieteiden joukossa. Sen avulla lasketaan esimerkiksi maan keinotekoisten satelliittien, muiden avaruusobjektien jne. liikettä. Mutta nyt se tulkitaan kvanttimekaniikan erikoistapaukseksi, jota voidaan soveltaa hitaisiin liikkeisiin ja suuriin esinemassoihin makromaailmassa.



Asia. aineen rakenne ja systeeminen organisointi. Systeeminen organisaatio aineen attribuuttina. Aineen rakenne. Aineen organisoitumisen rakenteelliset tasot. eri alojen rakenteelliset tasot.

Asia

Solu - itsenäisesti olemassa olevat yksisoluiset organismit;

Monisoluinen - elimet ja kudokset, toiminnalliset järjestelmät (hermosto, verenkierto), organismit: kasvit ja eläimet;

Keho kokonaisuutena;

Populaatiot (biotooppi) - saman lajin yksilöiden yhteisöt, joita yhdistää yhteinen geenipooli (voivat risteytyä ja lisääntyä omalla tavallaan): susilauma metsässä, kalaparvi järvessä, muurahaiskeko, Puska;

- biokenoosi - joukko organismien populaatioita, joissa joidenkin jätetuotteista tulee ehtoja muiden maa- tai vesialueella asuvien organismien elämälle ja olemassaololle. Esimerkiksi metsä: siinä elävät kasvipopulaatiot sekä eläimet, sienet, jäkälät ja mikro-organismit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa muodostaen yhtenäisen järjestelmän;

- biosfääri - maailmanlaajuinen elämänjärjestelmä, maantieteellisen ympäristön osa (ilmakehän alaosa, litosfäärin yläosa ja hydrosfääri), joka on elävien organismien elinympäristö, joka tarjoaa niiden selviytymiselle välttämättömät olosuhteet (lämpötila, maaperä) jne.), jotka muodostuvat biokenoosien vuorovaikutusten seurauksena.

Elämän yleinen perusta biologisella tasolla on orgaaninen aineenvaihdunta (aineen, energian, tiedon vaihto ympäristön kanssa), joka ilmenee millä tahansa tunnistetuista alatasoista:

Organismien tasolla aineenvaihdunta tarkoittaa assimilaatiota ja dissimilaatiota solunsisäisten transformaatioiden kautta;

Biosenoosin tasolla se koostuu aineen muunnosketjusta, jonka tuottajaorganismit alun perin assimiloivat eri lajeihin kuuluvien kuluttajaorganismien ja tuhoavien organismien kautta;

Biosfäärin tasolla tapahtuu globaali aineen ja energian kiertokulku, johon osallistuvat suoraan kosmisen mittakaavan tekijät.

Biosfäärissä alkaa kehittyä erityinen materiaalijärjestelmä, joka muodostuu elävien olentojen erityispopulaatioiden työkyvyn ansiosta - ihmisyhteiskunta. Sosiaalinen todellisuus sisältää alatasoja: yksilö, perhe, ryhmä, kollektiivi, sosiaalinen ryhmä, luokat, kansakunnat, valtio, valtiojärjestelmät, koko yhteiskunta. Yhteiskunta on olemassa vain ihmisten toiminnan ansiosta.

Sosiaalisen todellisuuden rakenteellinen taso on moniselitteisissä lineaarisissa suhteissa keskenään (esimerkiksi kansakunnan taso ja valtion taso). Yhteiskunnan rakenteen eri tasojen kietoutuminen ei tarkoita järjestyksen ja rakenteen puuttumista yhteiskunnasta. Yhteiskunnassa voimme erottaa perusrakenteet - yhteiskunnallisen elämän pääalueet: aineelliset ja tuotanto-, sosiaaliset, poliittiset, henkiset jne., joilla on omat lakinsa ja rakenteensa. Kaikki ne ovat tietyssä mielessä alistettuja, rakenteellisia ja määräävät koko yhteiskunnan kehityksen geneettisen yhtenäisyyden.

Siten mikä tahansa objektiivisen todellisuuden alue muodostuu useista erityisistä rakenteellisista tasoista, jotka ovat tiukasti järjestyksessä tietyllä todellisuuden alueella. Siirtyminen alueelta toiselle liittyy muodostuneiden tekijöiden monimutkaistumiseen ja lisääntymiseen, jotka varmistavat järjestelmien eheyden, ts. materiaalijärjestelmien kehitys tapahtuu suuntaan yksinkertaisesta monimutkaiseen, alemmasta korkeampaan.

Jokaisella rakennetasolla on alisteisuussuhteita (molekyylitaso sisältää atomitason, eikä päinvastoin). Jokainen korkeampi muoto syntyy alemman pohjalta ja sisältää sen sublatoituneessa muodossaan. Tämä tarkoittaa olennaisesti sitä, että korkeampien muotojen spesifisyys voidaan tietää vain alempien muotojen rakenteiden analyysin perusteella. Ja päinvastoin, korkeamman luokan muodon olemus voidaan havaita vain siihen nähden korkeamman aineen muodon sisällön perusteella.

Uusien tasojen mallit eivät ole pelkistettävissä niiden tasojen malleiksi, joiden perusteella ne syntyivät, ja ne johtavat tietylle aineen organisoitumistasolle. Lisäksi on laitonta siirtää korkeampien ainetasojen ominaisuuksia alemmille. Jokaisella aineen tasolla on oma laadullinen spesifisyytensä. Aineen korkeimmalla tasolla sen alemmat muodot eivät esitetä "puhtaassa" muodossa, vaan syntetisoidussa ("subloituneessa") muodossa. Esimerkiksi eläinmaailman lakeja on mahdotonta siirtää yhteiskuntaan, vaikka ensi silmäyksellä näyttäisikin siltä, ​​että siinä vallitsee "viidakon laki". Vaikka ihmisten julmuus voi olla verrattoman suurempaa kuin saalisttajien julmuus, saalistajat eivät kuitenkaan tunne sellaisia ​​inhimillisiä tunteita kuin rakkaus ja myötätunto.

Toisaalta yritykset löytää korkeamman tason elementtejä alemmilla tasoilla ovat perusteettomia. Esimerkiksi ajatteleva mukulakivi. Tämä on hyperbolia. Mutta biologit yrittivät luoda "inhimillisiä" olosuhteita apinoille toivoen sadan tai kahdensadan vuoden kuluttua löytävänsä antropoidin (alkumiehen) jälkeläisistään.

Aineen rakenteelliset tasot ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa osana ja kokonaisuutena. Osan ja kokonaisuuden vuorovaikutus on, että toinen edellyttää toista, ne ovat yhtenäisiä eivätkä voi olla olemassa ilman toisiaan. Ei ole kokonaisuutta ilman osaa eikä osia kokonaisuuden ulkopuolella. Osa saa merkityksensä vain kokonaisuuden kautta, aivan kuten kokonaisuus on osien vuorovaikutusta.

Osan ja kokonaisuuden vuorovaikutuksessa määräävä rooli kuuluu kokonaisuudelle. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että osat olisivat vailla niiden erityispiirteitä. Kokonaisuuden määräävä rooli ei edellytä passiivista, vaan osien aktiivista roolia, jolla pyritään varmistamaan koko universumin normaali elämä. Alistuessaan kokonaisuuden kokonaisjärjestelmään osat säilyttävät suhteellisen itsenäisyytensä ja autonomiansa. Toisaalta ne toimivat kokonaisuuden komponentteina ja toisaalta ne ovat itse ainutlaatuisia yhtenäisiä rakenteita ja järjestelmiä. Esimerkiksi tekijöitä, jotka varmistavat järjestelmien eheyden elottomassa luonnossa, ovat ydinvoimat, sähkömagneettiset ja muut voimat, yhteiskunnassa - työmarkkinasuhteet, poliittiset, kansalliset jne.

Rakenneorganisaatio, ts. systemaattisuus on aineen olemassaolon tapa.

Kirjallisuus

1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Nykyaikainen fyysinen kuva maailmasta. M., 1980.

2. Weinberg S. Subatomisten hiukkasten löytäminen. M., 1986.

3. Weinberg S. Ensimmäiset kolme minuuttia. M., 1981.

4. Rovinsky R.E. Kehittyvä Universumi. M., 1995.

5. Shklovsky I.S. Tähdet, niiden syntymä ja kuolema. M., 1975.

6. Luonnontieteen filosofiset ongelmat. M., 1985.

TESTATA

kurinalaisuuden mukaan modernin luonnontieteen käsitteitä

Aihe nro 9
"Aineen organisoitumisen rakenteelliset tasot"

Suunnitelma:
Johdanto………………………………………………………………………………..2

Järjestelmäkäsitteiden rooli aineen organisoitumisen rakenteellisten tasojen analysoinnissa……………….……………………………………2
Rakenteelliset elintason tasot………………………………………………..6
Makrokosmosen, mikrokosmosen ja megakosmosen olemus…………………………….7

Microworld…………………………………………………………………………………………..8

Makromaailma………………………………………………………………………………………11

Megamaailma………………………………………………………………… 12

Makrokosmosen käsitteen klassisen ja modernin ymmärryksen analyysi …………………………………………………………

Johtopäätös……………………………………………………………….…………..17

Johdanto.
Kaikki luonnon esineet (elävä ja eloton luonto) voidaan esittää järjestelmänä, jolla on ominaisuuksia, jotka kuvaavat niiden organisoitumistasoja. Elävän aineen rakennetasojen käsite sisältää ajatuksia systemaattisuudesta ja siihen liittyvästä elävien organismien eheyden järjestäytymisestä. Elävä aine on diskreetti, ts. on jaettu alemman organisaation osiin, joilla on tiettyjä tehtäviä.
Rakennetasot eroavat paitsi monimutkaisuusluokkien, myös toimintamallien osalta. Hierarkkinen rakenne on sellainen, että jokainen korkeampi taso ei ohjaa, vaan sisältää alemman. Organisaation taso huomioon ottaen voidaan tarkastella elävien ja elottomien aineellisten esineiden organisaatiorakenteiden hierarkiaa. Tämä rakenteiden hierarkia alkaa alkuainehiukkasista ja päättyy eläviin yhteisöihin. Rakennetasojen käsite esitettiin ensimmäisen kerran vuosisadamme 20-luvulla. Sen mukaan rakenteelliset tasot eroavat paitsi monimutkaisuusluokkien, myös toimintamallien mukaan. Konsepti sisältää rakennetasojen hierarkian, jossa jokainen seuraava taso sisältyy edelliseen.

Järjestelmäkäsitteiden rooli aineen organisoitumisen rakenteellisten tasojen analysoinnissa.

Koko maailma ympärillämme liikuttaa ainetta sen äärettömän moninaisissa muodoissaan ja ilmenemismuotoineen kaikkine ominaisuuksineen, yhteyksineen ja suhteineen. Katsotaanpa tarkemmin mitä aine on, sekä sen rakenteellisia tasoja.
Materia (lat. Materia - substanssi), "...filosofinen kategoria, joka kuvaa objektiivista todellisuutta, joka annetaan ihmiselle hänen aisteissaan, joka kopioidaan, valokuvataan, näytetään aisteillamme, olemassa meistä riippumattomasti."
Aine on ääretön joukko kaikkia maailmassa olemassa olevia esineitä ja järjestelmiä, minkä tahansa ominaisuuksien, yhteyksien, suhteiden ja liikemuotojen substraatti. Aine ei sisällä vain kaikkia suoraan havaittavia luonnon esineitä ja kappaleita, vaan myös kaikkia niitä, jotka periaatteessa voidaan tulevaisuudessa tuntea havainnointi- ja kokeilukeinojen parantamisen perusteella.
Nykytieteessä aineellisen maailman rakennetta koskevien käsitysten perustana on systeemilähestymistapa, jonka mukaan mitä tahansa aineellisen maailman esinettä (atomia, organismia, galaksia ja itse maailmankaikkeutta) voidaan pitää kompleksisena muodostelmana, mukaan lukien komponentti. osat on järjestetty eheydeksi.
Systeemilähestymistavan perusperiaatteet:

Eheys, jonka avulla voimme samanaikaisesti tarkastella järjestelmää yhtenä kokonaisuutena ja samanaikaisesti korkeampien tasojen alijärjestelmänä.
Rakenteen hierarkia, eli useiden (vähintään kahden) elementtien läsnäolo, jotka sijaitsevat alemman tason elementtien alisteisen ylemmän tason elementtien perusteella. Tämän periaatteen toteutuminen näkyy selvästi minkä tahansa organisaation esimerkissä. Kuten tiedät, mikä tahansa organisaatio on kahden alijärjestelmän vuorovaikutus: hallittava ja hallittava. Toinen on alisteinen toiselle.
Strukturointi, jonka avulla voit analysoida järjestelmän elementtejä ja niiden suhteita tietyn organisaatiorakenteen sisällä. Yleensä järjestelmän toimintaprosessi ei määräydy niinkään sen yksittäisten elementtien ominaisuuksien kuin itse rakenteen ominaisuuksien perusteella.
Monimuotoisuus mahdollistaa monien kyberneettisten, taloudellisten ja matemaattisten mallien käytön yksittäisten elementtien ja järjestelmän kuvaamiseen kokonaisuutena.

Systemaattisuus, esineen ominaisuus, jolla on kaikki järjestelmän ominaisuudet.
Esineiden eheyden osoittamiseksi tieteessä kehitettiin käsite "järjestelmä".
Järjestelmä on yhdistelmä elementtejä, jotka ovat vuorovaikutuksessa. Kreikasta käännettynä se on osista muodostuva kokonaisuus, yhteys.
Käsite "elementti" tarkoittaa minimaalista, silloin jakamatonta komponenttia tietyssä järjestelmässä. Järjestelmä voi koostua paitsi homogeenisista, myös heterogeenisistä objekteista. Se voi olla rakenteeltaan yksinkertainen tai monimutkainen. Monimutkainen järjestelmä koostuu elementeistä, jotka puolestaan ​​muodostavat eri monimutkaisia ​​ja hierarkiaisia ​​alijärjestelmiä.
Jokaiselle järjestelmälle on ominaista paitsi yhteyksien ja suhteiden olemassaolo sen osatekijöiden välillä, myös sen erottamaton yhtenäisyys ympäristön kanssa.
Erilaisia ​​järjestelmiä voidaan erottaa:

osien ja kokonaisuuden välisen yhteyden luonteen perusteella - epäorgaaninen ja orgaaninen;
aineen liikkeen muotojen mukaan - mekaaninen, fysikaalinen, kemiallinen, fysikaalis-kemiallinen;
suhteessa liikkeeseen - tilastollinen ja dynaaminen;
muutoksen tyypin mukaan - ei-toiminnallinen, toimiva, kehittyvä;
vaihdon luonteesta ympäristön kanssa - avoin ja suljettu;
organisaatioasteen mukaan - yksinkertainen ja monimutkainen;
kehitystason mukaan - alempi ja korkeampi;
alkuperän mukaan - luonnollinen, keinotekoinen, sekoitettu;
kehityksen suuntaan - progressiivinen ja regressiivinen.

Elementtien väliset yhteydet muodostavat järjestelmän rakenteen.
Elementtien väliset vakaat yhteydet määräävät järjestelmän järjestyksen. Järjestelmäelementtien välillä on kahdenlaisia ​​yhteyksiä - vaaka- ja pystysuunnassa.
"Vaakasuuntaiset" yhteydet ovat koordinaatioyhteyksiä saman järjestyksen elementtien välillä. Ne korreloivat luonteeltaan: mikään järjestelmän osa ei voi muuttua ilman, että muut osat muuttuvat.
"Pystysuuntaiset" yhteydet ovat alisteisia, eli elementtien alisteisia yhteyksiä. Ne ilmaisevat järjestelmän monimutkaisen sisäisen rakenteen, jossa jotkin osat voivat olla merkitykseltään muita heikompia ja alisteisia niille. Pystyrakenne sisältää järjestelmän organisoinnin tasot sekä niiden hierarkian.
Siten kaiken systeemisen tutkimuksen lähtökohtana on ajatus tutkittavan järjestelmän eheydestä.
Järjestelmän eheys tarkoittaa, että sen kaikki osat vuorovaikutuksessa ja toisiinsa liittyneinä muodostavat ainutlaatuisen kokonaisuuden, jolla on uusia järjestelmäominaisuuksia.
Järjestelmän ominaisuudet eivät ole vain sen elementtien ominaisuuksien summa, vaan jotain uutta, joka on ominaista vain koko järjestelmälle.
Joten nykyaikaisten luonnontieteellisten näkemysten mukaan kaikki luonnonkohteet ovat järjestettyjä, jäsenneltyjä, hierarkkisesti järjestettyjä järjestelmiä.
Luonnontieteissä on kaksi suurta materiaalijärjestelmien luokkaa: elottoman luonnon järjestelmät ja elävän luonnon järjestelmät.
Elottoman luonnon järjestelmiä ovat alkuainehiukkaset ja -kentät, fyysinen tyhjiö, atomit, molekyylit, makroskooppiset kappaleet, planeetat ja planeettajärjestelmät, tähdet, galaksit ja galaksijärjestelmä - metagalaksi.
Elävän luonnon järjestelmiä ovat biopolymeerit (tietomolekyylit), solut, monisoluiset organismit, populaatiot, biokenoosit ja biosfääri kaikkien elävien organismien kokonaisuutena.
Luonnossa kaikki on yhteydessä toisiinsa, joten voimme erottaa järjestelmät, jotka sisältävät sekä elävän että eloton luonnon elementtejä - biogeosenoosit ja maapallon biosfäärin.

Elävien olentojen rakenteelliset tasot.

Rakenteellinen eli systeeminen analyysi paljastaa, että elävä maailma on erittäin monimuotoinen ja sen rakenne on monimutkainen. Samanvertaisten kriteerien perusteella voidaan erottaa elävän maailman eri tasoja tai alajärjestelmiä. Yleisin on erottaa mittakaavakriteerin perusteella seuraavat elävien olentojen organisoitumistasot.
Biosfääri - mukaan lukien koko maapallon elävien organismien kokonaisuus luonnonympäristöineen. Tällä tasolla biologiatiede ratkaisee sellaisen ongelman kuin muutokset ilmakehän hiilidioksidipitoisuudessa. Tätä lähestymistapaa käyttämällä tutkijat ovat havainneet, että viime aikoina hiilidioksidipitoisuus on kasvanut vuosittain 0,4 prosenttia, mikä luo vaaran maailmanlaajuisesta lämpötilan noususta, niin sanotun "kasvihuoneilmiön" ilmaantuvuudesta.
Biokenoosien taso ilmaisee elävien olentojen rakenteen seuraavan vaiheen, joka koostuu maan osista, joissa on tietty koostumus elävistä ja elottomista komponenteista ja jotka edustavat yhtä luonnollista kompleksia, ekosysteemiä. Luonnon järkevä käyttö on mahdotonta ilman tietoa biogeosenoosien eli ekosysteemien rakenteesta ja toiminnasta.
Populaatio-lajit taso muodostuu saman lajin vapaasti risteytyvistä yksilöistä. Sen tutkimus on tärkeä väestökokoon vaikuttavien tekijöiden tunnistamisessa.
Organismi ja elin-kudos Tasot heijastavat yksittäisten yksilöiden ominaisuuksia, niiden rakennetta, fysiologiaa, käyttäytymistä sekä elävien olentojen elinten ja kudosten rakennetta ja toimintoja.
Solu- ja subsellulaarinen tasot heijastavat solujen erikoistumisprosesseja sekä erilaisia ​​solunsisäisiä sulkeumia.
Molekyyli taso on molekyylibiologian aihe, jonka yksi tärkeimmistä ongelmista on geneettisen tiedon välittymismekanismien tutkimus sekä geenitekniikan ja biotekniikan kehitys.
Elävän aineen jakautuminen tasoihin on tietysti hyvin ehdollista. Ratkaisu tiettyihin biologisiin ongelmiin, kuten lajien lukumäärän säätelyyn, perustuu tietoon kaikista elämisen tasoista. Mutta kaikki biologit ovat yhtä mieltä siitä, että elävässä maailmassa on porrastettuja tasoja, eräänlainen hierarkia. Niiden idea heijastaa selkeästi systemaattista lähestymistapaa luonnontutkimukseen, mikä auttaa ymmärtämään sitä paremmin.
Elävän maailman perusta on solu. Hänen tutkimuksensa auttaa ymmärtämään kaikkien elävien olentojen erityispiirteitä.

Makrokosmosen, mikrokosmosen ja megakosmosen olemus.

Aineen rakenteelliset tasot muodostuvat tietystä joukosta minkä tahansa luokan esineitä, ja niille on ominaista erityinen vuorovaikutus niiden muodostavien elementtien välillä.
Eri rakenteellisten tasojen tunnistamisen kriteerit ovat seuraavat:

spatiotemporaaliset asteikot;
joukko olennaisia ​​ominaisuuksia;
erityisiä liikelakeja;
suhteellisen monimutkaisuuden aste, joka syntyy aineen historiallisen kehityksen prosessissa tietyllä maailman alueella;
joitain muita merkkejä.

Kaikki tieteen tutkimat objektit kuuluvat kolmeen "maailmaan" (mikromaailma, makromaailma ja megamaailma), jotka edustavat aineen organisoitumistasoja.


Mikromaailma.
Etuliite "mikro" viittaa hyvin pieniin kokoihin. Siten voimme sanoa, että mikrokosmos on jotain pientä.
Mikromaailma on molekyylejä, atomeja, alkuainehiukkasia - äärimmäisen pienten, ei suoraan havaittavissa olevien mikroobjektien maailmaa, joiden tilaulottuvuudeksi on laskettu 10 -8 - 10 -16 cm ja elinikä äärettömyydestä 10 -24. sekuntia.
Filosofiassa ihmistä tutkitaan mikrokosmosena ja fysiikassa, modernin luonnontieteen käsitteitä, molekyylejä mikrokosmosena.
Mikromaailmalla on omat ominaisuutensa, jotka voidaan ilmaista seuraavasti:
1) ihmisten käyttämiä etäisyysyksiköitä (m, km jne.) on yksinkertaisesti turha käyttää;
2) ei myöskään ole järkevää käyttää ihmisen painon yksikköjä (g, kg, paunat jne.).
Antiikin aikana Demokritos esitti atomistisen hypoteesin aineen rakenteesta. Myöhemmin, 1700-luvulla, kemisti J. Dalton otti vedyn atomipainon yhdeksi ja vertasi muiden kaasujen atomipainoja; se.
J. Daltonin töiden ansiosta atomin fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia alettiin tutkia. 1800-luvulla D.I. Mendelejev rakensi kemiallisten alkuaineiden järjestelmän niiden atomipainon perusteella.
Fysiikassa käsitys atomeista aineen viimeisinä jakamattomina rakenneosina tuli kemiasta. Itse asiassa atomin fysikaaliset tutkimukset alkavat 1800-luvun lopulla, kun ranskalainen fyysikko A. A. Becquerel löysi radioaktiivisuuden ilmiön, joka koostui joidenkin alkuaineiden atomien spontaanista muuttumisesta muiden alkuaineiden atomeiksi.
Atomin rakenteen tutkimuksen historia alkoi vuonna 1895, kun J. Thomson löysi elektronin, negatiivisesti varautuneen hiukkasen, joka on osa kaikkia atomeja.
Koska elektroneilla on negatiivinen varaus ja atomi kokonaisuudessaan on sähköisesti neutraali, oletettiin, että elektronin lisäksi on positiivisesti varautunut hiukkanen. Elektronin massaksi laskettiin 1/1836 positiivisesti varautuneen hiukkasen massasta.
Atomin rakenteesta oli useita malleja.
Vuonna 1902 englantilainen fyysikko W. Thomson (Lord Kelvin) ehdotti ensimmäistä atomin mallia - positiivinen varaus jakautuu melko suurelle alueelle, ja elektronit ovat sen välissä, kuten "rusinat vanukas".
Vuonna 1911 E. Rutherford ehdotti mallia atomista, joka muistutti aurinkokuntaa: keskustassa on atomin ydin, jonka ympärillä elektronit liikkuvat kiertoradoillaan.
Ytimellä on positiivinen varaus ja elektroneilla negatiivinen varaus. Aurinkokunnassa vaikuttavien gravitaatiovoimien sijaan atomissa toimivat sähkövoimat. Atomin ytimen sähkövaraus, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin sarjanumero Mendelejevin jaksollisessa järjestelmässä, tasapainotetaan elektronien varausten summalla - atomi on sähköisesti neutraali.
Molemmat mallit osoittautuivat ristiriitaisiksi.
Vuonna 1913 suuri tanskalainen fyysikko N. Bohr käytti kvantisoinnin periaatetta ratkaistakseen atomin rakenteen ja atomispektrien ominaisuuksien ongelman.
N. Bohrin atomimalli perustui E. Rutherfordin planeettamalliin ja hänen kehittämäänsä atomirakenteen kvanttiteoriaan. N. Bohr esitti hypoteesin atomin rakenteesta, joka perustuu kahteen postulaattiin, jotka ovat täysin yhteensopimattomia klassisen fysiikan kanssa:
1) jokaisessa atomissa on useita stationaarisia tiloja.
2) kun elektroni siirtyy kiinteästä tilasta toiseen, atomi emittoi tai absorboi osan energiasta.
Loppujen lopuksi on pohjimmiltaan mahdotonta kuvata tarkasti atomin rakennetta pisteelektronien kiertoradan idean perusteella, koska tällaisia ​​ratoja ei todellisuudessa ole olemassa.
N. Bohrin teoria edustaa ikään kuin modernin fysiikan kehityksen ensimmäisen vaiheen rajaa. Tämä on viimeisin yritys kuvata atomin rakennetta klassiseen fysiikkaan, jota on täydennetty vain pienellä määrällä uusia oletuksia.
Näytti siltä, ​​että N. Bohrin postulaatit heijastivat aineen uusia, tuntemattomia ominaisuuksia, mutta vain osittain. Vastaukset näihin kysymyksiin saatiin kvanttimekaniikan kehityksen tuloksena. Kävi ilmi, että N. Bohrin atomimallia ei pidä ottaa kirjaimellisesti, kuten se oli alussa. Atomissa tapahtuvia prosesseja ei periaatteessa voida esittää visuaalisesti mekaanisten mallien muodossa analogisesti makrokosmoksen tapahtumien kanssa. Jopa tilan ja ajan käsitteet makromaailmassa olemassa olevassa muodossa osoittautuivat sopimattomiksi mikrofyysisten ilmiöiden kuvaamiseen. Teoreettisten fyysikkojen atomista tuli yhä enemmän abstrakti, havaitsematon yhtälöiden summa.
Macroworld.
Luonnollisesti on esineitä, jotka ovat kooltaan paljon suurempia kuin mikromaailman esineet. Nämä esineet muodostavat makrokosmosen. Makromaailmassa "asuttavat" vain ne esineet, jotka ovat kooltaan verrattavissa ihmisen kokoon. Myös ihmistä itseään voidaan pitää makrokosmoksen kohteena.
Makrokosmosella on melko monimutkainen organisaatio. Sen pienin alkuaine on atomi ja sen suurin järjestelmä on planeetta Maa. Se sisältää sekä elottomia järjestelmiä että eri tasoisia eläviä järjestelmiä. Jokainen makromaailman organisaatiotaso sisältää sekä mikro- että makrorakenteita. Esimerkiksi molekyylit näyttävät kuuluvan mikrokosmukseen, koska emme suoraan havainnoi niitä. Mutta toisaalta mikrokosmoksen suurin rakenne on atomi. Ja nyt meillä on mahdollisuus nähdä jopa osa vetyatomista uusimman sukupolven mikroskoopeilla. Toisaalta on olemassa valtavia molekyylejä, jotka ovat rakenteeltaan äärimmäisen monimutkaisia, esimerkiksi ytimen DNA voi olla lähes sentin pituinen. Tämä arvo on jo melko verrattavissa kokemukseemme, ja jos molekyyli olisi paksumpi, näkisimme sen paljaalla silmällä.
Kaikki aineet, olivatpa ne kiinteät tai nestemäiset, koostuvat molekyyleistä. Molekyylit muodostavat kidehiloja, malmeja, kiviä ja muita esineitä, ts. mitä voimme tuntea, nähdä jne. Huolimatta sellaisista valtavista muodostumista kuin vuorista ja valtameristä, nämä ovat kaikki molekyylejä, jotka liittyvät toisiinsa. Molekyylit ovat uusi organisaatiotaso, ne kaikki koostuvat atomeista, joita pidetään näissä järjestelmissä jakamattomina, ts. järjestelmän elementtejä.
Sekä makrokosmoksen fyysinen organisoitumistaso että kemiallinen taso käsittelevät molekyylejä ja erilaisia ​​aineen tiloja. Kemiallinen taso on kuitenkin paljon monimutkaisempi. Se ei rajoitu fysikaaliseen, jossa otetaan huomioon aineiden rakenne, niiden fysikaaliset ominaisuudet, liike (kaikki tätä tutkittiin klassisen fysiikan puitteissa), ainakin kemiallisten prosessien monimutkaisuuden ja aineiden reaktiivisuuden kannalta.
Makrokosmon organisoitumisen biologisella tasolla emme yleensä voi nähdä soluja molekyylien lisäksi ilman mikroskooppia. Mutta on soluja, jotka saavuttavat valtavia kokoja, esimerkiksi mustekalahermosolujen aksonit ovat metrin pituisia tai jopa enemmän. Samanaikaisesti kaikilla soluilla on tiettyjä samanlaisia ​​piirteitä: ne koostuvat kalvoista, mikrotubuluksista, monilla on ytimiä ja organelleja. Kaikki kalvot ja organellit puolestaan ​​koostuvat jättimäisistä molekyyleistä (proteiinit, lipidit jne.), ja nämä molekyylit koostuvat atomeista. Siksi sekä jättimäiset informaatiomolekyylit (DNA, RNA, entsyymit) että solut ovat aineen biologisen organisoitumisen tason mikrotasoja, jotka sisältävät niin valtavia muodostumia kuin biokenoosit ja biosfääri.

Megamaailma.
Megamaailma on maailma, jossa on esineitä, jotka ovat suhteettoman suuria kuin ihmiset.
Koko universumimme on megamaailma. Sen koko on valtava, se on rajaton ja laajenee jatkuvasti. Universumi on täynnä esineitä, jotka ovat paljon suurempia kuin planeettamme Maa ja aurinko. Usein tapahtuu, että ero minkä tahansa aurinkokunnan ulkopuolisen tähden välillä on kymmeniä kertoja suurempi kuin Maan.
Nykyaikainen tiede näkee megamaailman eli avaruuden kaikkien taivaankappaleiden vuorovaikutuksessa ja kehittyvänä järjestelmänä. Megamaailmassa on systeeminen organisaatio planeettojen ja planeettajärjestelmien muodossa, jotka syntyvät tähtien, tähtien ja tähtijärjestelmien - galaksien - ympärille; galaksijärjestelmät - Metagalaksit.
Megamaailman tutkimus liittyy läheisesti kosmologiaan ja kosmogoniaan.
Kosmogonia on tähtitieteen tieteenala, joka tutkii galaksien, tähtien, planeettojen ja muiden esineiden alkuperää. Nykyään kosmogonia voidaan jakaa kahteen osaan:
1) aurinkokunnan kosmogonia. Tätä kosmogonian osaa (tai tyyppiä) kutsutaan muuten planetaariseksi;
2) tähtien kosmogonia.
Ja vaikka kaikilla näillä tasoilla on omat erityiset lakinsa, mikromaailma, makromaailma ja megamaailma liittyvät läheisesti toisiinsa.

Klassisen ja modernin makrokosmoksen käsitteen analyysi.

Luonnontutkimuksen historiassa voidaan erottaa kaksi vaihetta: esitieteellinen ja tieteellinen. Esitieteellinen eli luonnonfilosofinen kattaa ajanjakson antiikista kokeellisen luonnontieteen muodostumiseen 1500-1600-luvuilla. Tänä aikana luontoopetukset olivat luonteeltaan puhtaasti luonnonfilosofisia: havaitut luonnonilmiöt selitettiin spekulatiivisten filosofisten periaatteiden pohjalta.
Merkittävin luonnontieteiden myöhemmälle kehitykselle oli aineen diskreetin rakenteen - atomismin käsite, jonka mukaan kaikki kappaleet koostuvat atomeista - maailman pienimmistä hiukkasista.
Atomismin lähtökohdat olivat atomit ja tyhjyys. Luonnollisten prosessien olemus selitettiin atomien mekaanisen vuorovaikutuksen, niiden vetovoiman ja hylkimisen perusteella.
Koska modernit tieteelliset ajatukset aineen organisoitumisen rakenteellisista tasoista syntyivät klassisen tieteen ideoiden kriittisen uudelleenajattelun yhteydessä, ja niitä voidaan soveltaa vain makrotason esineisiin, tutkimus on aloitettava klassisen fysiikan käsitteistä.
I. Newton kehitti Galileon teoksiin tukeutuen tiukan tieteellisen mekaniikkateorian, joka kuvaa sekä taivaankappaleiden että maallisten esineiden liikettä samojen lakien mukaan. Luontoa pidettiin monimutkaisena mekaanisena järjestelmänä. Ainetta pidettiin aineellisena aineena, joka koostui yksittäisistä atomi- tai hiukkashiukkasista. Atomit ovat ehdottoman vahvoja, jakamattomia, läpäisemättömiä, ja niille on ominaista massan ja painon läsnäolo.
Liikkeenä pidettiin liikettä avaruudessa jatkuvia lentoratoja pitkin mekaniikan lakien mukaisesti. Uskottiin, että kaikki fyysiset prosessit voidaan pelkistää materiaalipisteiden liikkumiseen painovoiman vaikutuksesta, mikä on pitkän kantaman
Newtonin mekaniikkaa noudattaen syntyi hydrodynamiikka, elastisuusteoria, lämmön mekaaninen teoria, molekyylikineettinen teoria ja joukko muita, joiden mukaisesti fysiikka on saavuttanut valtavaa menestystä. Oli kuitenkin kaksi aluetta - optiset ja sähkömagneettiset ilmiöt, joita ei voitu täysin selittää mekaanisen maailmankuvan puitteissa.
Optiikkaa kehittäessään I. Newton piti opetuksensa logiikkaa noudattaen valoa materiaalihiukkasten virtauksena - verisoluina. I. Newtonin valonkorpuskulaarisessa teoriassa väitettiin, että valokappaleet lähettävät pieniä hiukkasia, jotka liikkuvat mekaniikan lakien mukaisesti ja aiheuttavat valon tunteen joutuessaan silmään. Tämän teorian perusteella I. Newton selitti valon heijastuksen ja taittumisen lait.
Mekaanisen korpuskulaariteorian ohella optisia ilmiöitä yritettiin selittää olennaisesti eri tavalla, nimittäin H. Huygensin muotoileman aaltoteorian pohjalta. H. Huygens piti pääargumenttina teoriansa puolesta sitä tosiasiaa, että kaksi leikkaavaa valonsädettä läpäisevät toisensa ilman häiriöitä, aivan kuten kaksi aaltoriviä veden pinnalla.
Korpuskulaarisen teorian mukaan emittoituneiden hiukkasten, kuten valon, välissä tapahtuisi törmäyksiä tai ainakin jonkinlainen häiriö. Aaltoteoriaan perustuen H. Huygens selitti onnistuneesti valon heijastuksen ja taittumisen.
Siinä oli kuitenkin yksi tärkeä vastalause. Kuten tiedät, aallot kiertävät esteitä. Mutta suorassa linjassa etenevä valonsäde ei voi kiertää esteitä. Jos läpinäkymätön kappale, jossa on terävä reuna, asetetaan valonsäteen tielle, sen varjossa on terävä reuna. Tämä vastalause kuitenkin poistettiin pian Grimaldin kokeiden ansiosta. Tarkemmalla havainnolla suurennuslinsseillä havaittiin, että terävien varjojen rajoilla voi nähdä heikkoja valaistusalueita vuorotellen vaaleiden ja tummien raitojen tai halojen muodossa. Tätä ilmiötä kutsuttiin valon diffraktioksi.
Valon aaltoteorian esittivät jälleen 1800-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä englantilainen fyysikko T. Young ja ranskalainen luonnontieteilijä O. J. Fresnel. T. Jung antoi selityksen interferenssin ilmiölle, ts. tummien raitojen esiintyminen, kun valoa kohdistetaan valoon. Sen olemusta voidaan kuvata paradoksaalisella toteamuksella: valoon lisätty valo ei välttämättä tuota voimakkaampaa valoa, mutta voi tuottaa heikompaa valoa ja jopa pimeyttä. Syynä tähän on se, että aaltoteorian mukaan valo ei ole materiaalihiukkasten virtausta, vaan elastisen väliaineen värähtelyä eli aaltoliikettä. Kun vastakkaisissa vaiheissa olevat aaltoketjut menevät päällekkäin, jolloin yhden aallon harja osuu toisen aallon pohjaan, ne tuhoavat toisensa, jolloin tuloksena on tummia raitoja.
Toinen fysiikan alue, jolla mekaaniset mallit osoittautuivat riittämättömiksi, oli sähkömagneettisten ilmiöiden alue. Englantilaisen luonnontieteilijän M. Faradayn kokeet ja englantilaisen fyysikon J. C. Maxwellin teoreettiset teokset tuhosivat lopulta newtonilaisen fysiikan ajatukset diskreetistä aineesta ainoana ainelajina ja loivat pohjan sähkömagneettiselle maailmankuvalle. Sähkömagnetismin ilmiön löysi tanskalainen luonnontieteilijä H.K. Oersted, joka huomasi ensimmäisenä sähkövirtojen magneettisen vaikutuksen.
Myöhemmin M. Faraday tuli siihen tulokseen, että sähkön ja optiikan tutkimus liittyvät toisiinsa ja muodostavat yhden kentän. Hänen teoksistaan ​​tuli lähtökohta J.C. Maxwellin tutkimukselle, jonka ansio on M. Faradayn magnetismia ja sähköä koskevien ideoiden matemaattinen kehittäminen.
Yleistettyään aiemmin kokeellisesti määritellyt sähkömagneettisten ilmiöiden lait (Coulomb, Ampere) ja M. Faradayn löytämä sähkömagneettisen induktion ilmiö, Maxwell löysi differentiaaliyhtälöjärjestelmän, joka kuvaa sähkömagneettista kenttää puhtaasti matemaattisesti. Tämä yhtälöjärjestelmä tarjoaa soveltuvuuden rajoissa täydellisen kuvauksen sähkömagneettisista ilmiöistä ja on yhtä täydellinen ja loogisesti koherentti teoria kuin Newtonin mekaniikan järjestelmä.
Yhtälöistä seurasi tärkein johtopäätös sellaisen kentän itsenäisestä olemassaolosta, joka ei ole "sidottu" sähkövarauksiin. SISÄÄN
jne.................

Tällä hetkellä mukavuuden vuoksi on tapana jakaa yhtenäinen luonto kolmeen rakenteelliseen tasoon - mikro-, makro- ja megamaailmaan. Luonnollisia, vaikkakin osittain subjektiivisia, jakautumisen merkkejä ovat tutkittavien kohteiden koot ja massat.

Mikromaailma– äärimmäisen pienten, ei suoraan havaittavissa olevien mikrosysteemien maailma, joiden ominaiskoko on enintään 10–8 cm (atomit, atomiytimet, alkuainehiukkaset).

Macroworld– makroelimien maailma, alkaen makromolekyyleistä (koot 10–6 cm ja enemmän) esineisiin, joiden mitat ovat verrattavissa välittömän ihmisen kokemuksen mittakaavaan – millimetrejä, senttejä, kilometriä, aina Maan kokoon (pituus). Maan päiväntasaaja on ~ 10 9 cm).

Megamaailma– kosmisen mittakaavan esineiden maailma 10 9 cm:stä 10 28 cm:iin Tämä valikoima sisältää maapallon, aurinkokunnan, galaksin ja metagalaksin koot.

Vaikka mikro-, makro- ja megamaailmat ovat tiiviisti yhteydessä toisiinsa ja muodostavat yhden kokonaisuuden, jokaisella näistä rakenteellisista tasoista on kuitenkin omat erityiset lakinsa: mikromaailmassa - kvanttifysiikan lait, makromaailmassa - klassisen luonnontieteen, erityisesti klassisen fysiikan, lait: mekaniikka, termodynamiikka, sähködynamiikka. Megamaailman lait perustuvat ensisijaisesti yleiseen suhteellisuusteoriaan.

Mikromaailma

Atomifysiikka Jopa muinaiset kreikkalaiset Leukippos ja Demokritos esittivät loistavan arvauksen, että aine koostuu pienistä hiukkasista - atomeista.

Atomi-molekyylitieteen tieteellinen perusta luotiin paljon myöhemmin venäläisen tiedemiehen töissä M.V. Lomonosov, ranskalaiset kemistit L. Lavoisier Ja J. Proust, englantilainen kemisti J. Dalton, italialainen fyysikko A. Avogadro ja muut tutkijat.

Jaksollinen laki D.I. Mendelejev osoitti luonnollisen suhteen olemassaolon kaikkien kemiallisten alkuaineiden välillä. Kävi selväksi, että kaikilla atomeilla oli jotain yhteistä ytimessä. 1800-luvun loppuun asti. Kemiassa vallitsi uskomus, että atomi on yksinkertaisen aineen pienin jakamaton hiukkanen. Uskottiin, että kaikkien kemiallisten muutosten aikana vain molekyylit tuhoutuvat ja syntyvät, kun taas atomit pysyvät muuttumattomina eikä niitä voida hajottaa osiin. Ja lopuksi 1800-luvun lopulla. tehtiin löytöjä, jotka osoittivat atomin rakenteen monimutkaisuuden ja mahdollisuuden muuttaa joitakin atomeja toisiksi.

Saksalaiset tiedemiehet huomauttivat ensimmäisenä atomin monimutkaisesta rakenteesta. G.R. Kirchhoff Ja R.V. Bunsen, tutkii eri aineiden emissio- ja absorptiospektrejä. Atomin monimutkainen rakenne vahvistettiin myös ionisaation tutkimiseen, niin kutsuttujen katodisäteiden ja radioaktiivisuusilmiön löytämiseen ja tutkimiseen liittyvillä kokeilla.

G.R. Kirchhoff ja R.V. Bunsen havaitsi, että jokaisella kemiallisella alkuaineella on tunnusomaiset, ainutlaatuiset spektriviivat sen emissio- ja absorptiospektreissä. Tämä tarkoitti, että yksittäiset atomit säteilevät ja absorboivat valoa, ja atomi puolestaan ​​oli monimutkainen järjestelmä, joka pystyi olemaan vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen kentän kanssa.

Tämän osoitti myös atomien ionisaatioilmiö, joka löydettiin elektrolyysi- ja kaasupurkaustutkimuksissa. Tämä ilmiö voidaan selittää vain olettaen, että atomi menettää ionisaatioprosessin aikana osan varauksistaan ​​tai hankkii uusia.

Todisteita atomin monimutkaisesta rakenteesta tarjosivat kokeet, joissa tutkittiin katodisäteitä, jotka syntyvät sähköpurkauksen aikana erittäin harvinaisissa kaasuissa. Näiden säteiden tarkkailemiseksi pumpataan niin paljon ilmaa kuin mahdollista lasiputkesta, johon on juotettu kaksi metallielektrodia, ja sitten sen läpi johdetaan korkeajännitevirta. Tällaisissa olosuhteissa "näkymättömät" katodisäteet etenevät putken katodista kohtisuorassa sen pintaan nähden aiheuttaen kirkkaan vihreän hehkun kohdassa, johon ne osuvat. Katodisäteet pystyvät saattamaan helposti liikkuvat kappaleet liikkeelle ja poikkeamaan alkuperäiseltä reitiltä magneetti- ja sähkökentissä.

Katodisäteiden ominaisuuksien tutkiminen johti johtopäätökseen, että ne koostuvat pienistä hiukkasista, joissa on negatiivinen varaus. Myöhemmin oli mahdollista määrittää niiden varauksen massa ja suuruus. Kävi ilmi, että hiukkasten massa ja niiden varauksen suuruus eivät riipu putkeen jäävän kaasun luonteesta tai aineesta, josta elektrodit on valmistettu, tai muista koeolosuhteista. Lisäksi katodihiukkaset tunnetaan vain varautuneina eivätkä voi olla olemassa ilman varauksiaan, niitä ei voida muuttaa sähköisesti neutraaleiksi hiukkasiksi: sähkövaraus on niiden luonteen ydin. Näitä hiukkasia kutsutaan elektroneja.

Katodiputkissa elektronit erotetaan katodista sähkökentän vaikutuksesta. Mutta ne voivat syntyä myös ilman yhteyttä sähkökenttään. Esimerkiksi elektronien emission aikana metallit emittoivat elektroneja valosähköisen vaikutuksen aikana, monet aineet emittoivat myös elektroneja. Monien erilaisten aineiden aiheuttama elektronien vapautuminen osoitti, että nämä hiukkaset olivat osa kaikkia atomeja poikkeuksetta. Tämä johti johtopäätökseen, että atomit ovat monimutkaisia ​​muodostumia, jotka on rakennettu pienemmistä komponenteista.

Vuonna 1896 tutkiessaan eri aineiden luminesenssia A.A. Becquerel vahingossa havaitsi, että uraanisuolat säteilevät ilman edeltävää valaistusta. Tätä säteilyä, jolla on suuri läpäisykyky ja joka vaikuttaa mustaan ​​paperiin käärittyyn valokuvalevyyn, kutsuttiin radioaktiivista säteilyä. Myöhemmin havaittiin, että se koostuu raskaista positiivisesti varautuneista α-hiukkasista, kevyistä negatiivisista β-hiukkasista (elektroneista) ja sähköisesti neutraalista γ-säteilystä.

Elektronin löytämistä voidaan pitää atomifysiikan syntymän alkuna, joka johti rakentamisyrityksiin atomi malleja. Koska elektronilla on negatiivinen varaus ja atomi kokonaisuutena on vakaa ja sähköisesti neutraali, oli luonnollista olettaa, että atomissa oli positiivisesti varautuneita hiukkasia.

Ensimmäiset klassisen mekaniikan ja sähködynamiikan käsitteisiin perustuvat atomimallit ilmestyivät vuonna 1904: yhden niistä kirjoittaja oli japanilainen fyysikko. Hantaro Nagaoka, toinen kuului englantilaiselle fyysikolle J. Thomson- elektronin löydön kirjoittaja.

X. Nagaoka esitti atomin rakenteen samanlaisena kuin aurinkokunnan rakenne: Auringon roolissa on atomin positiivisesti varautunut keskusosa, jonka ympärillä "planeetat" - elektronit - liikkuvat vakiintuneessa rengasmaisessa muodossa. kiertoradat. Pienillä siirtymillä elektronit herättävät sähkömagneettisia aaltoja.

J. Thomsonin atomimallissa positiivinen sähkö on "hajautunut" pallon yli, johon elektronit ovat upotettuina. Yksinkertaisimmassa vetyatomissa elektroni sijaitsee positiivisesti varautuneen pallon keskellä. Monielektronisissa atomeissa elektronit ovat J. Thomsonin laskemien stabiilien konfiguraatioiden mukaisia. Thomson uskoi, että jokainen konfiguraatio määrää atomien tietyt kemialliset ominaisuudet. Hän yritti teoreettisesti selittää D. I. Mendelejevin jaksollisen elementtijärjestelmän.

Mutta pian kävi ilmi, että uudet kokeelliset tosiasiat kumoavat Thomsonin mallin ja päinvastoin todistavat planeettamallin puolesta. Nämä tosiasiat on vahvistettu E. Rutherford Vuonna 1912. Ensinnäkin on huomattava, että hän löysi atomiytimen. Atomin rakenteen paljastamiseksi Rutherford tutki atomia käyttämällä alfahiukkasia, joita syntyy radiumin ja joidenkin muiden radioaktiivisten alkuaineiden hajoamisen aikana. Niiden massa on noin 8000 kertaa elektronin massa ja niiden positiivinen varaus on yhtä suuri kuin kaksi kertaa elektronin varaus.

Rutherfordin kokeissa α-hiukkasten säde putosi tutkittavasta materiaalista (kulta, kupari jne.) tehdylle ohuelle kalvolle. Kulkiessaan kalvon läpi α-hiukkaset osuivat sinkkisulfidilla päällystettyyn seulaan. Jokaisen hiukkasen törmäystä näyttöön seurasi tuike(valon välähdys), joka voidaan havaita. Folion puuttuessa näytölle ilmestyi kirkas ympyrä, joka koostui hiukkassäteen aiheuttamista tuikeista. Mutta kun kalvo asetettiin säteen reitille, niin toisin kuin odotettiin, α-hiukkaset kokivat hyvin vähän sirontaa kalvon atomeille ja ne jakautuivat näytölle hieman suuremman alueen ympyrän sisällä.

Täysin odottamattomaksi osoittautui myös se, että pieni määrä α-partikkeleita (noin yksi kahdestakymmenestä tuhannesta) poikkeutui yli 90° kulmissa, ts. käytännössä takaisin. Rutherford ymmärsi, että positiivisesti varautunut α-hiukkanen voitiin heittää takaisin vain, jos kohdeatomeilla olisi atomin positiivinen varaus ja sen massa keskittynyt hyvin pienelle avaruuden alueelle. Joten Rutherford keksi idean atomiydin- pienikokoinen kappale, johon on keskittynyt lähes kaikki atomin massa ja kaikki positiivinen varaus.

Rutherford pystyi arvioimaan ytimen koon laskemalla suuriin kulmiin hajallaan olevien α-hiukkasten lukumäärän. Kävi ilmi, että ytimen halkaisija on suuruusluokkaa

10 –12 –10 –13 cm (eri ytimille). Itse atomin koko on noin 10–8 cm, ts. 10-100 tuhatta kertaa suurempi kuin ytimen koko. Myöhemmin oli mahdollista määrittää tarkasti ytimen varaus. Jos otamme elektronin varauksen yhdeksi, niin ytimen varaus osoittautuu täsmälleen yhtä suureksi kuin tietyn kemiallisen alkuaineen lukumäärä elementtien jaksollisessa taulukossa D.I. Mendelejev.

Rutherfordin kokeet johtivat suoraan atomin planeettamalliin, jossa on positiivisesti varautunut atomin ydin. Ottaen huomioon, että atomin kokonaisuutena tulisi olla sähköisesti neutraali, tulisi päätellä, että atomin sisäisten elektronien lukumäärä, kuten ytimen varaus, on yhtä suuri kuin elementin järjestysluku jaksollisessa taulukossa. On myös ilmeistä, että elektronit eivät voi olla levossa atomin sisällä, koska ne putosivat siihen positiivisen ytimen vetovoiman vuoksi. Siksi niiden tulisi liikkua ytimen ympäri kuin planeetat Auringon ympärillä. Tämä elektronien liikkeen luonne määräytyy ytimen sähköisten Coulombin voimien vaikutuksesta.

Vetyatomissa vain yksi elektroni kiertää ydintä. Vetyatomin ytimellä on positiivinen varaus, joka on yhtä suuri kuin elektronin varaus, ja massa on noin 1836 kertaa suurempi kuin elektronin massa. Tämän ytimen nimesi Rutherford protoni ja sitä alettiin pitää alkuainehiukkasena.

Atomin koon määrää sen elektronien kiertoradan säde. Melko selkeä planeettamalli atomista, kuten jo mainittiin, on suora seuraus Rutherfordin kokeellisista tuloksista alfa-hiukkasten siroamisesta aineen atomeille.

Pian kuitenkin kävi selväksi, että tällainen yksinkertainen malli on ristiriidassa sähködynamiikan lakien kanssa, mistä seuraa, että Rutherfordin atomin malli on epävakaa järjestelmä ja määritellyn mallin atomi ei voi olla olemassa pitkään. Tosiasia on, että elektronien liike pyöreällä kiertoradalla tapahtuu kiihtyvyydellä, ja kiihtyvän varauksen on Maxwellin sähködynamiikan lakien mukaan lähetettävä sähkömagneettisia aaltoja (ω - taajuus, joka on yhtä suuri kuin sen pyörimistaajuus ytimen ympäri). Säteilyyn liittyy energian menetys. Energiaa menettäessään elektronien on lähestyttävä ydintä, aivan kuten satelliitti lähestyy maata jarruttaessaan yläilmakehässä.

Todellisuudessa näin ei kuitenkaan tapahdu. Atomit ovat stabiileja ja voivat olla olemassa loputtomiin lähettämättä sähkömagneettisia aaltoja ollenkaan.

Tanskalainen tiedemies N. Bohr löysi tien ulos tästä tilanteesta. Hän teki radikaalin johtopäätöksen, että klassisen mekaniikan ja sähködynamiikan lait eivät sovellu lainkaan mikrokosmukseen ja erityisesti atomiin. Kuitenkin säilyttääkseen Rutherfordin planeettamallin atomista, hän muotoili kaksi postulaattia (Bohrin postulaattia), jotka olivat vastoin sekä klassista mekaniikkaa että klassista sähködynamiikkaa. Nämä postulaatit loivat perustan täysin uusille mikromaailman teorioille - kvanttimekaniikalle ja kvanttielektrodynamiikalle (sähkömagneettisen kentän kvanttiteoria). Perusteleessaan väitteitään Bohr luotti ajatukseen sähkömagneettisen kentän kvanttien olemassaolosta, jonka M. Planck esitti vuonna 1900 ja jonka A. Einstein kehitti (selittääkseen valosähköisen vaikutuksen).

Bohrin postulaatit ovat seuraavat: elektroni voi liikkua ytimen ympärillä ei millä tahansa kiertoradalla, vaan vain sellaisilla, jotka täyttävät tietyt kvanttiteoriasta johtuvat ehdot. Näitä kiertoradoja kutsutaan kestävä, tai kvantti, kiertoradalla. Kun elektroni liikkuu jollakin sille mahdollisella vakaalla kiertoradalla, se ei säteile. Elektronin siirtymiseen kaukaiselta kiertoradalta lähemmälle kiertoradalle liittyy energian menetys.

Atomin jokaisen siirtymän aikana menettämä energia muunnetaan yhdeksi säteilyenergian kvantiksi. Säteilevän valon taajuus tässä tapauksessa määräytyy niiden kahden kiertoradan säteiden mukaan, joiden välillä elektronimuutos tapahtuu. Mitä suurempi etäisyys kiertoradalta, jolla elektroni sijaitsee, on kiertoradalle, jolle se liikkuu, sitä suurempi on säteilyn taajuus.

Yksinkertaisin atomi on vetyatomi: vain yksi elektroni pyörii ytimen ympäri. Yllä olevien postulaattien perusteella Bohr laski tämän elektronin mahdollisten kiertoratojen säteet ja havaitsi, että ne liittyvät toisiinsa luonnollisten lukujen neliöinä: 1: 2: : 3: ... : P. Suuruus P sai nimen pääkvanttiluku. Vetyatomin ydintä lähimpänä olevan kiertoradan säde on 0,53 angströmiä. Tästä lasketut säteilyn taajuudet, jotka seuraavat elektronin siirtymiä kiertoradalta toiselle, osoittautuivat täsmälleen samoiksi kuin vetyspektrin viivoille kokeellisesti löydetyt taajuudet. Siten todistettiin vetyatomin stabiilien (stationaaristen) kiertoratojen laskennan oikeellisuus ja samalla Bohrin postulaattien soveltuvuus tällaisiin laskelmiin.

Bohrin teoriaa laajennettiin myöhemmin muiden alkuaineiden atomirakenteeseen. Teorian laajentaminen monielektronisiin atomeihin ja molekyyleihin kohtasi kuitenkin vaikeuksia. Mitä enemmän teoreetikot yrittivät kuvata elektronien liikettä monielektroniatomissa ja määrittää niiden kiertoradat, sitä suurempi oli ero tulosten ja kokeellisten tietojen välillä. Kvanttiteorian kehittämisen aikana kävi selväksi, että nämä erot ovat perustavanlaatuisia ja liittyvät elektronin niin kutsuttuihin aaltoominaisuuksiin.

Tosiasia on, että vuonna 1924 Louis de Broglie laajensi tuolloin tunnetun sähkömagneettisen kentän aaltokorpuskulaarisen dualismin mikromaailman materiaalihiukkasiin (atomeihin, elektroneihin, protoniin jne.). Muistakaamme, että hänen ajatuksensa mukaan hiukkasilla, joilla on massa, varaus jne., on myös aaltoominaisuuksia. Tässä tapauksessa de Broglien aallonpituus (λ) on suhteessa hiukkasen liikemäärään R ja on yhtä suuri kuin

λ = h/р, Missä h– Planckin vakio.

De Broglien idea sai loistavan vahvistuksen K. Davissonin ja L. Germerin (1927) kokeissa, joissa havaittiin elektronidiffraktioilmiö – klassinen esimerkki aaltoilmiöstä.

Aaltoideoiden kehittäminen mikromaailman hiukkasista, E. Schrödinger loi atomin matemaattisen aaltomallin nyt kuuluisan Schrödingerin aaltodifferentiaaliyhtälön muodossa:

Schrödingerin aaltoyhtälön analyysi osoitti, että sitä voidaan käyttää kaikkien mahdollisten diskreettien energioiden määrittämiseen E s atomissa. Lisäksi havaittiin, että aaltofunktio ei mahdollista ehdottoman tarkasti elektronien paikkaa atomeissa, ja ne leviävät eräänlaiseksi "pilveksi"; Siten voimme puhua vain todennäköisyydestä löytää elektroneja yhdestä tai toisesta atomista, jolle on ominaista aallon amplitudin neliö.

Ottaen huomioon kvanttiaaltomekaniikan lait käy selväksi, miksi atomin rakennetta oli mahdotonta kuvata tarkasti atomin elektronien Bohrin kiertoradan ajatusten perusteella. Tällaisia ​​tarkasti lokalisoituja kiertoradoja atomeissa ei yksinkertaisesti ole olemassa, ja hyvä yhteensopivuus vetyatomin elektronien kiertoradan laskennan välillä Bohrin teorian ja kokeellisten tietojen mukaisesti johtuu siitä, että vain vetyatomin Bohrin elektronien radat osuivat hyvin yhteen. keskimääräisen varaustiheyden käyrät, jotka on laskettu Schrödingerin kvanttiteorian mukaisesti. Monielektroniatomien kohdalla tällaista yhteensattumaa ei havaita.

Tällä hetkellä perustuu kvanttimekaniikkaan sekä kvanttielektrodynamiikkaan - vuonna 1927 kehitettyyn sähkömagneettisen kentän kvanttiteoriaan. P.A. Dirac, oli mahdollista selittää monia monielektronisten atomi-molekyylijärjestelmien käyttäytymisen piirteitä. Erityisesti oli mahdollista ratkaista tärkein kysymys eri alkuaineiden atomien rakenteesta ja määrittää elementtien ominaisuuksien riippuvuus niiden atomien elektronisten kuorien rakenteesta. Tällä hetkellä kaikkien kemiallisten alkuaineiden atomien rakenteelle on kehitetty kaavioita, jotka mahdollistavat monien alkuaineiden fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien selittämisen.

Muistakaamme, että atomin ytimen ympäri pyörivien elektronien lukumäärä vastaa elementin järjestyslukua D.I:n jaksollisessa taulukossa. Mendelejev. Elektronit on järjestetty kerroksiin. Jokaisessa kerroksessa on tietty määrä elektroneja, jotka täyttävät tai ikään kuin kyllästävät sen. Saman kerroksen elektroneille on ominaista läheiset energiaarvot, ts. ovat suunnilleen samalla energiatasolla. Atomin koko kuori hajoaa useiksi energiatasoiksi ( n). Kunkin seuraavan kerroksen elektronit ovat korkeammalla energiatasolla kuin edellisen kerroksen elektronit. elektronien enimmäismäärä ( N), joka voi olla tietyllä energiatasolla (n), määritetään kaavalla N = 2n 2, ts. ensimmäisellä tasolla (n=1) voi olla kaksi elektronia, toinen (n = 2)– kahdeksan elektronia, kolmannella (n = 3)- kahdeksantoista.

Ulomman kerroksen elektronit, jotka ovat kauimpana ytimestä ja siten vähiten ytimeen sitoutuneita, voivat irrota atomista ja kiinnittyä muihin atomeihin, jolloin niistä tulee osa viimeksi mainitun ulkokerrosta. Atomit, jotka ovat menettäneet yhden tai useamman elektronin, varautuvat positiivisesti, koska atomiytimen varaus ylittää jäljellä olevien elektronien varausten summan. Päinvastoin, atomit, jotka ovat saaneet elektroneja, varautuvat negatiivisesti. Syntyneitä varautuneita hiukkasia kutsutaan ioneja. Monet ionit puolestaan ​​voivat menettää tai saada elektroneja, muuttuen sähköisesti neutraaleiksi atomeiksi tai uusiksi ioneiksi, joilla on erilainen varaus.

Yhteenvetona atomien rakennetta ja rakennetta koskevien kvanttimekaanisten lähestymistapojen päätulosten tarkastelusta huomautamme seuraavaa . Jokaisen atomin elektronin tilalle on ominaista neljä kvanttilukua - n, l, t, s:

1) n – Pääasia kvanttiluku kuvaa elektronin energiaa vastaavalla kiertoradalla ( n);

2)l – kiertoradalla kvanttiluku, luonnehtii kiertoradan muotoa (elektronipilvi) ja voi vaihdella atomissa välillä 0 - n = 1;

3)T– magneettinen kvanttiluku, luonnehtii kiertoradan (elektronipilvien) suuntausta avaruudessa ja voi ottaa arvot välillä +1 - -1;

4)s–pyöritä Kvanttiluku kuvaa elektronin pyörimistä oman akselinsa ympäri ja voi saada vain kaksi arvoa: s= ±1/2.

Yhden kvanttimekaniikan tärkeimmistä periaatteista, Paulin periaatteen mukaan, atomissa ei voi olla elektroneja, joille kaikki neljä kvanttilukua ovat samat. Kvanttimekaniikan puitteissa sekä atomien rakenteen että kemiallisten alkuaineiden ominaisuuksien muutokset jaksollisessa taulukossa selitti täysin D.I. Mendelejev.

Myös kvanttimekaniikan soveltaminen fysikaalisiin kenttiin osoittautui hedelmälliseksi. Sähkömagneettisen kentän kvanttiteoria rakennettiin - kvanttielektrodynamiikka, joka paljasti joukon mikromaailman peruslakeja. Niiden joukossa ovat tärkeimmät lait kahden tyyppisten materiaalisten aineiden - materiaalin ja kenttäaineen - keskinäisestä muuttamisesta toisiinsa.

otti paikkansa alkuainehiukkasten joukossa fotoni– sähkömagneettisen kentän hiukkanen, jolla ei ole lepomassaa. Kvanttimekaniikan ja erikoissuhteellisuusteorian synteesi johti olemassaolon ennustamiseen antihiukkasia. Kävi ilmi, että jokaisella hiukkasella täytyy olla oma "kaksois" – toinen hiukkanen, jolla on sama massa, mutta vastakkainen sähkö- tai muu varaus. Englantilainen fyysikko P.A. Dirac – relativistisen sarvikenttäteorian perustaja – ennusti positronin olemassaolon ja mahdollisuuden muuttaa fotoni elektroni-positronipariksi ja takaisin. Positroni, elektronin antihiukkanen, löydettiin kokeellisesti vuonna 1934. K.D. Anderson kosmisissa säteissä.

Ydinfysiikka.Nykyaikaisten käsitteiden mukaan alkuaineiden atomiytimet koostuvat protoneista ja neutroneista. Ensimmäiset viitteet siitä, että ytimien koostumus sisältää protoneja (vetyatomien ytimiä), sai Rutherford vuonna 1919 uuden (atomin rakenteen löytämisen jälkeen) sensaatiomaisen löydön - atomiytimen halkeamisen seurauksena. α-hiukkasten vaikutus ja uusien kemiallisten alkuaineiden tuotanto ensimmäisen keinotekoisen ydinreaktion tuloksena.

Yhdessä versiossaan kokeistaan, joissa käytettiin typellä täytettyä pilvikammiota, jonka sisällä oli radioaktiivinen säteilylähde, Rutherford sai valokuvia α-hiukkasten jälkistä, joiden lopussa oli tyypillinen haarautuminen - " haarukka". Yksi "haarukan" sivuista antoi lyhyen jäljen ja toinen - pitkän. Pitkällä radalla oli samat ominaisuudet kuin teillä, jotka Rutherford havaitsi aiemmin vetyatomien pommittamisen aikana alfahiukkasilla

Näin ollen ensimmäistä kertaa ilmaistiin ajatus, että vetyytimet ovat olennainen osa muiden atomien ytimiä. Myöhemmin Rutherford ehdotti termiä "protoni" tälle ytimen komponentille.

Rutherfordin reaktiokaavio voidaan esittää seuraavasti: α-partikkeli tulee typen atomiytimeen ja absorboituu siihen. Tässä tapauksessa muodostuva fluori-isotoopin väliydin osoittautuu epävakaaksi: se irrottaa itsestään yhden protonin muuttuen happi-isotoopin ytimeksi.

Vuonna 1932 D.D. Ivanenko julkaisi muistiinpanon, jossa hän ehdotti, että protonin ohella neutroni on myös ytimen rakenneelementti. Vuonna 1933 hän perusti ytimen protoni-neutronimallin ja muotoili pääteesin, jonka mukaan ydin sisältää vain raskaita hiukkasia - protoneja ja neutroneja. Tässä tapauksessa molemmat hiukkaset voivat muuttua toisikseen. Edelleen protoni Ja neutroni alettiin pitää yhden hiukkasen kahtena tilana - nukleoni.

Ja samassa 1933 J. Chadwick osoitti kokeellisesti neutronien olemassaolon atomiytimissä. Hän säteilytti berylliumlevyä alfahiukkasilla ja tutki berylliumin (Be) muuttumisen hiileksi (C) reaktiota neutronin n).

Berylliumista karkaavat neutronit ohjattiin typellä (N) täytettyyn pilvikammion, ja kun neutroni osui typpiatomin protoniin, muodostui booriydin (B) ja α-hiukkasia.

Itse neutroni ei anna jälkeä pilvikammiossa, mutta booriytimen ja α-hiukkasen jälkistä voidaan laskea, että tämän reaktion aiheuttaa neutraali hiukkanen, jonka massa on yksi atomimassayksikkö, ts. neutroni. Huomaa, että vapaa neutroni ei ole olemassa pitkään, se on radioaktiivinen, sen puoliintumisaika on noin 8 minuuttia, jonka jälkeen se muuttuu protoniksi, joka lähettää β-hiukkasen (elektronin) ja neutrinon. Neutronin löytämisen jälkeen atomiytimien rakenteen protoni-neutronimalli D.D. Ivanenkosta on tullut yleisesti tunnustettu.

Kaikkiin ydinreaktioihin liittyy tiettyjen alkuainehiukkasten päästö. Ydinreaktioiden tuotteet osoittautuvat radioaktiivisiksi, niitä kutsutaan keinotekoisesti radioaktiivisia isotooppeja. Kuuluisat ranskalaiset fyysikot löysivät keinotekoisen radioaktiivisuuden ilmiön vuonna 1934 Frederick Ja Irene Joliot-Curie.

Kuten luonnossa esiintyvät radioaktiiviset aineet, keinotekoisesti valmistetut radioaktiiviset isotoopit lähettävät tunnettua α-, β- ja γ-säteilyä. Mutta lueteltujen säteilyjen lisäksi Frederic ja Irene Joliot-Curie löysivät uudenlaisen radioaktiivisuuden - positiivisten elektronien-positronien emission.

Tämä määritettiin ensin pilvikammion avulla, kun tiettyjä kevyitä alkuaineita (beryllium, boori, alumiini) pommitettiin alfahiukkasilla, minkä seurauksena syntyi keinotekoisesti joukko uusia radioaktiivisia isotooppeja, joita ei aiemmin havaittu luonnossa. Esimerkki positroniradioaktiivisen isotoopin muodostumisesta on alumiinin pommituksen reaktio α-hiukkasten kanssa. Ja tässä tapauksessa alumiiniydin lähettää neutronin ja muuttuu fosforin radioaktiivisen isotoopin ytimeksi, joka vuorostaan ​​lähettää positronia β + , muuttuu vakaaksi piin isotoopiksi.

Teollisessa mittakaavassa keinotekoisia radioaktiivisia isotooppeja saadaan yleensä säteilyttämällä (pääasiassa neutroneja) vastaavia kemiallisia alkuaineita ydinreaktoreissa.

Sen jälkeen kun todettiin, että atomien ytimet koostuvat sekä protoneista että neutroneista, atomiytimen teoriaa kehitettiin edelleen ytimen sisällä olevien hiukkasten vuorovaikutusten sekä eri alkuaineiden atomiytimien rakenteen tutkimisen suuntaan. .

Alla ovat perustietoa ytimien ominaisuuksista ja rakenteesta.

1. Ydin kutsutaan atomin keskiosaksi, johon on keskittynyt lähes koko atomin massa ja sen positiivinen sähkövaraus. Kaikki atomiytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, joita pidetään yhden hiukkasen - nukleonin - kahdena varaustilana.

Protoni sillä on positiivinen sähkövaraus, joka on absoluuttisesti yhtä suuri kuin elektronin varaus e=1,6 –19 C ja lepomassa t r ~ 1,6726 10 – 27 kg.

Neutron sillä ei ole sähkövarausta, sen massa on hieman suurempi kuin protonin massa - t s= 1,6749 10 –27 kg.

Alkuainehiukkasten ytimien massa ilmaistaan ​​yleensä atomimassayksiköinä (amu). Atomimassayksiköksi otetaan 1/12 hiilen isotoopin massasta: 1 amu. = 1,66 10 -27 kg. Siten, t r= 1,00728 amu, a t s= 1,00866 amu

2. Ydin lataus kutsutaan määräksi Ze, Missä e– protonivarauksen suuruus; Z on kemiallisen alkuaineen sarjanumero Mendelejevin jaksollisessa taulukossa, joka on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä ytimessä.

Tällä hetkellä tunnetaan ytimiä, joiden sarjanumerot ovat Z = 1 - Z = 114. Kevyille ytimille tunnetaan neutronien lukumäärän suhde (N) protonien määrään (Z) lähellä yhtenäisyyttä tai yhtä suuria. Jaksollisen järjestelmän lopussa sijaitsevien kemiallisten alkuaineiden ytimien suhde N/Z = 1,6.

3. Nukleonien kokonaismäärä ytimessä A= N+ Z nimeltään massanumero. Nukleoneille (protoneille ja neutroneille) annetaan massaluku, joka on yhtä suuri kuin yksi. Sydämet samalla Z, mutta erilainen A kutsutaan isotoopit. Cores että, samalla A on eri Z, kutsutaan isobaarit. Kemiallisten alkuaineiden ytimet on yleensä merkitty symbolilla .X, A, Z missä X– kemiallisen alkuaineen symboli; A– massaluku; Z – atominumero.

Kaikkiaan tunnetaan noin 300 stabiilia kemiallisten alkuaineiden isotooppia ja yli 2000 luonnollista ja keinotekoisesti valmistettua radioaktiivista isotooppia.

Kaikilla yhden kemiallisen alkuaineen isotoopeilla on sama elektronikuoren rakenne. Siksi tietyn alkuaineen isotoopeilla on samat kemialliset ominaisuudet. Nyt on todettu, että useimmat luonnossa esiintyvät kemialliset alkuaineet ovat isotooppien seoksia. Siksi jaksollisen taulukon alkuaineiden atomimassat eroavat usein merkittävästi kokonaisluvuista.

4. Ytimen kokoa kuvaa ytimen säde, jolla on ytimen rajojen hämärtymisestä johtuen sovinnollinen merkitys. Empiirinen kaava ytimen säteelle R= R A, Missä R=(1,3/1,7)10 –15 m, voidaan tulkita ytimen tilavuuden suhteeksi siinä olevien nukleonien lukumäärään.

5. Ydinhiukkasilla on omat magneettimomenttinsa, jotka määräävät ytimen magneettisen momentin (R tt) yleisesti. Ytimen magneettisten momenttien mittayksikkö on ydinmagnetoni μ minä = eh,/2t p, Missä e– elektronivarauksen itseisarvo; h– Planckin vakio; t r- protonimassa. Ydinmagnetoni μ myrkky on 1836,5 kertaa pienempi kuin elektronin magneettinen momentti atomissa, mikä tarkoittaa, että atomin magneettiset ominaisuudet määräytyvät sen elektronien magneettisten ominaisuuksien mukaan.

6. Protonien sähkövarauksen jakautuminen ytimessä on yleensä epäsymmetrinen. Tämän pallosymmetrisen jakauman poikkeaman mitta on ytimen Q kvadrupolisähkömomentti. Jos ydintiheyden oletetaan olevan sama kaikkialla, niin K määräytyy vain ytimen muodon perusteella.

Nukleonit, jotka muodostavat ytimen, on yhdistetty toisiinsa erityisillä vetovoimavoimilla - ydinvoimilla. Useimpien alkuaineiden atomiytimien stabiilius viittaa siihen, että ydinvoimat ovat poikkeuksellisen vahvoja: niiden tulee ylittää 10–13 cm:n luokkaa (ytimen koon suuruusluokkaa) olevien protonien välillä vaikuttavat merkittävät Coulombin hylkivät voimat. ). Ydinvoimat ovat erityislaatuisia voimia, jotka liittyvät tietyntyyppisen aineen olemassaoloon ytimen sisällä - ydinkenttä.

Tällä hetkellä on hyväksytty ydinvoimien mesoniteoria, jonka mukaan nukleonit ovat vuorovaikutuksessa keskenään vaihtamalla ydinkentän erityisiä alkuainehiukkasia - π-mesoneja - kvantteja.

Vaihtohiukkasten läsnäolon ytimessä - mesonit - ennusti ensin teoreettisesti japanilainen tiedemies Hidoki Yukawa vuonna 1936 ja löydettiin sitten kosmisista säteistä vuonna 1947.

Ydinvoimien yleiset ominaisuudet tiivistyy seuraavaan.

1. Ydinvoimat ovat lyhyen kantaman voimia. Niitä esiintyy vain hyvin pienillä etäisyyksillä ytimen nukleonien välillä, luokkaa 10 – 15 m. Pituutta (1,5 ÷ 2,2) –10 – 15 m kutsutaan ydinvoimien valikoima.

2. Ydinvoimilla on varausriippumattomuus: kahden nukleonin välinen vetovoima on sama riippumatta nukleonien varaustilasta - protonista tai nukleonista. Ydinvoimien varausriippumattomuus näkyy peiliytimien energioiden vertailusta (tämä nimi on annettu ytimille, joissa nukleonien kokonaismäärä on sama, mutta protonien määrä yhdessä on yhtä suuri kuin neutronien lukumäärä toinen).

3. Ydinvoimilla on kyllästymisominaisuus, joka ilmenee siinä, että ytimessä oleva nukleoni on vuorovaikutuksessa vain rajoitetun määrän sitä lähimpänä olevien naapurinukleonien kanssa. Tästä syystä ytimien sitoutumisenergiat riippuvat lineaarisesti niiden massaluvuista A. Lähes täydellinen ydinvoimien kyllästyminen saavutetaan α-hiukkasessa, joka on erittäin vakaa muodostelma.

Nukleonit ovat tiukasti sidottu ytimeen ydinvoimien vaikutuksesta. Tämän yhteyden katkaisemiseksi, ts. Nukleonien täydellinen erottaminen edellyttää merkittävää työtä. Energiaa, joka tarvitaan ytimen muodostavien nukleonien erottamiseen, kutsutaan ydinvoimaa sitova energia. Sitoutumisenergian suuruus voidaan määrittää energian säilymisen lain sekä massan ja energian suhteellisuuslain perusteella Einsteinin kaavan mukaisesti E = ts 2.

Energian säilymisen lain mukaan ytimeen sitoutuneiden nukleonien energian tulee olla sitoutumisenergian ε 0 verran pienempi kuin erotettujen nukleonien energia. Toisaalta massan ja energian suhteellisuuslain mukaan järjestelmän energian muutos ΔW siihen on liitettävä suhteellinen muutos järjestelmän massassa Δm, nuo. ΔW = Δmc 2, Missä Kanssa– valon nopeus tyhjiössä.

Koska tässä tapauksessa ΔW on ytimen sitoutumisenergia, silloin atomiytimen massan on oltava pienempi kuin ytimen muodostavien nukleonien massojen summa Δm, jota kutsutaan ydinmassavika. Suhteesta ΔW = Δmc 2 on mahdollista laskea ytimen sitoutumisenergia, jos tämän ytimen massavika tunnetaan Δm.

Esimerkkinä lasketaan heliumatomin ytimen sitoutumisenergia. Se koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Protonimassa t r= 1,0073 amu, neutronin massa - t s= 1,0087 amu Siksi ytimen muodostavien nukleonien massa on yhtä suuri kuin 2t r + 2 t p = 4,0320 amu Heliumatomin ytimen massa t i = 4.0016 amu Siten heliumin atomiytimen massavika on yhtä suuri kuin Δm= 4,0320 – 4,0016 = 0,03 amu tai Δm = 0,03 1,66 10 ~ 27 = 5 10 ~ 29 kg. Sitten heliumytimen sitoutumisenergia

ΔW = Δmc 2= 510-29 9-10 16 J = 28 MeV.

Yleinen kaava minkä tahansa ytimen sitoutumisenergian laskemiseksi (jouleina) on:

ΔW = c 2 (- t i),

jossa Z on atomiluku; A - massanumero.

Ytimen sitoutumisenergiaa nukleonia kohti kutsutaan spesifinen sitoutumisenergia (ε ). Siksi ε= ΔW/A(spesifinen sitoutumisenergia) luonnehtii atomiytimien stabiilisuutta. Mitä suurempi s, sitä vakaampi ydin.

Kuvassa Kuvassa 1 on esitetty eri atomien ominaissidosenergioiden laskelmien tulokset (riippuen massaluvuista A).

Kuvan kaaviosta. 2.2 tästä seuraa, että spesifinen sitoutumisenergia on suurin (8,65 MeV) ytimille, joiden massaluvut ovat luokkaa 100. Raskaiden ja kevyiden ytimien osalta se on jonkin verran pienempi (esim. 7,5 MeV uraanille ja 7 MeV heliumille). vedyn atomiydin ominaissidosenergia on nolla, mikä on ymmärrettävää, koska tässä ytimessä ei ole mitään erotettavaa: se koostuu vain yhdestä nukleonista (protonista).

a.e.m.

Riisi. 1. Spesifisten sitoutumisenergioiden riippuvuus massaluvuista

Jokaiseen ydinreaktioon liittyy energian vapautuminen tai imeytyminen. Kun fissioidaan raskaita ytimiä massaluvuilla A noin 100 (tai enemmän) ydinenergiaa vapautuu.

Ydinenergian vapautuminen tapahtuu myös ydinreaktiotyyppien aikana - kun useat kevyet ytimet yhdistetään (synteesi) yhdeksi ytimeksi. Siten ydinenergian vapautuminen tapahtuu sekä raskaiden ytimien fissioreaktioiden että kevyiden ytimien fuusioreaktioiden aikana. Ydinenergian määrä Δ Jokaisen reagoineen ytimen vapauttama ε on yhtä suuri kuin reaktiotuotteen sitoutumisenergian ε ja alkuperäisen ydinmateriaalin sitoutumisenergian välinen ero.

Suhde ∆E∆t>ħ/2 tarkoittaa energian muuntamista tarkasti ∆E tulisi ottaa vähintään yhtä suuri aikaväli ∆t~ ħ/∆E. Tämä suhde on vastuussa atomien ja ionien spektriviivojen luonnollisesta leveydestä. Atomien virittyneen tilan elinikä on luokkaa t~10 -8 ÷10 -9 s. Näin ollen tällaisten tilojen energian epävarmuus on ∆E~ ħ/t, joka vastaa spektriviivojen luonnollista leveyttä. Jos energian epävarmuus ∆E ~ ħ/∆t vastaa jonkin hiukkasen energiaa ( mс 2, hv), tämä hiukkanen, joka on syntynyt "ei-mitään", voi olla virtuaalisessa tilassa jonkin aikaa ∆t rikkomatta energian säilymislakia. Nykyaikaisessa kvanttikenttäteoriassa hiukkasten vuorovaikutusta ja niiden keskinäisiä muunnoksia pidetään virtuaalihiukkasten syntymisenä tai absorptiona jokaisen todellisen hiukkasen toimesta. Mikä tahansa hiukkanen emittoi tai absorboi jatkuvasti erityyppisiä virtuaalisia hiukkasia. Joten esimerkiksi sähkömagneettinen vuorovaikutus on seurausta vaihdosta virtuaaliset fotonit, gravitaatio - gravitonit. Ydinvoimakentän määrää virtuaalinen π–mesoneja. Syntyy heikkoa vuorovaikutusta vektoribosonit(löydettiin vuonna 1983 CERNissä, Sveitsi-Ranska). Ja vahvan vuorovaikutuksen kantaja on gluonit(englannin sanasta, joka tarkoittaa "liimaa"). Epävarmuussuhde rajoittaa klassisen mekaniikan soveltuvuutta mikroobjekteihin. Se herätti lukuisia filosofisia keskusteluja. Hiukkasen ja sen liikemäärän koordinaatteja, energian muutosta ja aikaa, jonka aikana tämä muutos tapahtui, kutsutaan toisiaan täydentäviksi suureiksi. Kokeellisen tiedon saaminen joistakin mikrohiukkasta kuvaavista fysikaalisista suureista liittyy väistämättä tiedon menettämiseen muista suureista, ensimmäisen lisäksi. Tätä väitettä, jonka tanskalainen fyysikko N. Bohr muotoili ensimmäisenä, kutsutaan täydentävyyden periaatetta. Bohr selitti komplementaarisuuden periaatetta mittauslaitteen, joka on aina makroskooppinen laite, vaikutuksella mikroobjektin tilaan. Nykyaikaisen kvanttiteorian näkökulmasta tilat, joissa toisiaan täydentävillä suureilla olisi samanaikaisesti tarkasti määriteltyjä arvoja, ovat kuitenkin pohjimmiltaan mahdottomia. Täydentävyysperiaate heijastaa kvanttijärjestelmien objektiivisia ominaisuuksia, jotka eivät liity tarkkailijan olemassaoloon, ja mittauslaitteen tehtävänä on "valmistella" järjestelmän tietty tila. Jokaisen uuden teorian, joka väittää tarjoavansa syvällisemmän kuvauksen fyysisestä todellisuudesta ja laajemman sovellusalueen kuin vanha, on sisällytettävä edellinen rajoittavana tapauksena. Näin ollen relativistinen mekaniikka (erikoissuhteellisuusteoria) pienten nopeuksien rajalla muuttuu newtonilaiseksi mekaniikaksi. Kvanttimekaniikassa vastaavuuden periaate edellyttää, että sen fyysiset seuraukset rajoittavassa tapauksessa ovat samat kuin klassisen teorian tulokset. Vastaavuusperiaate paljastaa sen tosiasian, että kvanttivaikutukset ovat merkittäviä vain mikroobjekteja tarkasteltaessa, kun toiminnan ulottuvuudet ovat verrattavissa Planckin vakioon. Muodollisesti vastaavuusperiaate tarkoittaa sitä, että rajassa ħ → 0 fyysisten kohteiden kvanttimekaanisen kuvauksen on vastattava klassista. Vastaavuusperiaatteen merkitys ulottuu kvanttimekaniikan ulkopuolelle– se tulee olemaan olennainen osa mitä tahansa uutta teoreettista suunnitelmaa. Modernissa fysiikassa termiä "alkuainehiukkaset" ei yleensä käytetä sen tarkassa merkityksessä, vaan vähemmän tiukasti nimeämään suurta ryhmää pieniä ainehiukkasia, jotka eivät ole atomeja tai atomiytimiä (poikkeus on protoni). Kaikkien alkuainehiukkasten tärkein ominaisuus on kyky syntyä ja tuhoutua (säteillä ja imeytyä) vuorovaikutuksessa muiden hiukkasten kanssa. Nyt tieteen tiedossa olevien alkuainehiukkasten kokonaismäärä (yhdessä antihiukkasten kanssa) lähestyy 400:aa. Jotkut niistä ovat pysyviä ja esiintyvät luonnossa vapaassa tai heikosti sidottuna. Näitä ovat elektronit, protonit, neutronit, fotonit ja erilaiset neutriinot.

Kaikki muut alkuainehiukkaset ovat äärimmäisen epävakaita ja muodostuvat sekundaarisissa kosmisissa säteissä tai saadaan laboratoriossa. Niiden muodostumisen päämenetelmä on nopeiden stabiilien hiukkasten törmäykset, joiden aikana osa alkuperäisestä kineettisestä energiasta muuttuu syntyvien hiukkasten lepoenergiaksi. (yleensä eivät ole yhteentörmäysten kanssa).

Kaikkien alkuainehiukkasten yhteiset ominaisuudet ovat massa m, elinikä t, pyöritä J ja sähkövaraus Q.

Alkuainehiukkaset jaetaan niiden eliniän mukaan stabiileihin, kvasistabiileihin ja epästabiileihin (resonanssit). Nykyaikaisten mittausten tarkkuudella stabiileja ovat elektroni (t > 5 10 21 vuotta), protoni (t > 5 10 31 vuotta), fotoni ja neutrino. Kvasistabiileihin hiukkasiin kuuluvat hiukkaset, jotka hajoavat sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen vuoksi, niiden elinikä on t > 5 10 -20 s. Esimerkki kvasistabiilista hiukkasesta on neutroni.

Se heikkenee heikkojen vuorovaikutusten vuoksi, keskimääräinen käyttöikä on 15,3 minuuttia: .

Resonanssit ovat alkuainehiukkasia, jotka hajoavat voimakkaiden vuorovaikutusten vuoksi; niiden tyypilliset elinajat ovat t~ 10 -22 - 10 -24 s.

Alkuainehiukkasten sähkövaraukset ovat kokonaislukukertoja e≈1,6-10 -19 C, jota kutsutaan alkeissähkövaraukseksi (elektronivaraukseksi). Tunnetuille alkuainehiukkasille Q = 0, ±1, ±2.

Alkuainehiukkasten spin on Planckin vakion kokonaisluku tai puolikokonaislukukerrannainen ħ.

Hiukkasia, joiden spin on puolikokonaisluku, kutsutaan fermionit. Fermionit sisältävät leptonit (kuten elektroni ja neutrino) ja baryonit, joka koostuu kvarkit (esimerkiksi protoni ja neutroni). Fermion-järjestelmät kuvataan Fermi-Dirac kvanttitilastot. Fermionit noudattavat Paulin poissulkemisperiaatetta ja tietyssä kvanttitilassa fermionijärjestelmä ei voi sisältää enempää kuin yhden hiukkasen. Fermionit muodostavat materiaalirakenteita.

Hiukkasia, joiden spin on kokonaisluku tai nolla, kutsutaan bosonit. Bosoneihin kuuluu hiukkasia, joiden lepomassa on nolla (fotoni, gravitoni), samoin kuin mesoneja, koostuu kvarkeista (esimerkiksi π-mesoneista). Sellaisten hiukkasten järjestelmiä kuvataan Bose-Einsteinin tilastot. Bosonit eivät noudata Paulin poissulkemisperiaatetta, eikä niissä ole rajoituksia hiukkasten lukumäärälle, jotka voivat olla tietyssä kvanttitilassa. Ne muodostavat vuorovaikutuskentän (kvanttikenttäteorian mukaan) fermionien välille.

Esimerkiksi materiaalirakenteita muodostavat elektronit ja nukleonit (protonit ja neutronit, jotka muodostavat atomiytimiä), ja niiden välisen sähkömagneettisen vuorovaikutuskentän muodostavat fotonit (tarkemmin sanottuna virtuaaliset fotonit) (kuva 2).

Kuva 2. Alkuainehiukkasten luokitus

Mesonit ja baryonit koostuvat kvarkeista, ja siksi niillä on yleinen nimi - hadronit. Kaikki tunnetut hadronit koostuvat joko kvarkki-antikvarkki-parista (mesonit) tai kolmesta kvarkista (baryoneista). Kvarkeja ja antikvarkeja gluonikenttä pitää hadroneissa. Kvarkit eroavat "maultaan" ja "väriltä". Jokainen kvarkki voi olla jossakin kolmesta väritilasta: punainen, sininen ja keltainen. Mitä tulee "makuihin", niitä tunnetaan 5, ja kuudennen oletetaan olevan olemassa. Kvarkkien maut on merkitty kirjaimilla u, d, s, c, b, t, jotka vastaavat englanninkielisiä sanoja ylös, alas, outo, hurmaava, kaunotar Ja totuus. Lisäksi jokaisella kvarkilla on vastaava antikvarkki. Yhtään kvarkkia ei ole koskaan rekisteröity vapaassa muodossa monien vuosien etsinnöistä huolimatta. Kvarkkeja voi havaita vain hadronien sisällä.

Hiukkasfysiikka perustuu perusvuorovaikutusten käsitteeseen: gravitaatio, sähkömagneettinen, vahva ja heikko.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus johtuu fotonien vaihdosta, jotka ovat paremmin tutkittuja kuin muut bosonit. Fotonien lähde on sähkövaraus. Gravitaatiovuorovaikutus liittyy vielä hypoteettisiin hiukkasiin - gravitonit. Neutraalit (Z 0) ja varautuneet (W + ,W –) bosonit ovat elektronien, protonien, neutronien ja neutriinojen välisen heikon vuorovaikutuksen kantajia. Vahvan vuorovaikutuksen kantajat ovat gluonit . Ne näyttävät liimaavan kvarkeja yhteen hadroneissa. Gluonien lähteitä ovat niin sanotut ”värivaraukset”. Niillä ei ole mitään tekemistä tavallisten värien kanssa, ja ne on nimetty kuvauksen helpottamiseksi. Kutakin kuudesta rahkin mausta on kolme värivaihtoehtoa: keltainen, sininen tai punainen. (f, s, k vastaavasti). Antiikkiesineissä on myös värilliset antimaksut. On tärkeää korostaa, että kolme varausta ja kolme antipanosta ovat täysin riippumattomia kvarkkien makuista. Tällä hetkellä kvarkkien ja antikvarkkien kokonaismäärä (mukaan lukien kolme väriä ja kuusi makua) on saavuttanut 36. Lisäksi gluoneja on yhdeksän enemmän, kuten kvarkeja, joita ei havaita vapaassa tilassa.

Kvarkkien ja gluonien olemassaolo johtaa uuden aineen tilan syntymiseen, joka on ns. kvarkki-gluoniplasma.

Tämä on plasma, joka ei koostu elektroneista ja ioneista, kuten tavallinen plasma, vaan kvarkeista ja gluoneista, jotka ovat heikosti vuorovaikutuksessa keskenään tai eivät ole vuorovaikutuksessa ollenkaan.

Yksi mikrofysiikan pääongelmista, jonka ratkaisusta A. Einstein haaveili, on yhtenäisen kenttäteorian luominen, joka yhdistäisi kaikki tunnetut perusvuorovaikutukset. Tällaisen teorian luominen merkitsisi perustavanlaatuista läpimurtoa kaikilla tieteen aloilla.

Tähän mennessä on luotu ja tunnustettu teoria, joka yhdistää kaksi perusvuorovaikutusta - heikon ja sähkömagneettisen. Sitä kutsutaan yhtenäinen teoria heikosta ja sähkömagneettisesta (elektroheikko) vuorovaikutuksesta ja väittää, että on olemassa erityisiä hiukkasia - elektronien, protonien, neutronien, neutriinojen välisen vuorovaikutuksen kantajia. Näitä hiukkasia kutsutaan bosoneiksi W + , W - ja Z°, ennustettiin teoreettisesti 70-luvulla. viime vuosisadalla ja löydettiin kokeellisesti vuonna 1983.

Vahvan vuorovaikutuksen teoria on ns kvanttikromodynamiikka. Tämä kvarkkien ja gluonien vuorovaikutusta kuvaava teoria on mallinnettu kvanttielektrodynamiikan mukaan, joka puolestaan ​​kuvaa fotonien vaihdon aiheuttamia sähkömagneettisia vuorovaikutuksia. Toisin kuin sähköisesti neutraalit fotonit, gluonit ovat ”väri”varausten kantajia. Tämä johtaa siihen, että kun niitä yritetään erottaa avaruudessa, vuorovaikutuksen energia kasvaa. Tämän seurauksena gluonit ja kvarkit eivät ole olemassa vapaassa tilassa: ne ovat "itselukittuneita" hadronien sisällä.

Nykyaikainen alkuainehiukkasten teoria, joka koostuu sähköheikon vuorovaikutuksen ja kvanttikromodynamiikan teorioista, on yleensä ns. standardi malli. Tämä monimutkainen, mutta lähes täydellinen fenomenologinen teoria on tärkein teoreettinen työkalu, jonka avulla ratkaistaan ​​mikrofysiikan ongelmia

"Suuri yhdistyminen" on nimi teoreettisille malleille, jotka perustuvat ajatukseen vahvan, heikon ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen yhtenäisyydestä. Se on suunniteltu yhdistämään kaikki olemassa olevat hiukkaset: fermionit, bosonit ja skalaarihiukkaset. Grand Unified -teorian puitteissa selitetään hyvin monia erittäin tärkeitä ilmiöitä, erityisesti kuten maailmankaikkeuden havaittu gluonien epäsymmetria, neutriinojen pieni nollasta poikkeava lepomassa, sähkövarauksen kvantisointi ja ratkaisujen olemassaolo, kuten esim. magneettisina Dirac-monopoleina. Uusimpien tietojen mukaan protonien keskimääräinen elinikä on yli 1,6 10 33 vuotta vanha. Protonin epävakauden todistaminen olisi perustavanlaatuinen löytö. Tätä heikkenemistä ei kuitenkaan ole vielä kirjattu. Tiedemiehet toivovat, että "Grand Unification" -mallien edelleen kehittäminen johtaa kaikkien vuorovaikutusten, mukaan lukien gravitaatioiden, yhdistämiseen (superyhdistäminen). Mutta tämä on tulevaisuuden asia.

Mikrofysiikassa tietty peruspituus tunnetaan ja sillä on tärkeä rooli, nimeltään Planck tai gravitaatiopituus - l g= 1,6 – 33 cm Planckin pituutta pienempiä pituuksia ei uskota olevan luonnossa. Yhdessä Planck-ajan kanssa t g ~ 1.6 10 –43 s ne muodostavat aika-avaruuskvantteja, joiden on tarkoitus muodostaa perusta tulevalle painovoiman kvanttiteorialle. Akateemikko V.L. Ginzburg, pituuden fyysinen merkitys l g Pienemmässä mittakaavassa ei ole enää mahdollista käyttää klassista relativistista painovoimateoriaa ja erityisesti yleistä suhteellisuusteoriaa (GR), jonka rakentamisen Einstein sai päätökseen vuonna 1915.

Tällä hetkellä pienin nykyaikaisilla kiihdyttimillä saavutettu "vaikutusparametri". l f ~ 10 –17 cm voidaan siis päätellä, että etäisyyksiin asti l f ~ 10-17 cm ja kertaa l f /c ~ 10 -27 s olemassa olevat aika-avaruuskoordinaatit ovat voimassa. Merkitys l f eroaa arvosta l g peräti 16 suuruusluokkaa, joten kysymys peruspituudesta on edelleen ajankohtainen tieteelle.

1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla, kun mikrofysiikan tutkimuskohteita olivat atomi ja sitten atomin ydin, elektronien käyttäytymisen ymmärtämiseksi atomeissa oli tarpeen tehdä todellinen vallankumous tieteessä - luoda kvantti. mekaniikka. Mikrofysiikalla oli silloin hyvin erityinen paikka luonnontieteissä. Hänen onnistumistensa ansiosta pystyimme ymmärtämään aineen rakenteen. Mikrofysiikka on modernin fysiikan perusta.

Macroworld

Mikromaailmasta makromaailmaan. Atomirakenteen teoria antoi kemialle avaimen kemiallisten reaktioiden olemuksen ja kemiallisten yhdisteiden muodostumismekanismin ymmärtämiseen - aineellisen aineen monimutkaisemman molekyylitason organisoitumisen alkuaineatomimuotoon verrattuna.

Kvanttimekaniikka mahdollisti erittäin tärkeän kysymyksen elektronien sijoittumisesta atomissa ratkaisemisen ja alkuaineiden ominaisuuksien riippuvuuden elektronikuoren rakenteesta. Tällä hetkellä on kehitetty kaavioita kaikkien kemiallisten alkuaineiden atomien rakenteesta. Niitä rakentaessaan tutkijat lähtivät yleisistä pohdinnoista elektronien eri yhdistelmien stabiilisuudesta. Ja luonnollisesti D.I:n jaksollinen laki toimi ohjaavana säietenä. Mendelejev.

Alkuaineiden atomien rakenteen kaavioita kehitettäessä otettiin huomioon seuraava:

1) oletettiin, että elektronien lukumäärä atomissa on yhtä suuri kuin atomiytimen varaus, ts. elementin sarjanumero jaksollisessa taulukossa;

2) koko elektronikuori hajoaa useiksi kerroksiksi, jotka vastaavat tiettyjä energiatasoja (n = 1, 2,3,4,...);

3) kaikilla tasoilla P enempää ei voi olla N elektronit, missä N = 2p 2;

4) jokaisen elektronin tila atomissa määräytyy neljän kvanttiluvun joukolla p, l, T Ja s.

Paulin periaatteen mukaan kaikki atomin elektronit eroavat toisistaan ​​vähintään yhdellä kvanttiluvulla. Atomissa ei ole kahta elektronia, joiden kvanttiluvut ovat samat, näiden oletusten mukaisesti atomien rakenteesta on tehty yksinkertaistettuja kaavioita jaksollisen järjestelmän kolmelle ensimmäiselle jaksolle.

Näiden kaavioiden tavanomaisuudesta ja yksinkertaisuudesta huolimatta ne riittävät selittämään alkuaineiden ja yhdisteiden tärkeimmät ominaisuudet.

Joten esimerkiksi ensimmäisellä energiatasolla ( n = 1, l = 0, t = 0) elektroneja voi olla vain kaksi, jotka eroavat toisistaan ​​spinkvanttiluvultaan (s= ±1/2). Muut elektronit klo n = Ei voi olla 1. Tämä vastaa sitä tosiasiaa, että jos ensimmäisellä tasolla on yksi elektroni, tämä on vetyatomi; jos elektroneja on kaksi, se on heliumatomi. Molemmat elementit täyttävät jaksollisen taulukon ensimmäisen rivin.

Jaksollisen taulukon toisella rivillä ovat elementit, joiden elektronit sijaitsevat toisella energiatasolla ( P= 2). Toisella energiatasolla voi olla yhteensä kahdeksan elektronia (N = 2· 2 2).

Todellakin, milloin P= 2 seuraavat elektronien tilat voivat esiintyä: jos l = 0 ja T= 0, silloin voi olla kaksi elektronia, joilla on vastakkaiset spinit; Jos l = 1 siis T voi ottaa kolme arvoa (T= -1; 0; +1) ja jokainen arvo T vastaa myös kahta elektronia, joilla on erilaiset spinit. Siten elektroneja tulee olemaan yhteensä kahdeksan.

Jaksollisen taulukon toinen elementtirivi, johon yksi elektroni lisätään peräkkäin toisella energiatasolla, on litium, beryllium, boori, hiili, typpi, happi, fluori, neon.

Pääkvanttiluvulla P= 3 l voi ottaa kolme arvoa ( l=0; 1; 2), ja kaikki l vastaa useita arvoja T. klo l= 0 T= 0; klo l~ 1 T= -1; 0; +1; klo l = 2 t =–2; -1; 0; I 1; +2 (kuva 2.4).

Koska arvoja voi olla yhteensä yhdeksän T, ja jokaiseen osavaltioon T vastaa kahta elektronia, joilla on eri arvot s =±1/2, mutta vain kolmannella energiatasolla (n = 3) ehkä 18 elektronia (N = 2· Z 2).

Jaksollisen taulukon kolmas rivi vastaa alkuaineiden ulkoisen energiatason peräkkäistä täyttämistä natriumista argoniin (natrium, magnesium, alumiini, pii, fosfori, rikki, kloori, argon) elektroneilla.

Elektronien energiatasot ja mahdolliset tilat atomissa: mahdolliset radat, joilla atomissa oleva elektroni liikkuu ytimen ympäri, voidaan kuvata ympyröinä (A), joista jokainen sopii tarkalleen kokonaislukumäärään valon aallonpituuksia pääkvanttiluku P. Atomin kaksiulotteinen analogi voidaan kuvata kahdella kvanttiluvulla, kun taas todellista atomia luonnehditaan kolmella kvanttiluvulla.

Seuraavat jaksollisen taulukon rivit vastaavat monimutkaisempia sääntöjä atomien ulkotasojen täyttämiseksi elektroneilla, koska elektronien kokonaismäärän kasvaessa atomeissa alkaa ilmaantua kollektiivisia vuorovaikutuksia eri energiatasoilla sijaitsevien elektroniryhmien välillä. Tämä johtaa tarpeeseen ottaa huomioon useita hienovaraisempia vaikutuksia.

Atomien elektronikuorten rakenteen selvittäminen vaikutti myös itse jaksollisen järjestelmän rakenteeseen muuttaen jonkin verran siihen asti olemassa olevaa alkuaineiden jakautumista jaksoihin. Edellisissä taulukoissa jokainen jakso alkoi inertillä kaasulla, jolloin vety jäi jaksojen ulkopuolelle. Mutta nyt on käynyt selväksi, että uuden ajanjakson täytyy alkaa elementistä, jonka atomissa uusi elektronikerros ilmestyy ensimmäistä kertaa yhden valenssielektronin muodossa (vety ja alkalimetallit) ja päättyy elementtiin, jonka atomissa tämä kerroksessa on kahdeksan elektronia, jotka muodostavat erittäin vahvan inerteille kaasuille ominaisen elektronirakenteen.

Atomirakenneteoria ratkaisi myös kysymyksen harvinaisten maametallien paikasta jaksollisessa taulukossa, joita ei niiden suuren samankaltaisuuden vuoksi voitu jakaa eri ryhmiin. Näiden alkuaineiden atomit eroavat toisistaan ​​yhden sisäisen elektronikerroksen rakenteessa, kun taas ulkokerroksen elektronien lukumäärä, josta elementin kemialliset ominaisuudet pääasiassa riippuvat, on sama. Tästä syystä kaikki harvinaisten maametallien alkuaineet (lantanidit) on nyt sijoitettu yleisen taulukon ulkopuolelle.

Atomirakenneteorian tärkein merkitys oli kuitenkin paljastaa jaksollisen lain fyysinen merkitys, joka Mendelejevin aikana oli vielä epäselvä. Riittää, kun katsot taulukkoa elektronien sijoittumisesta kemiallisten alkuaineiden atomeissa ollakseen vakuuttuneita siitä, että varausten kasvaessa atomiytimet Samat elektronien yhdistelmät atomin ulkokerroksessa toistuvat jatkuvasti. Siten kemiallisten alkuaineiden ominaisuuksissa tapahtuu jaksoittaisia ​​muutoksia johtuen säännöllisistä palautuksista samoihin elektroniikkakonfiguraatioihin.

Yritetään selvittää tarkemmin, kuinka atomien kemialliset ominaisuudet riippuvat elektronikuoren rakenteesta.

Tarkastellaan ensin ominaisuuksien muutosta jaksoittain. Jokaisessa jaksossa (ensimmäistä lukuun ottamatta) metalliset ominaisuudet, jotka korostuvat jakson ensimmäisessä jäsenessä, heikkenevät vähitellen siirtyessä seuraaviin osiin ja väistyvät metalloidiominaisuuksille: jakson alussa on tyypillinen metalli, klo. lopussa on tyypillinen metalloidi (epämetalli) ja sen takana inertti kaasu.

Alkuaineiden ominaisuuksien säännöllinen muutos jaksoittain voidaan selittää seuraavasti. Metallien kemiallisesta näkökulmasta tyypillisin ominaisuus on niiden atomien kyky luopua helposti ulkoisista elektroneista ja muuttua positiivisesti varautuneiksi ioneiksi, kun taas metalloideille päinvastoin on ominaista kyky saada elektroneja muodostamaan negatiivisia ioneja. .

Elektronin poistamiseksi atomista ja sen muuttamiseksi positiiviseksi ioniksi, sinun on käytettävä energiaa, jota ns. ionisaatiopotentiaali.

Ionisaatiopotentiaalilla on alhaisin arvo elementeillä, jotka alkavat jakson, ts. vedylle ja alkalimetallille ja suurin alkuaineille, jotka päättyvät ajanjaksoon, ts. inerteille kaasuille. Sen arvo voi toimia elementin suuremman tai pienemmän "metallisuuden" mittana: mitä pienempi ionisaatiopotentiaali on, sitä helpompi on poistaa elektroni atomista, sitä selvempiä elementin metalliominaisuuksien tulisi olla.

Ionisaatiopotentiaalin suuruus riippuu kolmesta syystä: ydinvarauksen suuruudesta, atomin säteestä ja niiden aaltoominaisuuksien aiheuttamasta erityisestä vuorovaikutuksesta ytimen sähkökentässä olevien elektronien välillä. Ilmeisesti mitä suurempi ytimen varaus ja mitä pienempi atomin säde on, sitä vahvempi elektronin vetovoima ytimeen ja sitä suurempi ionisaatiopotentiaali.

Saman ajanjakson alkuaineilla, siirtyessä alkalimetallista inerttiin kaasuun, ydinvaraus kasvaa vähitellen ja atomin säde pienenee. Seurauksena on ionisaatiopotentiaalin asteittainen kasvu ja metallisten ominaisuuksien heikkeneminen. Jalokaasuissa, vaikka niiden atomien säteet ovat suurempia kuin halogeeniatomien säteet samalla ajanjaksolla, ionisaatiopotentiaalit ovat suurempia kuin halogeeneilla. Tässä tapauksessa kolmas edellä mainituista tekijöistä - elektronien välinen vuorovaikutus - vaikuttaa voimakkaasti, minkä seurauksena inertin kaasuatomin ulkoinen elektronikuori on erityisen energiastabiili ja elektronin poistaminen siitä vaatii merkittävästi enemmän energiaa.

Elektronin kiinnittymiseen metalloidiatomiin, joka muuttaa sen elektronikuoren inertin kaasuatomin vakaaksi kuoreksi, liittyy energian vapautuminen. Tämän energian arvo, laskettuna 1 grammaa elementin atomia kohti, toimii mittana ns. elektronien affiniteetti. Mitä suurempi elektronien affiniteetti on, sitä helpommin atomi kiinnittää elektronin. Metalliatomien elektroniaffiniteetti on nolla - metalliatomit eivät pysty kiinnittämään elektroneja. Metalloidiatomien elektroniaffiniteetti on sitä suurempi, mitä lähempänä metalloidi on inerttiä kaasua jaksollisessa taulukossa. Siksi metalloidin ominaisuudet lisääntyvät jakson sisällä jakson loppua lähestyessä.

Jokapäiväisessä elämässä meidän ei tarvitse olla tekemisissä atomien kanssa. Ympäröivä maailma on rakennettu esineistä, jotka muodostuvat jättimäisestä määrästä atomeja kiinteiden aineiden, nesteiden ja kaasujen muodossa. Siksi seuraava askelemme olisi tutkia, kuinka atomit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa muodostaen molekyylejä ja sitten makroskooppista ainetta. Jopa ihmisen persoonallisuus (ja yleensä kaikkien elävien organismien käyttäytyminen) on seurausta geneettistä tietoa kuljettavien jättimäisten molekyylien rakenteiden eroista.

Molekyylit koostuvat identtisistä tai erilaisista atomeista, jotka on liitetty toisiinsa atomien välisillä kemiallisilla sidoksilla. Molekyylien stabiilius osoittaa, että kemialliset sidokset johtuvat vuorovaikutusvoimista, jotka sitovat atomeja molekyyliin.

Atomien väliset vuorovaikutusvoimat syntyvät atomien ulkoelektronien välillä. Näiden elektronien ionisaatiopotentiaalit ovat paljon alhaisemmat kuin sisäisillä energiatasoilla sijaitsevien elektronien ionisaatiopotentiaalit.

Kemiallisten yhdisteiden tiettyjen kaavojen löytäminen yksinkertaistuu huomattavasti, jos käytät alkuaineiden valenssin käsitettä, ts. sen atomien ominaisuus liittyä itseensä tai korvata tietty määrä toisen alkuaineen atomeja.

Valenssin käsite ei ulotu vain yksittäisiin atomeihin, vaan myös kokonaisiin atomiryhmiin, jotka ovat osa kemiallisia yhdisteitä ja osallistuvat kokonaisuutena kemiallisiin reaktioihin. Tällaisia ​​atomiryhmiä kutsutaan radikaaleja.

Aineen molekyylien kemiallisten sidosten fysikaalinen perusta. Molekyylien atomien välisiä sidoksia määrittävien voimien luonne jäi kuitenkin tuntemattomaksi pitkään. Vasta atomin rakenneopin kehittyessä ilmaantui teorioita, jotka selittivät alkuaineiden erilaisen valenssin ja elektronisiin käsitteisiin perustuvien kemiallisten yhdisteiden muodostumismekanismin. Kaikki nämä teoriat perustuvat kemiallisten ja sähköisten ilmiöiden väliseen yhteyden olemassaoloon.

Tarkastellaanpa ensin aineiden suhdetta sähkövirtaan.

Jotkut aineet ovat sähkövirran johtimia, sekä kiinteitä että nestemäisiä: näitä ovat esimerkiksi kaikki metallit. Muut aineet eivät johda virtaa kiinteässä olomuodossa, mutta ovat sähköä johtavia sulana. Näitä ovat suurin osa suoloista sekä monet oksidien oksidit ja hydraatit. Lopuksi kolmannen ryhmän muodostavat aineet, jotka eivät johda virtaa kiinteässä tai nestemäisessä tilassa. Tämä sisältää lähes kaikki metalloidit.

Kokemus on osoittanut, että metallien sähkönjohtavuus johtuu elektronien liikkeestä, ja sulan suolojen ja vastaavien yhdisteiden sähkönjohtavuus johtuu vastakkaisten varausten omaavien ionien liikkeestä. Esimerkiksi kun virta kulkee sulan ruokasuolan läpi, positiivisesti varautuneet natriumionit Na + siirtyvät katodille ja negatiivisesti varautuneet kloori-ionit Cl - siirtyvät anodille. On selvää, että suoloissa ionit ovat jo olemassa kiinteässä aineessa. Siksi tällaisia ​​yhdisteitä kutsutaan ioniset yhdisteet. Aineet, jotka eivät käytännössä johda virtaa, eivät sisällä ioneja: ne on rakennettu sähköisesti neutraaleista molekyyleistä tai atomeista. Siten aineiden erilainen suhde sähkövirtaan on seurausta näitä aineita muodostavien hiukkasten erilaisesta sähkötilasta.

Edellä mainitut ainetyypit vastaavat kahta eri tyyppistä kemiallista sidosta:

a) ionisidos, jota kutsutaan muuten elektrovalenttiseksi (ioniyhdisteiden vastakkaisesti varautuneiden ionien välillä);

b) atomi- tai kovalenttinen sidos (kaikkien muiden aineiden molekyylien sähköisesti neutraalien atomien välillä).

Ionisidos Tämän tyyppinen sidos esiintyy vastakkaisesti varautuneiden ionien välillä ja muodostuu ionien yksinkertaisen sähköstaattisen vetovoiman seurauksena.

Positiiviset ionit muodostuvat poistamalla elektroneja atomeista, negatiiviset ionit muodostuvat lisäämällä elektroneja atomeihin.

Esimerkiksi positiivinen ioni Na + muodostuu, kun yksi elektroni poistetaan natriumatomista. Koska natriumatomin ulkokerroksessa on vain yksi elektroni, on luonnollista olettaa, että juuri tämä elektroni, joka on kauimpana ytimestä, irtoaa natriumatomista, kun se muuttuu ioniksi. Samalla tavalla saadaan magnesium-ioneja Mg 2+ ja alumiini A1 3+ kahden ja kolmen ulomman elektronin abstrahoitumisen seurauksena magnesium- ja alumiiniatomeista, vastaavasti.

Sitä vastoin negatiivisia rikki- ja kloori-ioneja muodostuu lisäämällä elektroneja näihin atomeihin. Koska kloori- ja rikkiatomien sisäiset elektronikerrokset ovat täytettyinä, S2- ja Cl-ioneissa lisäelektroneja piti ilmeisesti sijoittua ulkokerrokseen.

Vertaamalla Na +, Mg 2+, A1 3+ -ionien elektronisten kuorien koostumusta ja rakennetta, näemme, että kaikilla näillä ioneilla on samat - samat kuin inertin kaasun neonin (Ne) atomeilla.

Samaan aikaan S2- ja Cl-ionit – , muodostuu elektronien lisäämisen seurauksena rikki- ja klooriatomeihin, ja niillä on samat elektroniset kuoret kuin argon- (Ar)-atomeilla.

Näin ollen tarkasteluissa tapauksissa, kun atomit muuttuvat ioneiksi, ionien elektronikuoret muuttuvat samanlaisiksi kuin niitä lähinnä jaksollisessa taulukossa sijaitsevien inerttien kaasujen atomien kuoret.

Nykyaikainen kemiallisen sidoksen teoria selittää

V. YLEISET SUOSITUKSET OPISKELIJAILLE ITSENÄISTÄ ​​TYÖN JÄRJESTÄMISTÄ

V. Tiedonhallinnan järjestämisen piirteet tietyntyyppisten opiskelijoiden akateemisen työn osalta

Yleisimmässä muodossaan aine on ääretön joukko kaikkia maailmassa rinnakkain olemassa olevia esineitä ja järjestelmiä, niiden ominaisuuksien, yhteyksien, suhteiden ja liikemuotojen kokonaisuus. Lisäksi se ei sisällä vain kaikkia suoraan havaittavia luonnon esineitä ja kappaleita, vaan myös kaikkea, mitä meille ei aistimuksissa ole annettu. Koko maailma ympärillämme liikuttaa ainetta sen äärettömän vaihtelevissa muodoissaan ja ilmenemismuotoineen kaikkine ominaisuuksineen, yhteyksineen ja suhteineen. Tässä maailmassa kaikilla esineillä on sisäinen järjestys ja systeeminen organisaatio. Järjestys ilmenee aineen kaikkien elementtien säännöllisessä liikkeessä ja vuorovaikutuksessa, minkä ansiosta ne yhdistetään järjestelmiksi. Koko maailma siis näyttää hierarkkisesti järjestetyltä järjestelmäjoukolta, jossa mikä tahansa esine on samanaikaisesti itsenäinen järjestelmä ja toisen, monimutkaisemman järjestelmän elementti.

Nykyaikaisen luonnontieteellisen maailmankuvan mukaan kaikki luonnonkohteet ovat myös järjestettyjä, jäsenneltyjä, hierarkkisesti järjestettyjä järjestelmiä. Luonnon systemaattisen lähestymistavan perusteella kaikki aine on jaettu kahteen suureen materiaalijärjestelmien luokkaan - elottomaan ja elävään luontoon. Järjestelmässä eloton luonto Rakenneelementtejä ovat: alkuainehiukkaset, atomit, molekyylit, kentät, makroskooppiset kappaleet, planeetat ja planeettajärjestelmät, tähdet ja tähtijärjestelmät, galaksit, metagalaksit ja koko maailmankaikkeus. Vastaavasti sisään villieläimiä pääelementtejä ovat proteiinit ja nukleiinihapot, solut, yksi- ja monisoluiset organismit, elimet ja kudokset, populaatiot, biokenoosit, planeetan elävä aines.

Samaan aikaan sekä elottomassa että elävässä aineessa on useita toisiinsa liittyviä rakenteellisia tasoja. Rakenne on joukko yhteyksiä järjestelmän elementtien välillä. Siksi mikä tahansa järjestelmä ei koostu vain osajärjestelmistä ja elementeistä, vaan myös erilaisista niiden välisistä yhteyksistä. Näillä tasoilla tärkeimmät ovat -

On horisontaalisia (koordinaatio) yhteyksiä ja tasojen välillä pystysuoria (alistus) yhteyksiä. Vaaka- ja pystysuuntaisten yhteyksien yhdistelmä mahdollistaa universumin hierarkkisen rakenteen luomisen, jossa pääasiallinen ominaisuus on kohteen koko ja massa sekä niiden suhde ihmiseen. Tämän kriteerin perusteella erotetaan seuraavat ainetasot: mikromaailma, makromaailma ja megamaailma.

Mikromaailma- äärimmäisen pienten, suoraan havaitsemattomien materiaalimikroobjektien alue, jonka avaruudellinen ulottuvuus on laskettu alueelle 10 -8 - 10 -16 cm ja elinikä - äärettömyydestä 10 - 24 s. Tämä sisältää kentät, alkuainehiukkaset, ytimet, atomit ja molekyylit.

Macroworld - aineellisten esineiden maailma, joka on mittakaavaltaan oikeassa suhteessa henkilöön ja hänen fyysisiin parametreihinsa. Tällä tasolla spatiaaliset suuret ilmaistaan ​​millimetreinä, senttimetreinä, metreinä ja kilometreinä ja aika - sekunteina, minuutteina, tunteina, päivinä ja vuosina. Käytännössä makromaailmaa edustavat makromolekyylit, eri aggregaatiotilassa olevat aineet, elävät organismit, ihmiset ja heidän toimintansa tuotteet, ts. makroelimiä.

Megamaailma - valtavien kosmisten mittakaavojen ja nopeuksien pallo, jonka etäisyys mitataan tähtitieteellisissä yksiköissä, valovuosissa ja parsekeissa ja avaruusobjektien elinikä miljoonissa ja miljardeissa vuosissa. Tämä ainetaso sisältää suurimmat materiaaliset esineet: tähdet, galaksit ja niiden joukot.

Jokaisella näistä tasoista on omat erityiset lakinsa, jotka ovat toisilleen redusoitumattomia. Vaikka kaikki nämä kolme maailman aluetta liittyvät läheisesti toisiinsa.

Megamaailman rakenne

Megamaailman päärakenneosat ovat planeetat ja planeettajärjestelmät; tähdet ja tähtijärjestelmät, jotka muodostavat galakseja; galaksijärjestelmät, jotka muodostavat metagalakseja.

Planeetat- ei-itsevalaistuvat taivaankappaleet, jotka ovat muodoltaan lähellä palloa, pyörivät tähtien ympärillä ja heijastavat niiden valoa. Maapallon läheisyydestä johtuen aurinkokunnan tutkituimmat planeetat ovat ne, jotka liikkuvat Auringon ympäri elliptisellä kiertoradalla. Maapallomme, joka sijaitsee Auringosta 150 miljoonan kilometrin etäisyydellä, kuuluu myös tähän planeettaryhmään.

Tähdet- valovoimaiset (kaasu)avaruuskohteet, jotka muodostuvat kaasu-pölyympäristöstä (pääasiassa vedystä ja heliumista) gravitaatiotiivistymisen seurauksena. Tähdet poistettu

toisistaan ​​valtavien etäisyyksien päässä ja siten eristettyinä toisistaan. Tämä tarkoittaa, että tähdet eivät käytännössä törmää toisiinsa, vaikka jokaisen liikkeen määrää galaksin kaikkien tähtien luoma gravitaatiovoima. Tähtien määrä galaksissa on noin biljoona. Useimmat niistä ovat kääpiöitä, joiden massat ovat noin 10 kertaa pienemmät kuin Auringon massa. Tähdet kehittyvät massasta riippuen joko valkoisiksi kääpiöiksi, neutronitähdiksi tai mustiksi aukoksi.

valkoinen kääpiö on elektronin jälkitähti, joka muodostuu, kun evoluution viimeisessä vaiheessa olevan tähden massa on alle 1,2 auringon massaa. Valkoisen kääpiön halkaisija on yhtä suuri kuin maapallomme halkaisija, lämpötila saavuttaa noin miljardi astetta ja tiheys on 10 t/cm 3, ts. satoja kertoja suurempi kuin maan tiheys.

Neutronitähdet syntyvät 1,2–2 Auringon massaa olevien tähtien kehityksen viimeisessä vaiheessa. Korkeat lämpötilat ja paineet niissä luovat olosuhteet suuren määrän neutronien muodostumiselle. Tässä tapauksessa tapahtuu erittäin nopea tähden puristus, jonka aikana sen ulkokerroksissa alkavat nopeat ydinreaktiot. Tässä tapauksessa vapautuu niin paljon energiaa, että tapahtuu räjähdys, joka hajottaa tähden ulkokerroksen. Sen sisäiset alueet pienenevät nopeasti. Jäljelle jäävää kohdetta kutsutaan neutronitähdeksi, koska se koostuu protoneista ja neutroneista. Neutronitähtiä kutsutaan myös pulsareiksi.

Mustat aukot - Nämä ovat kehityksensä viimeisessä vaiheessa olevia tähtiä, joiden massa ylittää 2 auringon massaa ja joiden halkaisija on 10-20 km. Teoreettiset laskelmat osoittivat, että niillä on jättimäinen massa (10 15 g) ja epätavallisen voimakas gravitaatiokenttä. He saivat nimensä, koska heillä ei ole hehkua, ja painovoimakenttänsä ansiosta ne vangitsevat avaruudesta kaikki kosmiset kappaleet ja säteilyn, joka ei voi tulla ulos niistä takaisin, ne näyttävät putoavan niihin (vedettynä sisään, kuin reikään ). Voimakkaasta painovoimasta johtuen mikään vangittu materiaalikappale ei voi liikkua kohteen painovoimasäteen yli, ja siksi ne näyttävät havainnoijalle "mustilta".

Tähtijärjestelmät (tähtiklusterit)- painovoimavoimien yhdistämiä tähtiryhmiä, joilla on yhteinen alkuperä, samanlainen kemiallinen koostumus ja jotka sisältävät jopa satoja tuhansia yksittäisiä tähtiä. On olemassa hajallaan olevia tähtijärjestelmiä, kuten Plejadit Härän tähdistössä. Tällaisilla järjestelmillä ei ole oikeaa muotoa. Tällä hetkellä tunnetaan yli tuhat

tähtijärjestelmät. Lisäksi tähtijärjestelmiin kuuluu pallomaisia ​​tähtijoukkoja, jotka sisältävät satoja tuhansia tähtiä. Gravitaatiovoimat pitävät tähtiä tällaisissa ryhmissä miljardeja vuosia. Tällä hetkellä tiedemiehet tietävät noin 150 pallomaista klusteria.

Galaksit ovat tähtijoukkojen kokoelmia. "Galaksin" käsite tarkoittaa modernissa tulkinnassaan valtavia tähtijärjestelmiä. Tämä termi (kreikan sanasta "maito, maitomainen") luotiin viittaamaan tähtijärjestelmäämme, joka on maitomainen raita, joka ulottuu koko taivaan poikki ja jota siksi kutsutaan Linnunradaksi.

Perinteisesti galaksit voidaan jakaa ulkonäön perusteella kolmeen tyyppiin. TO ensimmäinen(noin 80 %) ovat spiraaligalakseja. Tässä lajissa ydin ja kierre "hihat" havaitaan selvästi. Toinen tyyppi(noin 17 %) sisältää elliptiset galaksit, ts. ne, joilla on ellipsin muoto. TO kolmas tyyppi(noin 3 %) ovat epäsäännöllisen muotoisia galakseja, joilla ei ole selkeästi määriteltyä ydintä. Lisäksi galaksit eroavat koon, niiden sisältämien tähtien lukumäärän ja valoisuuden suhteen. Kaikki galaksit ovat liiketilassa ja niiden välinen etäisyys kasvaa jatkuvasti, ts. on olemassa keskinäinen galaksien siirtyminen pois (sironta) toisistaan.

Aurinkokuntamme kuuluu Linnunradan galaksiin, joka sisältää vähintään 100 miljardia tähteä ja kuuluu siksi jättiläisgalaksien luokkaan. Sillä on litistetty muoto, jonka keskellä on ydin, jossa on siitä ulottuvat kierre "hihat". Galaksimme halkaisija on noin 100 tuhatta ja paksuus 10 tuhatta valovuotta. Naapurigalaksimme on Andromeda-sumu.

Metagalaksi on galaksijärjestelmä, joka sisältää kaikki tunnetut kosmiset kohteet.

Koska megamaailma käsittelee suuria etäisyyksiä, seuraavat erikoisyksiköt on kehitetty mittaamaan näitä etäisyyksiä:

1) valovuosi - matka, jonka valonsäde kulkee vuoden aikana nopeudella 300 000 km/s, ts. valovuosi on 10 biljoonaa kilometriä;

2) tähtitieteellisellä yksiköllä on keskimääräinen etäisyys Maan ja Auringon välillä, 1 AU. vastaa 8,3 valominuuttia. Tämä tarkoittaa, että auringonsäteet saavuttavat Maan 8,3 minuutissa, kun auringonsäteet ovat lähteneet Auringosta;

3) parsek - tähtijärjestelmien sisällä ja niiden välillä olevien kosmisten etäisyyksien mittayksikkö. 1 kpl - 206 265 au, so. noin 30 biljoonaa kilometriä eli 3,3 valovuotta.