Ilmu-ilmu alam, setelah memulai studi tentang dunia material dengan objek-objek material paling sederhana yang langsung dirasakan oleh manusia, beralih ke studi tentang objek-objek paling kompleks dari struktur materi yang dalam, di luar batas persepsi manusia dan tidak dapat dibandingkan dengan objek-objek alam. pengalaman sehari-hari. Dengan menggunakan pendekatan sistem, ilmu pengetahuan alam tidak hanya mengidentifikasi jenis sistem material, namun mengungkapkan hubungan dan hubungan mereka.
Dalam sains, ada tiga tingkatan struktur materi:
Microworld (partikel unsur, inti, atom, molekul) adalah dunia objek mikro yang sangat kecil dan tidak dapat diamati secara langsung, yang keragaman spasialnya dihitung dari sepuluh hingga minus pangkat delapan hingga sepuluh hingga minus pangkat enam belas cm, dan mereka seumur hidup adalah dari tak terhingga hingga sepuluh hingga minus dua puluh empat derajat detik.
Dunia makro (makromolekul, organisme hidup, manusia, objek teknis, dll.) adalah dunia objek makro, yang dimensinya sebanding dengan skala pengalaman manusia: kuantitas spasial dinyatakan dalam milimeter, sentimeter, dan kilometer, dan waktu - dalam hitungan detik, menit, jam, tahun.
Megaworld (planet, bintang, galaksi) adalah dunia dengan skala dan kecepatan kosmik yang sangat besar, jaraknya diukur dalam tahun cahaya, dan umur benda luar angkasa diukur dalam jutaan dan milyaran tahun.
Meskipun level-level ini memiliki hukum spesifiknya masing-masing, dunia mikro, makro, dan mega saling berhubungan erat. Konstanta fundamental dunia menentukan skala struktur hierarki materi di dunia kita. Jelas bahwa perubahan yang relatif kecil di dalamnya akan mengarah pada pembentukan dunia yang berbeda secara kualitatif, di mana pembentukan struktur mikro, makro dan mega yang ada saat ini dan, secara umum, bentuk-bentuk materi hidup yang sangat terorganisir menjadi tidak mungkin. Makna tertentu dan hubungan di antara mereka, pada dasarnya, menjamin stabilitas struktural Alam Semesta kita. Oleh karena itu, masalah konstanta dunia yang tampaknya abstrak mempunyai signifikansi ideologis global.
Urusan
Materi adalah kumpulan tak terbatas dari semua objek dan sistem yang ada di dunia, substrat dari segala sifat, koneksi, hubungan, dan bentuk pergerakan. Materi tidak hanya mencakup semua benda dan benda alam yang dapat diamati secara langsung, tetapi juga semua benda yang, pada prinsipnya, dapat diketahui di masa depan berdasarkan peningkatan sarana observasi dan eksperimen. Dasar gagasan tentang struktur dunia material adalah pendekatan sistem, yang menurutnya objek apa pun di dunia material, baik itu atom, planet, organisme, atau galaksi, dapat dianggap sebagai suatu formasi kompleks, termasuk bagian-bagian komponen yang diorganisasikan menjadi integritas. Untuk menunjukkan keutuhan suatu benda dalam ilmu pengetahuan dikembangkan konsep sistem.
Materi sebagai realitas objektif tidak hanya mencakup materi dalam empat keadaan agregasinya (padat, cair, gas, plasma), tetapi juga medan fisik (elektromagnetik, gravitasi, nuklir, dll.), serta sifat, hubungan, produk interaksinya. . Ini juga mencakup antimateri (seperangkat antipartikel: positron, atau antielektron, antiproton, antineutron), yang baru-baru ini ditemukan oleh sains. Antimateri sama sekali bukan antimateri. Antimateri tidak mungkin ada sama sekali. Gerakan dan materi saling terkait satu sama lain secara organik dan tidak dapat dipisahkan: tidak ada gerakan tanpa materi, sama seperti tidak ada materi tanpa gerakan. Dengan kata lain, tidak ada benda, sifat, dan hubungan yang tidak berubah di dunia ini. Beberapa bentuk atau tipe digantikan oleh yang lain, diubah menjadi yang lain - gerakannya konstan. Perdamaian adalah momen yang menghilang secara dialektis dalam proses perubahan dan pembentukan yang berkelanjutan. Kedamaian mutlak sama saja dengan kematian, atau lebih tepatnya, ketiadaan. Baik gerak maupun diam pasti tetap hanya dalam kaitannya dengan suatu kerangka acuan.
Materi yang bergerak ada dalam dua bentuk utama - dalam ruang dan waktu. Konsep ruang berfungsi untuk mengungkapkan sifat-sifat perluasan dan tatanan koeksistensi sistem material dan keadaannya. Hal ini objektif, universal dan perlu. Konsep waktu menetapkan durasi dan urutan perubahan keadaan sistem material. Waktu bersifat obyektif, tidak dapat dihindari, dan tidak dapat diubah.
Pendiri pandangan materi yang terdiri dari partikel-partikel diskrit adalah Democritus. Democritus menyangkal pembagian materi yang tidak terbatas. Atom-atom berbeda satu sama lain hanya dalam bentuk, urutan suksesi timbal balik, dan posisinya dalam ruang kosong, serta dalam ukuran dan gravitasi, yang bergantung pada ukurannya. Mereka memiliki bentuk yang sangat bervariasi dengan cekungan atau tonjolan. Dalam ilmu pengetahuan modern terdapat banyak perdebatan mengenai apakah atom Democritus merupakan benda fisik atau geometris, namun Democritus sendiri belum sampai pada perbedaan antara fisika dan geometri. Dari atom-atom yang bergerak ke arah yang berbeda-beda, dari “pusarannya”, karena kebutuhan alami, melalui penggabungan atom-atom yang saling serupa, baik keseluruhan tubuh maupun seluruh dunia terbentuk; pergerakan atom bersifat abadi, dan jumlah dunia yang muncul tidak terbatas. Dunia realitas objektif yang dapat diakses manusia terus berkembang. Bentuk konseptual untuk mengungkapkan gagasan tentang tingkat struktural materi bermacam-macam. Ilmu pengetahuan modern mengidentifikasi tiga tingkat struktural di dunia.
Tingkat struktural organisasi materiDunia mikro adalah molekul, atom, partikel elementer - dunia objek mikro yang sangat kecil dan tidak dapat diamati secara langsung, keragaman spasialnya dihitung dari 10-8 hingga 10-16 cm, dan masa hidupnya dari tak terhingga hingga 10-24 S. Dunia makro adalah dunia dengan bentuk dan kuantitas stabil yang sepadan dengan manusia, serta kompleks kristal molekul, organisme, komunitas organisme; dunia objek makro, yang dimensinya sebanding dengan skala pengalaman manusia: besaran spasial dinyatakan dalam milimeter, sentimeter dan kilometer, dan waktu - dalam detik, menit, jam, tahun.
Megaworld adalah planet, kompleks bintang, galaksi, metagalaksi - dunia dengan skala dan kecepatan kosmik yang sangat besar, jaraknya diukur dalam tahun cahaya, dan umur benda luar angkasa diukur dalam jutaan dan miliaran tahun.
Meskipun level-level ini memiliki hukum spesifiknya masing-masing, dunia mikro, makro, dan mega saling berhubungan erat.
Jelaslah bahwa batas-batas mikro dan makrokosmos bersifat mobile, dan tidak ada mikrokosmos dan makrokosmos yang terpisah. Secara alami, objek makro dan objek besar dibangun dari objek mikro, dan fenomena makro dan mega didasarkan pada fenomena mikro. Hal ini terlihat jelas pada contoh konstruksi Alam Semesta dari interaksi partikel-partikel elementer dalam kerangka mikrofisika kosmik. Faktanya, kita harus memahami bahwa kita hanya berbicara tentang berbagai tingkat pertimbangan materi. Benda-benda berukuran mikro, makro, dan mega berkorelasi satu sama lain sebagai makro/mikro - mega/makro.
Dalam fisika klasik tidak ada kriteria obyektif untuk membedakan objek makro dari objek mikro. Perbedaan ini diperkenalkan oleh M. Planck: jika untuk objek yang dipertimbangkan dampak minimalnya dapat diabaikan, maka ini adalah objek makro, jika tidak memungkinkan, ini adalah objek mikro. Proton dan neutron membentuk inti atom. Atom bergabung membentuk molekul. Jika kita melangkah lebih jauh dalam skala ukuran tubuh, maka yang berikut ini adalah benda makro biasa, planet dan sistemnya, bintang, gugus galaksi dan metagalaksi, yaitu, kita dapat membayangkan transisi dari mikro, makro, dan mega-keduanya menjadi ukuran dan model proses fisik.
dunia mikroDemocritus pada zaman dahulu mengajukan hipotesis atomistik tentang struktur materi, kemudian pada abad ke-18. dihidupkan kembali oleh ahli kimia J. Dalton, yang menganggap berat atom hidrogen sebagai satu kesatuan dan membandingkan berat atom gas lain dengan berat atom tersebut. Berkat karya J. Dalton, sifat fisik dan kimia atom mulai dipelajari. Pada abad ke-19 D.I. Mendeleev membangun sistem unsur kimia berdasarkan berat atomnya. Sejarah penelitian struktur atom dimulai pada tahun 1895 berkat penemuan elektron oleh J. Thomson, partikel bermuatan negatif yang merupakan bagian dari semua atom. Karena elektron mempunyai muatan negatif, dan atom secara keseluruhan netral secara listrik, diasumsikan bahwa selain elektron terdapat partikel bermuatan positif. Massa elektron dihitung 1/1836 massa partikel bermuatan positif.
Inti mempunyai muatan positif dan elektron mempunyai muatan negatif. Alih-alih gaya gravitasi yang bekerja di tata surya, gaya listrik bekerja di dalam atom. Muatan listrik inti atom, yang secara numerik sama dengan nomor seri dalam sistem periodik Mendeleev, diimbangi dengan jumlah muatan elektron - atom tersebut netral secara listrik. Kedua model ini ternyata bertolak belakang.
Pada tahun 1913, fisikawan besar Denmark N. Bohr menerapkan prinsip kuantisasi untuk memecahkan masalah struktur atom dan karakteristik spektrum atom. Model atom N. Bohr didasarkan pada model planet E. Rutherford dan teori kuantum struktur atom yang dikembangkan olehnya. N. Bohr mengajukan hipotesis tentang struktur atom, berdasarkan dua postulat yang sama sekali tidak sesuai dengan fisika klasik:
1) di setiap atom terdapat beberapa keadaan stasioner (dalam bahasa model planet, beberapa orbit stasioner) elektron, yang bergerak di mana sebuah elektron dapat eksis tanpa memancarkan;
2) ketika elektron berpindah dari satu keadaan diam ke keadaan diam lainnya, atom memancarkan atau menyerap sebagian energi.
Pada akhirnya, pada dasarnya tidak mungkin untuk menggambarkan secara akurat struktur atom berdasarkan gagasan tentang orbit elektron titik, karena orbit tersebut sebenarnya tidak ada. Teori N. Bohr seolah-olah mewakili batas tahap pertama perkembangan fisika modern. Ini merupakan upaya terbaru untuk mendeskripsikan struktur atom berdasarkan fisika klasik, dilengkapi dengan sejumlah kecil asumsi baru.
Tampaknya postulat N. Bohr mencerminkan beberapa sifat materi yang baru dan tidak diketahui, tetapi hanya sebagian. Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan tersebut diperoleh sebagai hasil perkembangan mekanika kuantum. Ternyata model atom N. Bohr tidak boleh diartikan secara harfiah, seperti pada awalnya. Proses-proses dalam atom pada prinsipnya tidak dapat direpresentasikan secara visual dalam bentuk model mekanis dengan analogi peristiwa-peristiwa di makrokosmos. Bahkan konsep ruang dan waktu dalam bentuk yang ada di dunia makro ternyata tidak cocok untuk menggambarkan fenomena mikrofisika. Atom para fisikawan teoretis semakin menjadi suatu kumpulan persamaan yang abstrak dan tidak dapat diobservasi.
dunia makroDalam sejarah studi tentang alam, dua tahap dapat dibedakan: pra-ilmiah dan ilmiah. Pra-ilmiah, atau filsafat alam, mencakup periode dari zaman kuno hingga terbentuknya ilmu pengetahuan alam eksperimental pada abad 16-17. Fenomena alam yang diamati dijelaskan berdasarkan prinsip filosofis spekulatif. Yang paling penting bagi perkembangan ilmu pengetahuan alam selanjutnya adalah konsep struktur diskrit materi, atomisme, yang menurutnya semua benda terdiri dari atom - partikel terkecil di dunia.
Tahapan ilmiah mempelajari alam diawali dengan terbentuknya mekanika klasik. Karena gagasan ilmiah modern tentang tingkat struktural organisasi materi dikembangkan dalam proses pemikiran ulang kritis terhadap gagasan sains klasik, yang hanya berlaku untuk objek tingkat makro, kita perlu mulai dengan konsep fisika klasik.
Pembentukan pandangan ilmiah tentang struktur materi dimulai pada abad ke-16, ketika G. Galileo meletakkan dasar bagi gambaran fisik dunia pertama dalam sejarah sains - gambaran mekanis. Dia menemukan hukum inersia, dan mengembangkan metodologi untuk cara baru menggambarkan alam - ilmiah-teoretis. Esensinya adalah hanya ciri-ciri fisik dan geometri tertentu yang teridentifikasi dan menjadi bahan penelitian ilmiah.
I. Newton, dengan mengandalkan karya Galileo, mengembangkan teori mekanika ilmiah yang ketat, yang menggambarkan pergerakan benda langit dan pergerakan benda-benda bumi menurut hukum yang sama. Alam dipandang sebagai sistem mekanis yang kompleks. Dalam kerangka gambaran mekanis dunia yang dikembangkan oleh I. Newton dan para pengikutnya, muncullah model realitas diskrit (sel darah). Materi dianggap sebagai zat material yang terdiri dari partikel individu - atom atau sel darah. Atom sangatlah kuat, tidak dapat dibagi, tidak dapat ditembus, dan dicirikan oleh adanya massa dan berat.
Karakteristik penting dunia Newton adalah ruang tiga dimensi geometri Euclidean, yang mutlak konstan dan selalu diam. Waktu disajikan sebagai kuantitas yang tidak bergantung pada ruang atau materi. Gerakan dianggap sebagai gerakan dalam ruang sepanjang lintasan yang terus menerus sesuai dengan hukum mekanika. Hasil dari gambaran Newton tentang dunia adalah gambaran Alam Semesta sebagai mekanisme yang sangat besar dan ditentukan sepenuhnya, di mana peristiwa dan proses merupakan rangkaian sebab dan akibat yang saling bergantung.
Pendekatan mekanistik dalam mendeskripsikan alam telah terbukti sangat bermanfaat. Mengikuti mekanika Newton, hidrodinamika, teori elastisitas, teori mekanik panas, teori kinetik molekuler dan sejumlah teori lainnya diciptakan, yang sejalan dengan itu fisika telah mencapai kesuksesan besar. Namun, ada dua bidang - fenomena optik dan elektromagnetik yang tidak dapat dijelaskan sepenuhnya dalam kerangka gambaran mekanistik dunia.
Seiring dengan teori sel mekanik, upaya dilakukan untuk menjelaskan fenomena optik dengan cara yang berbeda secara mendasar, yaitu berdasarkan teori gelombang. Teori gelombang membuat analogi antara perambatan cahaya dan pergerakan gelombang di permukaan air atau gelombang suara di udara. Ini mengasumsikan adanya media elastis yang mengisi seluruh ruang - eter bercahaya. Berdasarkan teori gelombang X. Huygens berhasil menjelaskan pemantulan dan pembiasan cahaya.
Bidang fisika lain di mana model mekanis terbukti tidak memadai adalah bidang fenomena elektromagnetik. Eksperimen naturalis Inggris M. Faraday dan karya teoretis fisikawan Inggris J. C. Maxwell akhirnya menghancurkan gagasan fisika Newton tentang materi diskrit sebagai satu-satunya jenis materi dan meletakkan dasar bagi gambaran elektromagnetik dunia. Fenomena elektromagnetisme ditemukan oleh naturalis Denmark H.K. Oersted, yang pertama kali memperhatikan efek magnetis arus listrik. Melanjutkan penelitian ke arah ini, M. Faraday menemukan bahwa perubahan sementara medan magnet menimbulkan arus listrik.
M. Faraday sampai pada kesimpulan bahwa ilmu kelistrikan dan optik saling berhubungan dan membentuk satu bidang. Maxwell "menerjemahkan" model garis medan Faraday ke dalam rumus matematika. Konsep "medan gaya" pada awalnya dikembangkan sebagai konsep matematika tambahan. J.C. Maxwell memberinya makna fisik dan mulai menganggap medan sebagai realitas fisik independen: “Medan elektromagnetik adalah bagian ruang yang berisi dan mengelilingi benda-benda yang berada dalam keadaan listrik atau magnet.”
Dari penelitiannya, Maxwell mampu menyimpulkan bahwa gelombang cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Esensi tunggal cahaya dan listrik, yang dikemukakan M. Faraday pada tahun 1845, dan J.K. Maxwell secara teoritis membuktikannya pada tahun 1862, dan secara eksperimental dikonfirmasi oleh fisikawan Jerman G. Hertz pada tahun 1888. Setelah eksperimen G. Hertz, konsep medan akhirnya ditetapkan dalam fisika bukan sebagai konstruksi matematika tambahan, tetapi sebagai konstruksi fisik yang ada secara objektif. realitas. Jenis materi yang secara kualitatif baru dan unik telah ditemukan. Jadi, pada akhir abad ke-19. Fisika telah sampai pada kesimpulan bahwa materi ada dalam dua bentuk: materi diskrit dan medan kontinu. Sebagai hasil dari penemuan revolusioner berikutnya dalam fisika pada akhir abad terakhir dan awal abad ini, gagasan fisika klasik tentang materi dan medan sebagai dua jenis materi yang secara kualitatif unik dihancurkan.
Dunia MegaIlmu pengetahuan modern memandang megaworld atau ruang angkasa sebagai sistem semua benda langit yang berinteraksi dan berkembang. Semua galaksi yang ada termasuk dalam sistem tingkat tertinggi - Metagalaxy. Dimensi Metagalaxy sangat besar: radius cakrawala kosmologis adalah 15 - 20 miliar tahun cahaya. Konsep “Alam Semesta” dan “Metagalaxy” adalah konsep yang sangat mirip: keduanya mencirikan objek yang sama, tetapi dalam aspek yang berbeda. Konsep "Alam Semesta" berarti seluruh dunia material yang ada; konsep "Metagalaxy" adalah dunia yang sama, tetapi dari sudut pandang strukturnya - sebagai sistem galaksi yang teratur. Struktur dan evolusi Alam Semesta dipelajari oleh kosmologi. Kosmologi sebagai cabang ilmu pengetahuan alam terletak pada persimpangan unik antara ilmu pengetahuan, agama dan filsafat. Model kosmologis Alam Semesta didasarkan pada premis ideologis tertentu, dan model ini sendiri mempunyai makna ideologis yang besar.
Dalam ilmu pengetahuan klasik, ada yang disebut teori keadaan alam semesta yang stabil, yang menyatakan bahwa alam semesta selalu hampir sama seperti sekarang. Astronomi bersifat statis: pergerakan planet dan komet dipelajari, bintang-bintang dideskripsikan, klasifikasinya dibuat, yang tentu saja sangat penting. Namun pertanyaan tentang evolusi Alam Semesta tidak diangkat. Model kosmologi modern Alam Semesta didasarkan pada teori relativitas umum A. Einstein, yang menyatakan bahwa metrik ruang dan waktu ditentukan oleh distribusi massa gravitasi di Alam Semesta. Sifat-sifatnya secara keseluruhan ditentukan oleh kepadatan rata-rata materi dan faktor fisik spesifik lainnya.
Persamaan gravitasi Einstein tidak hanya memiliki satu, tetapi banyak solusi, yang menjelaskan keberadaan banyak model kosmologis Alam Semesta. Model pertama dikembangkan oleh A. Einstein sendiri pada tahun 1917. Ia menolak postulat kosmologi Newton tentang kemutlakan dan ketidakterbatasan ruang dan waktu. Sesuai dengan model kosmologis Alam Semesta A. Einstein, ruang dunia adalah homogen dan isotropik, materi rata-rata terdistribusi secara merata di dalamnya, dan tarikan gravitasi massa dikompensasi oleh tolakan kosmologis universal. Keberadaan Alam Semesta tidak terbatas, yaitu. tidak memiliki awal atau akhir, dan ruang tidak terbatas, tetapi terbatas.
Alam semesta dalam model kosmologis A. Einstein adalah stasioner, tak terbatas dalam waktu, dan tak terbatas dalam ruang. Pada tahun 1922 Matematikawan dan ahli geofisika Rusia A. A Friedman menolak postulat kosmologi klasik tentang stasioneritas Alam Semesta dan memperoleh solusi persamaan Einstein, yang menggambarkan Alam Semesta dengan ruang yang “memuai”. Karena kepadatan rata-rata materi di Alam Semesta tidak diketahui, saat ini kita tidak tahu di ruang mana di Alam Semesta kita tinggal.
Pada tahun 1927, kepala biara dan ilmuwan Belgia J. Lemaitre menghubungkan “ekspansi” ruang angkasa dengan data pengamatan astronomi. Lemaitre memperkenalkan konsep permulaan Alam Semesta sebagai singularitas (yaitu keadaan superpadat) dan kelahiran Alam Semesta sebagai Big Bang. Perluasan Alam Semesta dianggap sebagai fakta yang terbukti secara ilmiah. Menurut perhitungan teoretis J. Lemaître, jari-jari Alam Semesta pada keadaan aslinya adalah 10-12 cm, yang ukurannya mendekati jari-jari elektron, dan massa jenisnya adalah 1096 g/cm 3 . Dalam keadaan tunggal, Alam Semesta merupakan objek mikro dengan ukuran yang dapat diabaikan. Dari keadaan awal tunggal, Alam Semesta berpindah ke perluasan akibat Big Bang.
Perhitungan retrospektif menentukan usia alam semesta pada 13-20 miliar tahun. Dalam kosmologi modern, untuk lebih jelasnya, tahap awal evolusi Alam Semesta dibagi menjadi “era”.
Era hadron. Partikel berat yang masuk ke dalam interaksi kuat.
Era lepton. Partikel cahaya memasuki interaksi elektromagnetik.
Era foton. Durasi 1 juta tahun. Sebagian besar massa - energi Semesta - berasal dari foton.
Era bintang. Terjadi 1 juta tahun setelah kelahiran Alam Semesta. Pada era bintang, proses pembentukan protobintang dan protogalaksi dimulai. Kemudian gambaran megah terbentuknya struktur Metagalaxy terungkap.
Dalam kosmologi modern, bersama dengan hipotesis Big Bang, model inflasi Alam Semesta, yang mempertimbangkan penciptaan Alam Semesta, sangat populer. Para pendukung model inflasi melihat korespondensi antara tahapan evolusi kosmik dan tahapan penciptaan dunia yang dijelaskan dalam kitab Kejadian di dalam Alkitab. Sesuai dengan hipotesis inflasi, evolusi kosmik di alam semesta awal melewati beberapa tahap.
Tahap inflasi. Sebagai akibat dari lompatan kuantum, Alam Semesta memasuki keadaan vakum tereksitasi dan, tanpa adanya materi dan radiasi di dalamnya, alam semesta mengembang secara intensif menurut hukum eksponensial. Selama periode ini, ruang dan waktu Alam Semesta itu sendiri tercipta. Alam semesta mengembang dari ukuran kuantum yang sangat kecil yaitu 10-33 menjadi 1.010.000 cm yang sangat besar, yang jauh lebih besar dari ukuran alam semesta yang dapat diamati - 1.028 cm. Selama seluruh periode awal ini, tidak ada materi maupun radiasi di dalamnya alam semesta. Transisi dari tahap inflasi ke tahap foton. Keadaan vakum palsu hancur, energi yang dilepaskan menuju kelahiran partikel-partikel berat dan antipartikel, yang, setelah dimusnahkan, memberikan kilatan radiasi (cahaya) yang kuat yang menerangi ruang angkasa.
Selanjutnya, perkembangan Alam Semesta bergerak dari keadaan homogen yang paling sederhana ke penciptaan struktur yang semakin kompleks - atom (awalnya atom hidrogen), galaksi, bintang, planet, sintesis unsur-unsur berat di perut bintang, termasuk yang diperlukan untuk penciptaan kehidupan, munculnya kehidupan dan sebagai mahkota penciptaan - manusia. Perbedaan tahapan evolusi Alam Semesta pada model inflasi dan model Big Bang hanya menyangkut tahap awal orde 10-30 detik, maka tidak ada perbedaan mendasar antara model-model tersebut dalam memahami tahapan evolusi kosmik. . Alam semesta pada berbagai tingkatan, dari partikel elementer konvensional hingga superkluster galaksi raksasa, dicirikan oleh struktur. Struktur alam semesta modern adalah hasil evolusi kosmik, di mana galaksi terbentuk dari protogalaksi, bintang dari protobintang, dan planet dari awan protoplanet.
Metagalaxy adalah kumpulan sistem bintang - galaksi, dan strukturnya ditentukan oleh distribusinya di ruang angkasa yang diisi dengan gas antargalaksi yang sangat langka dan ditembus oleh sinar antargalaksi. Menurut konsep modern, metagalaxy dicirikan oleh struktur seluler (mesh, berpori). Terdapat volume ruang yang sangat besar (sekitar satu juta megaparsec kubik) di mana galaksi belum ditemukan. Usia Metagalaxy dekat dengan usia Alam Semesta, karena pembentukan struktur terjadi pada periode setelah pemisahan materi dan radiasi. Menurut data modern, usia Metagalaxy diperkirakan mencapai 15 miliar tahun.
Galaksi adalah sistem raksasa yang terdiri dari gugusan bintang dan nebula, membentuk konfigurasi yang agak rumit di ruang angkasa. Berdasarkan bentuknya, galaksi secara konvensional dibagi menjadi tiga jenis: elips, spiral, dan tidak beraturan. Galaksi elips - memiliki bentuk spasial ellipsoid dengan berbagai tingkat kompresi; strukturnya paling sederhana: distribusi bintang berkurang secara seragam dari pusat. Galaksi spiral - disajikan dalam bentuk spiral, termasuk lengan spiral. Ini adalah jenis galaksi yang paling banyak jumlahnya, termasuk Galaksi kita - Bima Sakti. Galaksi tak beraturan tidak memiliki bentuk yang berbeda; mereka tidak memiliki inti pusat. Bintang-bintang tertua yang usianya mendekati usia galaksi terkonsentrasi di inti galaksi. Bintang paruh baya dan muda terletak di piringan galaksi. Bintang dan nebula di dalam galaksi bergerak dengan cara yang agak rumit, bersama dengan galaksi mereka ikut serta dalam perluasan alam semesta, selain itu juga ikut serta dalam rotasi galaksi pada porosnya.
Bintang. Pada tahap evolusi Alam Semesta saat ini, materi di dalamnya sebagian besar berada dalam bentuk bintang. 97% materi di Galaksi kita terkonsentrasi di bintang-bintang, yang merupakan formasi plasma raksasa dengan berbagai ukuran, suhu, dan karakteristik berbeda. gerak. Banyak, jika bukan sebagian besar, galaksi lain memiliki "materi bintang" yang menyumbang lebih dari 99,9% massanya. Usia bintang bervariasi dalam rentang nilai yang cukup luas: dari 15 miliar tahun, sesuai dengan usia Alam Semesta, hingga ratusan ribu - yang termuda. Kelahiran bintang terjadi di nebula gas-debu di bawah pengaruh gaya gravitasi, magnet, dan lainnya, yang menyebabkan terbentuknya homogenitas yang tidak stabil dan materi yang tersebar terpecah menjadi serangkaian kondensasi. Jika kondensasi tersebut bertahan cukup lama, lama kelamaan mereka akan berubah menjadi bintang. Pada tahap akhir evolusi, bintang berubah menjadi bintang inert (“mati”).
Bintang tidak berdiri sendiri, tetapi membentuk sistem. Sistem bintang paling sederhana - yang disebut sistem ganda - terdiri dari dua, tiga, empat, lima atau lebih bintang yang berputar mengelilingi pusat gravitasi yang sama. Bintang-bintang juga digabungkan menjadi kelompok yang lebih besar - gugus bintang, yang dapat memiliki struktur “tersebar” atau “bola”. Gugus bintang terbuka berjumlah beberapa ratus bintang, sedangkan gugus bola berjumlah ratusan ribu. Tata surya adalah sekelompok benda langit, yang sangat berbeda ukuran dan struktur fisiknya. Kelompok ini meliputi: Matahari, sembilan planet besar, puluhan satelit planet, ribuan planet kecil (asteroid), ratusan komet dan benda meteorit yang tak terhitung jumlahnya, bergerak baik dalam kawanan maupun dalam bentuk partikel individu.
Pada tahun 1979, 34 satelit dan 2000 asteroid telah diketahui. Semua benda ini digabungkan menjadi satu sistem karena gaya gravitasi benda pusat - Matahari. Tata surya merupakan sistem tertata yang memiliki hukum strukturalnya sendiri. Kesatuan tata surya diwujudkan dalam kenyataan bahwa semua planet berputar mengelilingi matahari dalam arah yang sama dan pada bidang yang hampir sama. Sebagian besar satelit planet berputar ke arah yang sama dan dalam banyak kasus berada pada bidang ekuator planetnya. Matahari, planet-planet, satelit-satelit planet-planet berputar pada sumbunya searah dengan pergerakannya sepanjang lintasannya. Struktur tata surya juga alami: setiap planet berikutnya berjarak kira-kira dua kali lebih jauh dari Matahari dibandingkan planet sebelumnya.
Tata surya terbentuk sekitar 5 miliar tahun yang lalu, dan Matahari merupakan bintang generasi kedua. Dengan demikian, Tata Surya muncul dari produk limbah bintang-bintang generasi sebelumnya, yang terakumulasi dalam awan gas dan debu. Keadaan ini memberi alasan untuk menyebut tata surya sebagai bagian kecil dari debu bintang. Pengetahuan ilmu pengetahuan tentang asal usul Tata Surya dan sejarah evolusinya kurang dari yang diperlukan untuk membangun teori pembentukan planet.
Konsep modern tentang asal usul planet-planet Tata Surya didasarkan pada kenyataan bahwa perlu memperhitungkan tidak hanya gaya mekanis, tetapi juga gaya lain, khususnya gaya elektromagnetik. Ide ini dikemukakan oleh fisikawan dan astrofisikawan Swedia H. Alfvén dan ahli astrofisika Inggris F. Hoyle. Menurut gagasan modern, awan gas asli tempat terbentuknya Matahari dan planet-planet terdiri dari gas terionisasi yang dipengaruhi oleh gaya elektromagnetik. Setelah Matahari terbentuk dari awan gas besar melalui konsentrasi, sebagian kecil dari awan ini tetap berada pada jarak yang sangat jauh darinya. Gaya gravitasi mulai menarik sisa gas ke bintang yang dihasilkan - Matahari, tetapi medan magnetnya menghentikan jatuhnya gas pada berbagai jarak - tepat di tempat planet berada. Gaya gravitasi dan magnet mempengaruhi konsentrasi dan kondensasi gas yang jatuh, dan sebagai hasilnya, terbentuklah planet. Ketika planet-planet terbesar muncul, proses yang sama diulangi pada skala yang lebih kecil, sehingga terciptalah sistem satelit.
Teori asal usul tata surya bersifat hipotetis, dan tidak mungkin menyelesaikan masalah keandalan teori tersebut pada tahap perkembangan ilmu pengetahuan saat ini. Semua teori yang ada memiliki kontradiksi dan area yang tidak jelas. Saat ini, di bidang fisika teoretis fundamental, sedang dikembangkan konsep-konsep yang menyatakan bahwa dunia yang ada secara objektif tidak terbatas pada dunia material yang dirasakan oleh indera atau instrumen fisik kita. Para penulis konsep-konsep ini sampai pada kesimpulan sebagai berikut: bersama dengan dunia material, terdapat realitas tatanan yang lebih tinggi, yang mempunyai sifat yang berbeda secara fundamental dibandingkan dengan realitas dunia material.
Orang sudah lama mencoba mencari penjelasan atas keragaman dan keanehan dunia. Studi tentang materi dan tingkat strukturalnya merupakan syarat yang diperlukan untuk pembentukan pandangan dunia, terlepas dari apakah pandangan dunia itu pada akhirnya berubah menjadi materialistis atau idealis. Sangat jelas terlihat bahwa peran mendefinisikan konsep materi, memahami konsep materi sebagai hal yang tidak ada habisnya untuk membangun gambaran ilmiah tentang dunia, memecahkan masalah realitas dan kemampuan mengetahui objek dan fenomena dunia mikro, makro, dan mega sangatlah penting. .
Semua penemuan revolusioner dalam fisika di atas menjungkirbalikkan pandangan dunia yang ada sebelumnya. Keyakinan akan universalitas hukum mekanika klasik lenyap, karena gagasan sebelumnya tentang atom yang tidak dapat dibagi, keteguhan massa, kekekalan unsur kimia, dll., musnah. Sekarang hampir tidak mungkin menemukan fisikawan yang percaya bahwa semua masalah sainsnya dapat diselesaikan dengan bantuan konsep dan persamaan mekanik.
Kelahiran dan perkembangan fisika atom akhirnya menghancurkan gambaran mekanistik dunia sebelumnya. Namun mekanika klasik Newton tidak hilang. Hingga saat ini, ia menempati tempat terhormat di antara ilmu-ilmu alam lainnya. Dengan bantuannya, misalnya, pergerakan satelit bumi buatan, benda luar angkasa lainnya, dll dihitung. Tapi sekarang ini ditafsirkan sebagai kasus khusus mekanika kuantum, yang berlaku untuk gerakan lambat dan objek bermassa besar di dunia makro.
Urusan. struktur dan organisasi sistemik materi. Organisasi sistemik sebagai atribut materi. Struktur materi. Tingkat struktural organisasi materi. tingkat struktural berbagai bidang.
Urusan
Seluler - organisme bersel tunggal yang ada secara independen;
Multiseluler - organ dan jaringan, sistem fungsional (saraf, peredaran darah), organisme: tumbuhan dan hewan;
Tubuh secara keseluruhan;
Populasi (biotope) - komunitas individu dari spesies yang sama yang dihubungkan oleh kumpulan gen yang sama (dapat kawin silang dan mereproduksi jenis mereka sendiri): sekawanan serigala di hutan, sekumpulan ikan di danau, sarang semut, a semak-semak;
- biocenosis - sekumpulan populasi organisme di mana produk limbahnya menjadi syarat bagi kehidupan dan keberadaan organisme lain yang menghuni suatu wilayah daratan atau perairan. Misalnya hutan: populasi tumbuhan yang hidup di dalamnya, serta hewan, jamur, lumut kerak, dan mikroorganisme berinteraksi satu sama lain sehingga membentuk suatu sistem yang integral;
- biosfer - sistem kehidupan global, bagian dari lingkungan geografis (atmosfer bagian bawah, litosfer bagian atas, dan hidrosfer), yang merupakan habitat organisme hidup, menyediakan kondisi yang diperlukan untuk kelangsungan hidupnya (suhu, tanah , dll.), terbentuk sebagai hasil interaksi biocenosis.
Dasar umum kehidupan pada tingkat biologis adalah metabolisme organik (pertukaran materi, energi, informasi dengan lingkungan), yang memanifestasikan dirinya pada salah satu sublevel yang teridentifikasi:
Pada tingkat organisme, metabolisme berarti asimilasi dan disimilasi melalui transformasi intraseluler;
Pada tingkat biocenosis, terdiri dari rantai transformasi suatu zat yang awalnya diasimilasi oleh organisme produsen melalui organisme konsumen dan organisme perusak yang termasuk dalam spesies berbeda;
Di tingkat biosfer, sirkulasi materi dan energi global terjadi dengan partisipasi langsung faktor-faktor dalam skala kosmik.
Di dalam biosfer, jenis sistem material khusus mulai berkembang, yang terbentuk karena kemampuan populasi khusus makhluk hidup untuk bekerja - masyarakat manusia. Realitas sosial meliputi sublevel: individu, keluarga, kelompok, kolektif, kelompok sosial, kelas, bangsa, negara, sistem negara, masyarakat secara keseluruhan. Masyarakat ada hanya berkat aktivitas manusia.
Tingkat struktural realitas sosial berada dalam hubungan linier yang ambigu satu sama lain (misalnya tingkat bangsa dan tingkat negara). Terjalinnya berbagai tingkatan struktur masyarakat tidak berarti tidak adanya ketertiban dan struktur dalam masyarakat. Dalam masyarakat, kita dapat membedakan struktur fundamental - bidang utama kehidupan sosial: material dan produksi, sosial, politik, spiritual, dll, yang memiliki hukum dan strukturnya sendiri. Kesemuanya dalam arti tertentu bersifat subordinat, terstruktur dan menentukan kesatuan genetik perkembangan masyarakat secara keseluruhan.
Dengan demikian, setiap bidang realitas objektif terbentuk dari sejumlah tingkatan struktural tertentu, yang tersusun secara ketat dalam suatu bidang realitas tertentu. Transisi dari satu area ke area lain dikaitkan dengan komplikasi dan peningkatan jumlah faktor terbentuk yang menjamin integritas sistem, yaitu. evolusi sistem material terjadi dari yang sederhana ke yang kompleks, dari yang lebih rendah ke yang lebih tinggi.
Dalam setiap tingkat struktural terdapat hubungan subordinasi (tingkat molekuler mencakup tingkat atom, dan bukan sebaliknya). Setiap bentuk yang lebih tinggi muncul atas dasar bentuk yang lebih rendah dan memasukkannya ke dalam bentuk sublasinya. Artinya, pada hakikatnya, kekhususan bentuk-bentuk yang lebih tinggi hanya dapat diketahui berdasarkan analisis terhadap struktur-struktur bentuk-bentuk yang lebih rendah. Begitu pula sebaliknya, hakikat suatu bentuk tatanan yang lebih tinggi hanya dapat diketahui berdasarkan kandungan materi bentuk yang lebih tinggi dalam hubungannya dengan itu.
Pola-pola tingkatan baru tidak dapat direduksi menjadi pola-pola tingkatan yang menjadi dasar kemunculannya, dan mengarah pada tingkat pengorganisasian materi tertentu. Selain itu, adalah ilegal untuk mentransfer sifat-sifat materi dengan tingkat yang lebih tinggi ke materi yang lebih rendah. Setiap tingkat materi memiliki kekhususan kualitatifnya sendiri. Pada materi tingkat tertinggi, bentuk-bentuk bawahnya disajikan bukan dalam bentuk “murni”, tetapi dalam bentuk sintesis (“sublated”). Misalnya, tidak mungkin untuk mentransfer hukum dunia binatang ke masyarakat, meskipun pada pandangan pertama tampaknya “hukum rimba” berlaku di dalamnya. Meskipun kekejaman manusia mungkin jauh lebih besar daripada kekejaman predator, namun predator tidak mengenal perasaan manusia seperti cinta dan kasih sayang.
Di sisi lain, upaya untuk menemukan unsur-unsur tingkat yang lebih tinggi pada tingkat yang lebih rendah tidak berdasar. Misalnya, batu bulat yang sedang berpikir. Ini hiperbola. Namun ada upaya yang dilakukan oleh para ahli biologi di mana mereka mencoba menciptakan kondisi “manusia” untuk monyet, dengan harapan dalam seratus hingga dua ratus tahun dapat menemukan antropoid (manusia primitif) pada keturunan mereka.
Tingkat struktural materi berinteraksi satu sama lain sebagai bagian dan keseluruhan. Interaksi bagian dan keseluruhan adalah bahwa yang satu mengandaikan yang lain, mereka bersatu dan tidak dapat ada tanpa satu sama lain. Tidak ada keseluruhan tanpa bagian, dan tidak ada bagian di luar keseluruhan. Suatu bagian memperoleh maknanya hanya melalui keseluruhan, sebagaimana keseluruhan merupakan interaksi bagian-bagian.
Dalam interaksi bagian dan keseluruhan, peran penentu adalah milik keseluruhan. Namun, ini tidak berarti bahwa bagian-bagian tersebut tidak memiliki kekhususan. Peran yang menentukan dari keseluruhan tidak mengandaikan peran pasif, melainkan peran aktif dari bagian-bagian, yang bertujuan untuk menjamin kehidupan normal alam semesta secara keseluruhan. Dengan tunduk pada sistem keseluruhan, bagian-bagian tersebut mempertahankan independensi dan otonomi relatifnya. Di satu sisi, mereka bertindak sebagai komponen keseluruhan, dan di sisi lain, mereka sendiri adalah struktur dan sistem holistik yang unik. Misalnya, faktor yang menjamin integritas sistem di alam mati adalah kekuatan nuklir, elektromagnetik, dan lainnya, dalam masyarakat - hubungan industrial, politik, nasional, dll.
Organisasi struktural, mis. sistematika adalah cara keberadaan materi.
literatur
1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Gambaran fisik modern dunia. M., 1980.
2. Weinberg S. Penemuan partikel subatom. M., 1986.
3. Weinberg S. Tiga menit pertama. M., 1981.
4. Rovinsky R.E. Alam Semesta Berkembang. M., 1995.
5. Shklovsky I.S. Bintang, kelahiran dan kematiannya. M., 1975.
6. Masalah filosofis ilmu pengetahuan alam. M., 1985.
TES
oleh disiplin konsep ilmu alam modern
Topik No.9
"Tingkat struktural organisasi materi"
Rencana:
Pendahuluan…………………………………………………………… ….……………..2
- Peran konsep sistem dalam analisis tingkat struktural organisasi materi……………….……………………………………2
Tingkat kehidupan struktural………………………………………..6
Hakikat Makrokosmos, Mikrokosmos, dan Megakosmos………………………….7
- Dunia Mikro……………………………………………………………..… …………..8
- Dunia Makro……………………………………………………………..… …………11
- Dunia Mega…………………………………………………………… ……12
- Analisis Pemahaman Klasik dan Modern tentang Konsep Makrokosmos………………………………………………… …….…13
Perkenalan.
Semua benda alam (alam hidup dan mati) dapat direpresentasikan sebagai suatu sistem yang mempunyai ciri-ciri yang menjadi ciri tingkat organisasinya. Konsep tingkat struktural materi hidup mencakup gagasan sistematisitas dan organisasi terkait integritas organisme hidup. Materi hidup bersifat diskrit, yaitu dibagi menjadi bagian-bagian penyusun organisasi tingkat bawah yang mempunyai fungsi tertentu.
Tingkat struktural berbeda tidak hanya dalam kelas kompleksitas, tetapi juga dalam pola fungsinya. Struktur hierarkinya sedemikian rupa sehingga setiap tingkat yang lebih tinggi tidak mengontrol, tetapi mencakup tingkat yang lebih rendah. Dengan memperhatikan tingkat pengorganisasiannya, seseorang dapat mempertimbangkan hierarki struktur organisasi benda-benda material yang bersifat hidup dan mati. Hirarki struktur ini dimulai dengan partikel elementer dan diakhiri dengan komunitas hidup. Konsep tingkat struktural pertama kali diusulkan pada tahun 20-an abad kita. Sesuai dengan itu, tingkat struktural berbeda tidak hanya berdasarkan kelas kompleksitas, tetapi juga berdasarkan pola fungsinya. Konsep tersebut mencakup hierarki tingkat struktural, di mana setiap tingkat berikutnya termasuk dalam tingkat sebelumnya.
- Peran konsep sistem dalam analisis tingkat struktural organisasi materi.
Materi (lat. Materia - substansi), “...kategori filosofis untuk menunjukkan realitas objektif, yang diberikan kepada seseorang dalam inderanya, yang disalin, difoto, ditampilkan oleh indera kita, ada secara independen dari kita.”
Materi adalah kumpulan tak terbatas dari semua objek dan sistem yang ada di dunia, substrat dari segala sifat, koneksi, hubungan, dan bentuk pergerakan. Materi tidak hanya mencakup semua benda dan benda alam yang dapat diamati secara langsung, tetapi juga semua benda yang, pada prinsipnya, dapat diketahui di masa depan berdasarkan peningkatan sarana observasi dan eksperimen.
Dalam ilmu pengetahuan modern, dasar gagasan tentang struktur dunia material adalah pendekatan sistem, yang menurutnya setiap objek dunia material (atom, organisme, galaksi, dan Alam Semesta itu sendiri) dapat dianggap sebagai suatu bentukan yang kompleks, termasuk komponen. bagian-bagian yang diorganisasikan menjadi integritas.
Prinsip dasar pendekatan sistem:
- Integritas, yang memungkinkan kita untuk secara bersamaan mempertimbangkan sistem sebagai satu kesatuan dan sekaligus sebagai subsistem untuk tingkat yang lebih tinggi.
Hierarki struktur, yaitu adanya banyak (setidaknya dua) unsur yang terletak atas dasar subordinasi unsur-unsur yang tingkatnya lebih rendah kepada unsur-unsur yang tingkatnya lebih tinggi. Penerapan prinsip ini terlihat jelas pada contoh organisasi tertentu. Seperti yang Anda ketahui, organisasi mana pun merupakan interaksi dari dua subsistem: yang mengelola dan yang dikelola. Yang satu berada di bawah yang lain.
Penataan, yang memungkinkan Anda menganalisis elemen sistem dan hubungannya dalam struktur organisasi tertentu. Sebagai aturan, proses berfungsinya suatu sistem tidak banyak ditentukan oleh sifat-sifat elemen individualnya, melainkan oleh sifat-sifat struktur itu sendiri.
Multiplisitas, memungkinkan penggunaan banyak model cybernetic, ekonomi dan matematika untuk menggambarkan elemen individu dan sistem secara keseluruhan.
Untuk menunjukkan keutuhan objek dalam sains, konsep “sistem” dikembangkan.
Sistem adalah suatu kompleks elemen yang saling berinteraksi. Diterjemahkan dari bahasa Yunani, itu adalah keseluruhan yang terdiri dari bagian-bagian, suatu hubungan.
Konsep “elemen” berarti komponen minimal yang tidak dapat dibagi lagi dalam suatu sistem. Suatu sistem tidak hanya terdiri dari objek-objek homogen, tetapi juga objek-objek heterogen. Strukturnya bisa sederhana atau kompleks. Sistem yang kompleks terdiri dari elemen-elemen, yang pada gilirannya membentuk subsistem dengan tingkat kompleksitas dan hierarki yang berbeda.
Setiap sistem dicirikan tidak hanya oleh adanya keterhubungan dan hubungan antar unsur-unsur penyusunnya, tetapi juga oleh kesatuannya yang tidak dapat dipisahkan dengan lingkungan.
Berbagai jenis sistem dapat dibedakan:
- berdasarkan sifat hubungan antara bagian-bagian dan keseluruhan - anorganik dan organik;
berdasarkan bentuk gerak materi - mekanik, fisika, kimia, fisika-kimia;
dalam kaitannya dengan pergerakan - statistik dan dinamis;
berdasarkan jenis perubahan - non-fungsional, fungsional, berkembang;
berdasarkan sifat pertukaran dengan lingkungan - terbuka dan tertutup;
berdasarkan tingkat organisasi - sederhana dan kompleks;
berdasarkan tingkat perkembangan - lebih rendah dan lebih tinggi;
berdasarkan sifat asalnya - alami, buatan, campuran;
dalam arah pembangunan - progresif dan regresif.
Koneksi yang stabil antar elemen menentukan keteraturan sistem. Ada dua jenis hubungan antar elemen sistem - secara horizontal dan vertikal.
Koneksi "Horizontal" adalah koneksi koordinasi antara elemen-elemen yang berorde sama. Sifatnya saling berkorelasi: tidak ada bagian dari sistem yang dapat berubah tanpa perubahan bagian lain.
Koneksi “vertikal” adalah koneksi subordinasi, yaitu subordinasi elemen. Mereka mengungkapkan struktur internal sistem yang kompleks, di mana beberapa bagian mungkin lebih rendah kepentingannya dibandingkan bagian lain dan menjadi bawahannya. Struktur vertikal mencakup tingkat organisasi sistem, serta hierarkinya.
Oleh karena itu, titik awal dari setiap penelitian sistem adalah gagasan tentang integritas sistem yang sedang dipelajari.
Integritas sistem berarti bahwa semua bagian komponennya, yang berinteraksi dan terhubung bersama, membentuk satu kesatuan unik yang memiliki sifat sistem baru.
Sifat-sifat suatu sistem bukan sekedar penjumlahan dari sifat-sifat unsur-unsurnya, melainkan sesuatu yang baru, yang hanya melekat pada sistem secara keseluruhan.
Jadi, menurut pandangan ilmiah modern tentang alam, semua objek alam adalah sistem yang teratur, terstruktur, dan terorganisir secara hierarkis.
Dalam ilmu pengetahuan alam, ada dua kelas besar sistem material: sistem alam mati dan sistem alam hidup.
Sistem alam mati meliputi partikel dan medan elementer, vakum fisik, atom, molekul, benda makroskopik, planet dan sistem planet, bintang, galaksi, dan sistem galaksi - Metagalaxy.
Sistem alam yang hidup meliputi biopolimer (molekul informasi), sel, organisme multiseluler, populasi, biocenosis dan biosfer sebagai totalitas semua organisme hidup.
Di alam, segala sesuatu saling berhubungan, sehingga kita dapat membedakan sistem yang mencakup unsur-unsur alam hidup dan mati – biogeocenosis dan biosfer bumi.
- Tingkat struktural makhluk hidup.
Biosfer – termasuk seluruh totalitas makhluk hidup di bumi beserta lingkungan alamnya. Pada tingkat ini, ilmu biologi memecahkan masalah seperti perubahan konsentrasi karbon dioksida di atmosfer. Dengan menggunakan pendekatan ini, para ilmuwan menemukan bahwa baru-baru ini konsentrasi karbon dioksida meningkat setiap tahun sebesar 0,4%, menciptakan bahaya peningkatan suhu global, munculnya apa yang disebut “efek rumah kaca”.
Tingkat biocenosis menyatakan tahap selanjutnya dari struktur makhluk hidup, yang terdiri dari bagian-bagian bumi dengan komposisi komponen hidup dan mati tertentu, yang mewakili satu kompleks alam, suatu ekosistem. Pemanfaatan alam secara rasional tidak mungkin dilakukan tanpa pengetahuan tentang struktur dan fungsi biogeocenosis, atau ekosistem.
Populasi-spesies tingkat dibentuk oleh perkawinan silang bebas individu-individu dari spesies yang sama. Studinya penting untuk mengidentifikasi faktor-faktor yang mempengaruhi ukuran populasi.
Organisme dan organ-jaringan tingkatan mencerminkan ciri-ciri individu, struktur, fisiologi, perilaku, serta struktur dan fungsi organ dan jaringan makhluk hidup.
Seluler dan subseluler level mencerminkan proses spesialisasi sel, serta berbagai inklusi intraseluler.
Molekuler tingkat adalah mata pelajaran biologi molekuler, salah satu masalah terpentingnya adalah studi tentang mekanisme transmisi informasi genetik dan pengembangan rekayasa genetika dan bioteknologi.
Pembagian makhluk hidup ke dalam tingkatan-tingkatan, tentu saja, sangat bersyarat. Solusi terhadap permasalahan biologis tertentu, seperti pengaturan jumlah spesies, didasarkan pada data pada semua tingkatan makhluk hidup. Namun semua ahli biologi sepakat bahwa di dunia kehidupan terdapat tingkatan bertahap, semacam hierarki. Gagasan mereka jelas mencerminkan pendekatan sistematis terhadap studi tentang alam, yang membantu untuk lebih memahaminya.
Dasar fundamental dari dunia kehidupan adalah sel. Penelitiannya membantu memahami secara spesifik semua makhluk hidup.
- Hakikat makrokosmos, mikrokosmos, dan megakosmos.
Kriteria untuk mengidentifikasi tingkat struktural yang berbeda adalah sebagai berikut:
- skala ruang dan waktu;
satu set properti penting;
hukum gerak tertentu;
tingkat kompleksitas relatif yang timbul dalam proses sejarah perkembangan materi di suatu wilayah tertentu di dunia;
beberapa tanda lainnya.
dunia mikro.
Awalan "mikro" mengacu pada ukuran yang sangat kecil. Dengan demikian, kita dapat mengatakan bahwa mikrokosmos adalah sesuatu yang kecil.
Dunia mikro adalah molekul, atom, partikel elementer - dunia objek mikro yang sangat kecil dan tidak dapat diamati secara langsung, yang dimensi spasialnya dihitung dari 10 -8 hingga 10 -16 cm, dan masa hidupnya dari tak terhingga hingga 10 -24 detik.
Dalam filsafat, manusia dipelajari sebagai mikrokosmos, dan dalam fisika, konsep ilmu pengetahuan alam modern, molekul dipelajari sebagai mikrokosmos.
Microworld memiliki ciri khas tersendiri yang dapat diungkapkan sebagai berikut:
1) satuan jarak (m, km, dll.) yang digunakan oleh manusia tidak ada gunanya;
2) juga tidak masuk akal menggunakan satuan berat manusia (g, kg, pon, dll.).
Pada zaman kuno, Democritus mengemukakan hipotesis atomistik tentang struktur materi; kemudian, pada abad ke-18, hipotesis tersebut dihidupkan kembali oleh ahli kimia J. Dalton, yang menganggap berat atom hidrogen sebagai satu dan membandingkan berat atom gas lain dengan berat atom. dia.
Berkat karya J. Dalton, sifat fisik dan kimia atom mulai dipelajari. Pada abad ke-19, D.I. Mendeleev membangun sistem unsur kimia berdasarkan berat atomnya.
Dalam fisika, konsep atom sebagai unsur struktural terakhir materi yang tidak dapat dibagi lagi berasal dari ilmu kimia. Sebenarnya studi fisika atom dimulai pada akhir abad ke-19, ketika fisikawan Perancis A. A. Becquerel menemukan fenomena radioaktivitas, yang terdiri dari transformasi spontan atom suatu unsur menjadi atom unsur lain.
Sejarah penelitian struktur atom dimulai pada tahun 1895 berkat penemuan elektron oleh J. Thomson, partikel bermuatan negatif yang merupakan bagian dari semua atom.
Karena elektron mempunyai muatan negatif, dan atom secara keseluruhan netral secara listrik, diasumsikan bahwa selain elektron terdapat partikel bermuatan positif. Massa elektron dihitung 1/1836 massa partikel bermuatan positif.
Ada beberapa model struktur atom.
Pada tahun 1902, fisikawan Inggris W. Thomson (Lord Kelvin) mengusulkan model atom pertama - muatan positif didistribusikan ke area yang cukup luas, dan elektron diselingi dengannya, seperti “kismis dalam puding”.
Pada tahun 1911, E. Rutherford mengusulkan model atom yang menyerupai tata surya: di tengahnya terdapat inti atom, dan elektron bergerak mengelilinginya dalam orbitnya.
Inti mempunyai muatan positif dan elektron mempunyai muatan negatif. Alih-alih gaya gravitasi yang bekerja di tata surya, gaya listrik bekerja di dalam atom. Muatan listrik inti atom, yang secara numerik sama dengan nomor seri dalam sistem periodik Mendeleev, diimbangi dengan jumlah muatan elektron - atom tersebut netral secara listrik.
Kedua model ini ternyata bertolak belakang.
Pada tahun 1913, fisikawan besar Denmark N. Bohr menerapkan prinsip kuantisasi untuk memecahkan masalah struktur atom dan karakteristik spektrum atom.
Model atom N. Bohr didasarkan pada model planet E. Rutherford dan teori kuantum struktur atom yang dikembangkan olehnya. N. Bohr mengajukan hipotesis tentang struktur atom, berdasarkan dua postulat yang sama sekali tidak sesuai dengan fisika klasik:
1) dalam setiap atom terdapat beberapa keadaan stasioner.
2) ketika elektron berpindah dari satu keadaan diam ke keadaan diam lainnya, atom memancarkan atau menyerap sebagian energi.
Pada akhirnya, pada dasarnya tidak mungkin untuk menggambarkan secara akurat struktur atom berdasarkan gagasan tentang orbit elektron titik, karena orbit tersebut sebenarnya tidak ada.
Teori N. Bohr seolah-olah mewakili batas tahap pertama perkembangan fisika modern. Ini merupakan upaya terbaru untuk mendeskripsikan struktur atom berdasarkan fisika klasik, dilengkapi dengan sejumlah kecil asumsi baru.
Tampaknya postulat N. Bohr mencerminkan beberapa sifat materi yang baru dan tidak diketahui, tetapi hanya sebagian. Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan tersebut diperoleh sebagai hasil perkembangan mekanika kuantum. Ternyata model atom N. Bohr tidak boleh diartikan secara harfiah, seperti pada awalnya. Proses-proses dalam atom pada prinsipnya tidak dapat direpresentasikan secara visual dalam bentuk model mekanis dengan analogi peristiwa-peristiwa di makrokosmos. Bahkan konsep ruang dan waktu dalam bentuk yang ada di dunia makro ternyata tidak cocok untuk menggambarkan fenomena mikrofisika. Atom para fisikawan teoretis semakin menjadi suatu kumpulan persamaan yang abstrak dan tidak dapat diobservasi.
dunia makro.
Secara alami, ada objek yang ukurannya jauh lebih besar daripada objek di dunia mikro. Benda-benda ini membentuk makrokosmos. Dunia makro “dihuni” hanya oleh benda-benda yang ukurannya sebanding dengan ukuran seseorang. Manusia sendiri juga dapat dianggap sebagai objek makrokosmos.
Makrokosmos mempunyai organisasi yang agak rumit. Unsur terkecilnya adalah atom, dan sistem terbesarnya adalah planet bumi. Ini mencakup sistem tak hidup dan sistem kehidupan di berbagai tingkatan. Setiap tingkat organisasi dunia makro berisi struktur mikro dan struktur makro. Misalnya, molekul tampaknya termasuk dalam mikrokosmos, karena kita tidak mengamatinya secara langsung. Namun, di satu sisi, struktur mikrokosmos terbesar adalah atom. Dan sekarang kita memiliki kesempatan untuk melihat bahkan sebagian atom hidrogen menggunakan mikroskop generasi terbaru. Di sisi lain, ada molekul besar yang strukturnya sangat kompleks, misalnya DNA inti bisa berukuran hampir satu sentimeter. Nilai ini sudah cukup sebanding dengan pengalaman kami, dan jika molekulnya lebih tebal, kami akan melihatnya dengan mata telanjang.
Semua zat, baik padat maupun cair, tersusun dari molekul. Molekul membentuk kisi kristal, bijih, batu, dan benda lain, mis. apa yang bisa kita rasakan, lihat, dll. Namun, meskipun terdapat formasi besar seperti gunung dan lautan, semua ini adalah molekul yang terhubung satu sama lain. Molekul adalah tingkat organisasi baru; semuanya terdiri dari atom, yang dalam sistem ini dianggap tidak dapat dibagi, yaitu. elemen sistem.
Baik tingkat organisasi fisik makrokosmos maupun tingkat kimia berhubungan dengan molekul dan berbagai wujud materi. Namun, tingkat kimianya jauh lebih kompleks. Itu tidak terbatas pada fisika, yang mempertimbangkan struktur zat, sifat fisiknya, pergerakannya (semua ini dipelajari dalam kerangka fisika klasik), setidaknya dalam hal kompleksitas proses kimia dan reaktivitas zat.
Pada tingkat organisasi biologis makrokosmos, selain molekul, kita biasanya tidak dapat melihat sel tanpa mikroskop. Namun ada sel yang ukurannya mencapai sangat besar, misalnya akson neuron gurita yang panjangnya satu meter atau bahkan lebih. Pada saat yang sama, semua sel memiliki ciri-ciri tertentu yang serupa: mereka terdiri dari membran, mikrotubulus, banyak yang memiliki inti dan organel. Semua membran dan organel, pada gilirannya, terdiri dari molekul raksasa (protein, lipid, dll.), dan molekul ini terdiri dari atom. Oleh karena itu, baik molekul informasi raksasa (DNA, RNA, enzim) dan sel adalah tingkat mikro dari tingkat biologis organisasi materi, yang mencakup formasi besar seperti biocenosis dan biosfer.
Dunia Mega.
Megaworld adalah dunia objek yang ukurannya jauh lebih besar dari manusia.
Seluruh alam semesta kita adalah sebuah megaworld. Ukurannya sangat besar, tidak terbatas dan terus berkembang. Alam Semesta dipenuhi dengan benda-benda yang jauh lebih besar dari planet Bumi dan Matahari kita. Seringkali perbedaan antara bintang mana pun di luar tata surya sepuluh kali lebih besar daripada Bumi.
Ilmu pengetahuan modern memandang megaworld, atau ruang angkasa, sebagai sistem semua benda langit yang berinteraksi dan berkembang. Megaworld memiliki organisasi sistemik berupa planet dan sistem planet yang muncul di sekitar bintang, bintang, dan sistem bintang – galaksi; sistem galaksi - Metagalaksi.
Kajian tentang megaworld erat kaitannya dengan kosmologi dan kosmogoni.
Kosmogoni merupakan salah satu cabang ilmu astronomi yang mempelajari asal usul galaksi, bintang, planet, dan benda lainnya. Saat ini kosmogoni dapat dibagi menjadi dua bagian:
1) kosmogoni tata surya. Bagian (atau jenis) kosmogoni ini disebut planet;
2) kosmogoni bintang.
Dan meskipun semua level ini memiliki hukum spesifiknya masing-masing, dunia mikro, dunia makro, dan dunia mega saling berhubungan erat.
- Analisis pemahaman klasik dan modern tentang konsep makrokosmos.
Yang paling penting bagi perkembangan ilmu pengetahuan alam selanjutnya adalah konsep struktur diskrit materi - atomisme, yang menurutnya semua benda terdiri dari atom - partikel terkecil di dunia.
Prinsip awal atomisme adalah atom dan kekosongan. Inti dari proses alam dijelaskan berdasarkan interaksi mekanis atom, tarik-menarik dan tolak-menolaknya.
Karena gagasan ilmiah modern tentang tingkat struktural organisasi materi dikembangkan dalam proses pemikiran ulang kritis terhadap gagasan sains klasik, yang hanya berlaku untuk objek tingkat makro, maka kajian harus dimulai dengan konsep fisika klasik.
I. Newton, dengan mengandalkan karya Galileo, mengembangkan teori mekanika ilmiah yang ketat, yang menggambarkan pergerakan benda langit dan pergerakan benda-benda bumi menurut hukum yang sama. Alam dipandang sebagai sistem mekanis yang kompleks. Materi dianggap sebagai zat material yang terdiri dari partikel-partikel atom atau sel-sel individual. Atom sangatlah kuat, tidak dapat dibagi, tidak dapat ditembus, ditandai dengan adanya massa dan berat.
Gerakan dianggap sebagai gerakan dalam ruang sepanjang lintasan yang terus menerus sesuai dengan hukum mekanika. Diyakini bahwa semua proses fisik dapat direduksi menjadi pergerakan titik-titik material di bawah pengaruh gravitasi, yang bersifat jangka panjang
Mengikuti mekanika Newton, hidrodinamika, teori elastisitas, teori mekanik panas, teori kinetik molekuler dan sejumlah teori lainnya diciptakan, yang sejalan dengan itu fisika telah mencapai kesuksesan besar. Namun, ada dua bidang - fenomena optik dan elektromagnetik yang tidak dapat sepenuhnya dijelaskan dalam kerangka gambaran mekanistik dunia.
Saat mengembangkan optik, I. Newton, mengikuti logika ajarannya, menganggap cahaya sebagai aliran partikel material - sel darah. Dalam teori sel darah I. Newton tentang cahaya, dikemukakan bahwa benda bercahaya memancarkan partikel-partikel kecil yang bergerak sesuai dengan hukum mekanika dan menimbulkan sensasi cahaya ketika masuk ke mata. Berdasarkan teori ini, I. Newton menjelaskan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya.
Seiring dengan teori sel mekanik, dilakukan upaya untuk menjelaskan fenomena optik dengan cara yang berbeda secara mendasar, yaitu berdasarkan teori gelombang yang dirumuskan oleh H. Huygens. H. Huygens menganggap argumen utama yang mendukung teorinya adalah fakta bahwa dua sinar cahaya, berpotongan, menembus satu sama lain tanpa gangguan apa pun, persis seperti dua baris gelombang di atas air.
Menurut teori sel, di antara berkas partikel yang dipancarkan, seperti cahaya, akan terjadi tumbukan atau setidaknya semacam gangguan. Berdasarkan teori gelombang, H. Huygens berhasil menjelaskan pemantulan dan pembiasan cahaya.
Namun, ada satu keberatan penting terhadap hal tersebut. Seperti yang Anda ketahui, gelombang mengalir di sekitar rintangan. Namun seberkas cahaya yang merambat dalam garis lurus tidak dapat mengalir melewati rintangan. Jika suatu benda buram dengan ujung lancip diletakkan pada jalur sinar cahaya, maka bayangannya akan mempunyai tepi lancip. Namun, keberatan ini segera dihilangkan berkat eksperimen Grimaldi. Dengan pengamatan yang lebih halus dengan menggunakan lensa pembesar, ditemukan bahwa pada batas bayangan yang tajam seseorang dapat melihat area penerangan yang lemah dalam bentuk garis-garis terang dan gelap atau lingkaran cahaya yang berselang-seling. Fenomena ini disebut difraksi cahaya.
Teori gelombang cahaya kembali dikemukakan pada dekade pertama abad ke-19 oleh fisikawan Inggris T. Young dan naturalis Perancis O. J. Fresnel. T. Jung memberikan penjelasan tentang fenomena interferensi yaitu. munculnya garis-garis gelap saat cahaya diterapkan pada cahaya. Esensinya dapat digambarkan dengan pernyataan paradoks: cahaya yang ditambahkan pada cahaya tidak serta merta menghasilkan cahaya yang lebih kuat, namun dapat menghasilkan cahaya yang lebih lemah dan bahkan kegelapan. Pasalnya, menurut teori gelombang, cahaya bukanlah aliran partikel material, melainkan getaran medium elastis, atau gerak gelombang. Ketika rantai gelombang dalam fase yang berlawanan saling tumpang tindih, dimana puncak gelombang yang satu bertepatan dengan lembah gelombang yang lain, mereka saling menghancurkan, menghasilkan garis-garis gelap.
Bidang fisika lain di mana model mekanis terbukti tidak memadai adalah bidang fenomena elektromagnetik. Eksperimen naturalis Inggris M. Faraday dan karya teoretis fisikawan Inggris J. C. Maxwell akhirnya menghancurkan gagasan fisika Newton tentang materi diskrit sebagai satu-satunya jenis materi dan meletakkan dasar bagi gambaran elektromagnetik dunia. Fenomena elektromagnetisme ditemukan oleh naturalis Denmark H.K. Oersted, yang pertama kali memperhatikan efek magnetis arus listrik.
Belakangan M. Faraday sampai pada kesimpulan bahwa ilmu kelistrikan dan optik saling berhubungan dan membentuk satu bidang. Karya-karyanya menjadi titik tolak penelitian J.C. Maxwell yang kelebihannya terletak pada pengembangan matematis gagasan M. Faraday tentang magnetisme dan listrik.
Setelah menggeneralisasi hukum fenomena elektromagnetik yang sebelumnya ditetapkan secara eksperimental (Coulomb, Ampere) dan fenomena induksi elektromagnetik yang ditemukan oleh M. Faraday, Maxwell menemukan sistem persamaan diferensial yang menggambarkan medan elektromagnetik dengan cara matematis murni. Sistem persamaan ini, dalam batas penerapannya, memberikan gambaran lengkap tentang fenomena elektromagnetik dan merupakan teori yang sempurna dan koheren secara logis seperti sistem mekanika Newton.
Dari persamaan tersebut muncul kesimpulan paling penting tentang kemungkinan adanya medan yang independen dan tidak “terikat” dengan muatan listrik. DI DALAM
dll.................
Saat ini, demi kenyamanan, merupakan kebiasaan untuk membagi Alam terpadu menjadi tiga tingkat struktural - dunia mikro, makro, dan mega. Tanda-tanda pembagian yang alami, meskipun sebagian subjektif, adalah ukuran dan massa objek yang diteliti.
dunia mikro– dunia mikrosistem yang sangat kecil dan tidak dapat diamati secara langsung dengan ukuran karakteristik 10–8 cm atau kurang (atom, inti atom, partikel elementer).
dunia makro– dunia benda makro, mulai dari makromolekul (berukuran 10–6 cm ke atas) hingga benda yang dimensinya sebanding dengan skala pengalaman langsung manusia – milimeter, sentimeter, kilometer, hingga ukuran Bumi (panjangnya) ekuator bumi adalah ~ 10 9 cm).
Dunia Mega– dunia benda berskala kosmik dari 10 9 cm hingga 10 28 cm. Kisaran ini mencakup ukuran Bumi, Tata Surya, Galaksi, Metagalaxy.
Meskipun dunia mikro, makro, dan mega saling berhubungan erat dan membentuk satu kesatuan, namun masing-masing tingkat struktural ini memiliki hukum spesifiknya sendiri: di dunia mikro - hukum fisika kuantum, di dunia makro - hukum-hukum ilmu alam klasik, khususnya fisika klasik: mekanika, termodinamika, elektrodinamika. Hukum megaworld terutama didasarkan pada teori relativitas umum.
dunia mikro
Fisika atom Bahkan orang Yunani kuno Leucippus dan Democritus mengemukakan dugaan cemerlang bahwa materi terdiri dari partikel-partikel kecil – atom.
Landasan ilmiah ilmu atom-molekul diletakkan kemudian dalam karya-karya ilmuwan Rusia M.V. Lomonosov, ahli kimia Perancis L.Lavoisier Dan J.Proust, ahli kimia Inggris J.Dalton, fisikawan Italia A. Avogadro dan peneliti lainnya.
Hukum periodik D.I. Mendeleev menunjukkan adanya hubungan alami antara semua unsur kimia. Menjadi jelas bahwa semua atom memiliki kesamaan pada intinya. Hingga akhir abad ke-19. Dalam ilmu kimia, kepercayaan umum adalah bahwa atom adalah partikel terkecil dari suatu zat sederhana yang tidak dapat dibagi lagi. Diyakini bahwa selama semua transformasi kimia, hanya molekul yang dihancurkan dan diciptakan, sedangkan atom tetap tidak berubah dan tidak dapat dipecah menjadi beberapa bagian. Dan terakhir, pada akhir abad ke-19. penemuan dibuat yang menunjukkan kompleksitas struktur atom dan kemungkinan mengubah beberapa atom menjadi atom lain.
Ilmuwan Jerman adalah orang pertama yang menunjukkan struktur kompleks atom. G.R. Kirchhoff Dan R.V. Bunsen, mempelajari spektrum emisi dan serapan berbagai zat. Struktur kompleks atom juga dikonfirmasi oleh eksperimen studi ionisasi, penemuan dan studi tentang apa yang disebut sinar katoda dan fenomena radioaktivitas.
G.R. Kirchhoff dan R.V. Bunsen menemukan bahwa setiap unsur kimia mempunyai karakteristik, kumpulan garis spektral yang unik dalam spektrum emisi dan serapannya. Ini berarti bahwa cahaya dipancarkan dan diserap oleh atom-atom individual, dan atom, pada gilirannya, merupakan sistem kompleks yang mampu berinteraksi dengan medan elektromagnetik.
Hal ini juga dibuktikan dengan fenomena ionisasi atom yang ditemukan selama penelitian elektrolisis dan pelepasan gas. Fenomena ini hanya dapat dijelaskan dengan asumsi bahwa atom, selama proses ionisasi, kehilangan sebagian muatannya atau memperoleh muatan baru.
Bukti struktur kompleks atom diberikan melalui eksperimen studi sinar katoda yang dihasilkan selama pelepasan listrik dalam gas yang sangat dijernihkan. Untuk mengamati sinar ini, sebanyak mungkin udara dipompa keluar dari tabung kaca tempat dua elektroda logam disolder, dan kemudian arus tegangan tinggi dialirkan melaluinya. Dalam kondisi seperti itu, sinar katoda “tak terlihat” merambat dari katoda tabung tegak lurus dengan permukaannya, menyebabkan cahaya hijau terang di tempat tumbukannya. Sinar katoda mempunyai kemampuan untuk menggerakkan benda yang mudah bergerak dan menyimpang dari jalur aslinya dalam medan magnet dan listrik.
Studi tentang sifat-sifat sinar katoda mengarah pada kesimpulan bahwa mereka terdiri dari partikel-partikel kecil yang membawa muatan negatif. Belakangan, massa dan besaran muatannya dapat ditentukan. Ternyata massa partikel dan besarnya muatannya tidak bergantung pada sifat gas yang tersisa di dalam tabung, atau pada bahan pembuat elektroda, atau pada kondisi eksperimen lainnya. Selain itu, partikel katoda hanya diketahui dalam keadaan bermuatan dan tidak dapat ada tanpa muatannya, tidak dapat diubah menjadi partikel yang netral secara elektrik: muatan listrik adalah inti dari sifatnya. Partikel-partikel ini disebut elektron.
Dalam tabung katoda, elektron dipisahkan dari katoda di bawah pengaruh medan listrik. Tapi mereka juga bisa muncul tanpa ada hubungan apapun dengan medan listrik. Misalnya, ketika elektron dipancarkan, logam memancarkan elektron; ketika terjadi efek fotolistrik, banyak zat juga memancarkan elektron. Pelepasan elektron oleh berbagai macam zat menunjukkan bahwa partikel tersebut merupakan bagian dari semua atom tanpa kecuali. Hal ini mengarah pada kesimpulan bahwa atom adalah formasi kompleks yang dibangun dari komponen yang lebih kecil.
Pada tahun 1896, saat mempelajari pendaran berbagai zat, A A. Becquerel secara tidak sengaja menemukan bahwa garam uranium keluar tanpa penerangan sebelumnya. Radiasi yang memiliki daya tembus yang besar dan mengenai pelat fotografi yang dibungkus kertas hitam ini disebut radiasi radioaktif. Belakangan diketahui bahwa ia terdiri dari partikel α bermuatan positif berat, partikel β negatif ringan (elektron) dan radiasi γ yang netral secara listrik.
Penemuan elektron dapat dianggap sebagai awal lahirnya fisika atom, yang berujung pada upaya konstruksi model atom. Karena elektron mempunyai muatan negatif, dan atom secara keseluruhan stabil dan netral secara listrik, maka wajar jika mengasumsikan adanya partikel bermuatan positif di dalam atom.
Model atom pertama berdasarkan konsep mekanika klasik dan elektrodinamika muncul pada tahun 1904: salah satunya adalah fisikawan Jepang. Hantaro Nagaoka, yang lainnya milik fisikawan Inggris J.Thomson- penulis penemuan elektron.
X. Nagaoka menyajikan struktur atom mirip dengan struktur tata surya: peran Matahari dimainkan oleh bagian tengah atom yang bermuatan positif, di mana "planet" - elektron - bergerak dalam bentuk cincin yang terbentuk orbit. Dengan sedikit perpindahan, elektron merangsang gelombang elektromagnetik.
Dalam model atom J. Thomson, listrik positif “didistribusikan” ke seluruh bola di mana elektron tertanam. Pada atom hidrogen yang paling sederhana, elektron terletak di pusat bola bermuatan positif. Dalam atom multielektron, elektron tersusun dalam konfigurasi stabil yang dihitung oleh J. Thomson. Thomson percaya bahwa setiap konfigurasi menentukan sifat kimia tertentu dari atom. Ia berusaha menjelaskan secara teoritis sistem periodik unsur D.I.
Namun ternyata fakta eksperimental baru membantah model Thomson dan, sebaliknya, mendukung model planet. Fakta-fakta ini telah terbukti E.Rutherford pada tahun 1912. Pertama-tama, perlu dicatat bahwa ia menemukan inti atom. Untuk mengungkap struktur atom, Rutherford menyelidiki atom menggunakan partikel alfa, yang muncul selama peluruhan radium dan beberapa unsur radioaktif lainnya. Massanya kira-kira 8000 kali massa elektron, dan muatan positifnya sama besarnya dengan dua kali muatan elektron.
Dalam percobaan Rutherford, seberkas partikel α jatuh pada lapisan tipis yang terbuat dari bahan yang diteliti (emas, tembaga, dll.). Setelah melewati foil, partikel α mengenai layar yang dilapisi seng sulfida. Tabrakan setiap partikel dengan layar disertai dengan kilau(kilatan cahaya) yang dapat diamati. Dengan tidak adanya foil, lingkaran terang muncul di layar, terdiri dari kilau yang disebabkan oleh pancaran partikel. Namun ketika foil ditempatkan pada jalur pancaran sinar, maka, bertentangan dengan ekspektasi, partikel α mengalami hamburan yang sangat kecil oleh atom-atom foil dan didistribusikan pada layar di dalam lingkaran dengan luas yang sedikit lebih besar.
Ternyata juga benar-benar tidak terduga bahwa sejumlah kecil partikel α (sekitar satu dari dua puluh ribu) dibelokkan pada sudut yang lebih besar dari 90°, yaitu praktis akan kembali. Rutherford menyadari bahwa partikel α yang bermuatan positif dapat terlempar kembali hanya jika muatan positif atom dan massanya terkonsentrasi di wilayah ruang yang sangat kecil di atom target. Jadi Rutherford mendapatkan ide tersebut inti atom- benda berukuran kecil di mana hampir seluruh massa dan seluruh muatan positif atom terkonsentrasi.
Dengan menghitung jumlah partikel α yang tersebar pada sudut yang besar, Rutherford dapat memperkirakan ukuran inti atom. Ternyata inti atom memiliki diameter sebesar orde
10 –12 –10 –13 cm (untuk inti berbeda). Ukuran atom itu sendiri kira-kira 10–8 cm, mis. 10 - 100 ribu kali lebih besar dari ukuran inti atom. Selanjutnya, muatan inti dapat ditentukan secara akurat. Jika kita menganggap muatan elektron sebagai satu, maka muatan inti ternyata sama persis dengan jumlah suatu unsur kimia tertentu dalam tabel periodik unsur D.I. Mendeleev.
Eksperimen Rutherford secara langsung menghasilkan model atom planet dengan inti atom bermuatan positif. Mengingat atom secara keseluruhan harus netral secara listrik, maka dapat disimpulkan bahwa jumlah elektron intra-atom, seperti muatan inti, sama dengan nomor urut unsur dalam tabel periodik. Jelas juga bahwa elektron tidak dapat diam di dalam atom, karena elektron akan jatuh ke atom karena gaya tarik-menarik oleh inti positif. Oleh karena itu, mereka harus bergerak mengelilingi inti seperti planet mengelilingi Matahari. Sifat gerak elektron ini ditentukan oleh aksi gaya listrik Coulomb pada inti.
Dalam atom hidrogen, hanya satu elektron yang mengorbit inti. Inti atom hidrogen mempunyai muatan positif yang besarnya sama dengan muatan elektron, dan massanya kira-kira 1836 kali lebih besar dari massa elektron. Inti ini diberi nama oleh Rutherford proton dan mulai dianggap sebagai partikel elementer.
Ukuran suatu atom ditentukan oleh jari-jari orbit elektronnya. Model atom planet yang cukup jelas, sebagaimana telah disebutkan, merupakan konsekuensi langsung dari hasil eksperimen Rutherford tentang hamburan partikel alfa pada atom-atom materi.
Namun, segera menjadi jelas bahwa model sederhana seperti itu bertentangan dengan hukum elektrodinamika, yang berarti bahwa model atom Rutherford adalah sistem yang tidak stabil dan atom dengan desain tertentu tidak dapat bertahan lama. Faktanya adalah pergerakan elektron dalam orbit melingkar terjadi dengan percepatan, dan muatan yang mengalami percepatan, menurut hukum elektrodinamika Maxwell, harus memancarkan gelombang elektromagnetik (ω - frekuensi yang sama dengan frekuensi revolusinya mengelilingi inti). Radiasi disertai dengan hilangnya energi. Kehilangan energi, elektron harus mendekati inti, seperti halnya satelit mendekati Bumi ketika melakukan pengereman di bagian atas atmosfer.
Namun kenyataannya, hal ini tidak terjadi. Atom bersifat stabil dan dapat hidup tanpa batas waktu tanpa memancarkan gelombang elektromagnetik sama sekali.
Ilmuwan Denmark N. Bohr menemukan jalan keluar dari situasi ini. Dia membuat kesimpulan radikal bahwa hukum mekanika klasik dan elektrodinamika tidak berlaku sama sekali di mikrokosmos dan, khususnya, di atom. Namun, untuk mempertahankan model atom planet Rutherford, ia merumuskan dua postulat (postulat Bohr) yang bertentangan dengan mekanika klasik dan elektrodinamika klasik. Postulat-postulat ini meletakkan dasar bagi teori-teori baru yang fundamental tentang dunia mikro - mekanika kuantum dan elektrodinamika kuantum (teori kuantum medan elektromagnetik). Dalam memperkuat postulatnya, Bohr mengandalkan gagasan tentang keberadaan kuanta medan elektromagnetik, yang dikemukakan pada tahun 1900 oleh M. Planck dan kemudian dikembangkan oleh A. Einstein (untuk menjelaskan efek fotolistrik).
Postulat Bohr adalah sebagai berikut: elektron dapat bergerak mengelilingi inti bukan pada orbit mana pun, tetapi hanya pada orbit yang memenuhi kondisi tertentu yang timbul dari teori kuantum. Orbit ini disebut berkelanjutan, atau kuantum, orbit. Ketika sebuah elektron bergerak sepanjang salah satu orbit stabil yang memungkinkannya, ia tidak memancar. Transisi elektron dari orbit jauh ke orbit lebih dekat disertai dengan hilangnya energi.
Energi yang hilang oleh atom selama setiap transisi diubah menjadi satu kuantum energi radiasi. Frekuensi cahaya yang dipancarkan dalam hal ini ditentukan oleh jari-jari dua orbit di mana terjadi transisi elektron. Semakin besar jarak dari orbit tempat elektron berada ke orbit pergerakannya, semakin besar frekuensi radiasinya.
Atom paling sederhana adalah atom hidrogen: hanya satu elektron yang berputar mengelilingi inti. Berdasarkan postulat di atas, Bohr menghitung jari-jari orbit yang mungkin untuk elektron ini dan menemukan bahwa jari-jari tersebut berhubungan sebagai kuadrat bilangan asli: 1: 2: : 3: ... : P. Besarnya P mendapat namanya bilangan kuantum utama. Jari-jari orbit yang paling dekat dengan inti atom hidrogen adalah 0,53 angstrom. Frekuensi radiasi yang dihitung dari sini, yang menyertai transisi elektron dari satu orbit ke orbit lainnya, ternyata sama persis dengan frekuensi yang ditemukan secara eksperimental untuk garis spektrum hidrogen. Dengan demikian, kebenaran perhitungan orbit stabil (stasioner) untuk atom hidrogen telah terbukti, dan pada saat yang sama penerapan postulat Bohr untuk perhitungan tersebut.
Teori Bohr kemudian diperluas ke struktur atom unsur lainnya. Namun, memperluas teori ini ke atom dan molekul multielektron menemui kesulitan. Semakin banyak ahli teori mencoba menggambarkan pergerakan elektron dalam atom multielektron dan menentukan orbitnya, semakin besar perbedaan antara hasil dan data eksperimen. Selama perkembangan teori kuantum, menjadi jelas bahwa perbedaan ini bersifat mendasar dan berhubungan dengan apa yang disebut sifat gelombang elektron.
Faktanya adalah bahwa pada tahun 1924 Louis de Broglie memperluas dualisme gelombang-partikel medan elektromagnetik, yang dikenal pada waktu itu, ke partikel material dunia mikro (atom, elektron, proton, dll.). Mari kita ingat kembali bahwa menurut gagasannya, partikel yang memiliki massa, muatan, dll juga memiliki sifat gelombang. Dalam hal ini, panjang gelombang de Broglie (λ) berhubungan dengan momentum partikel R dan sama dengan
λ = jam/р, Di mana H– Konstanta Planck.
Ide De Broglie mendapat konfirmasi cemerlang dalam eksperimen K. Davisson dan L. Germer (1927), di mana fenomena difraksi elektron diamati. – contoh klasik fenomena gelombang.
Mengembangkan gagasan gelombang partikel dunia mikro, E.Schrödinger menciptakan model gelombang matematika atom dalam bentuk persamaan diferensial gelombang Schrödinger yang sekarang terkenal:
Analisis persamaan gelombang Schrödinger menunjukkan bahwa persamaan tersebut dapat digunakan untuk menentukan semua kemungkinan energi diskrit E hal dalam sebuah atom. Selain itu, ditemukan bahwa fungsi gelombang tidak memungkinkan seseorang untuk menentukan secara akurat posisi elektron dalam atom; mereka menyebar menjadi semacam “awan”; Jadi, kita hanya dapat berbicara tentang kemungkinan menemukan elektron di satu tempat atau tempat lain dalam atom, yang dicirikan oleh kuadrat amplitudo gelombang.
Dengan mempertimbangkan hukum mekanika gelombang kuantum, menjadi jelas mengapa tidak mungkin menggambarkan secara akurat struktur atom berdasarkan gagasan tentang orbit Bohr elektron dalam sebuah atom. Orbit atom yang terlokalisasi secara tepat seperti itu tidak ada, dan kesesuaian yang baik antara perhitungan orbit elektron dalam atom hidrogen, sesuai dengan teori Bohr dan data eksperimen, disebabkan oleh fakta bahwa hanya untuk atom hidrogen orbit elektron Bohr bertepatan dengan baik. dengan kurva kepadatan muatan rata-rata dihitung sesuai dengan teori kuantum Schrödinger. Untuk atom multielektron, kebetulan seperti itu tidak teramati.
Saat ini, berdasarkan mekanika kuantum, serta elektrodinamika kuantum, teori kuantum medan elektromagnetik, dikembangkan pada tahun 1927. P.A. Dirak, banyak ciri perilaku sistem atom-molekul multielektron yang dapat dijelaskan. Secara khusus, dimungkinkan untuk menyelesaikan pertanyaan paling penting tentang struktur atom berbagai unsur dan menetapkan ketergantungan sifat-sifat unsur pada struktur kulit elektron atomnya. Saat ini, skema struktur atom dari semua unsur kimia telah dikembangkan, yang memungkinkan untuk menjelaskan banyak sifat fisik dan kimia unsur.
Ingatlah bahwa jumlah elektron yang berputar mengelilingi inti atom sesuai dengan nomor urut unsur dalam tabel periodik D.I. Mendeleev. Elektron tersusun berlapis-lapis. Setiap lapisan memiliki sejumlah elektron tertentu yang mengisi atau seolah-olah menjenuhkannya. Elektron pada lapisan yang sama dicirikan oleh nilai energi yang dekat, yaitu. berada pada tingkat energi yang kira-kira sama. Seluruh kulit atom meluruh menjadi beberapa tingkat energi ( N). Elektron pada setiap lapisan berikutnya berada pada tingkat energi yang lebih tinggi dibandingkan elektron pada lapisan sebelumnya. Jumlah maksimum elektron ( N), yang berada pada tingkat energi tertentu (n), ditentukan dengan rumus N = 2n 2, yaitu. pada tingkat pertama (n=1) mungkin ada dua elektron, yang kedua (n = 2)– delapan elektron, pada elektron ketiga (n= 3)- delapan belas.
Elektron pada lapisan terluar, yang paling jauh dari inti dan, oleh karena itu, paling tidak terikat erat pada inti, dapat terlepas dari atom dan melekat pada atom lain, menjadi bagian dari lapisan terluar inti. Atom yang kehilangan satu atau lebih elektron menjadi bermuatan positif karena muatan inti atom melebihi jumlah muatan elektron yang tersisa. Sebaliknya, atom yang memperoleh elektron menjadi bermuatan negatif. Partikel bermuatan yang dihasilkan disebut ion. Banyak ion, pada gilirannya, dapat kehilangan atau memperoleh elektron, berubah menjadi atom yang netral secara listrik atau ion baru dengan muatan berbeda.
Meringkas pertimbangan hasil utama pendekatan mekanika kuantum terhadap struktur dan struktur atom, kami mencatat hal berikut . Keadaan setiap elektron dalam atom dicirikan oleh empat bilangan kuantum - n, aku, t, s:
1) N – Hal utama bilangan kuantum mencirikan energi elektron pada orbit yang sesuai ( N);
2)aku – orbital bilangan kuantum, mencirikan bentuk orbit (awan elektron) dan dapat bervariasi dalam atom dari 0 hingga N = 1;
3)T– bersifat magnetis bilangan kuantum, mencirikan orientasi orbit (awan elektron) di ruang angkasa dan dapat mengambil nilai dari +1 hingga –1;
4)S–putaran bilangan kuantum mencirikan rotasi elektron pada porosnya sendiri dan hanya dapat mengambil dua nilai: S= ±1/2.
Menurut salah satu prinsip terpenting mekanika kuantum, prinsip Pauli, sebuah atom tidak dapat memiliki elektron yang keempat bilangan kuantumnya sama. Dalam kerangka mekanika kuantum, baik struktur atom maupun perubahan sifat-sifat unsur kimia dalam tabel periodik dijelaskan secara lengkap oleh D.I. Mendeleev.
Penerapan mekanika kuantum pada bidang fisika juga membuahkan hasil. Teori kuantum medan elektromagnetik dibangun - elektrodinamika kuantum, yang mengungkapkan sejumlah hukum dasar dunia mikro. Diantaranya adalah hukum paling penting tentang transformasi timbal balik dua jenis zat material - materi dan materi lapangan - menjadi satu sama lain.
mengambil tempatnya di jajaran partikel elementer foton– partikel medan elektromagnetik yang tidak memiliki massa diam. Sintesis mekanika kuantum dan relativitas khusus menghasilkan prediksi keberadaan antipartikel. Ternyata setiap partikel pasti mempunyai “kembarannya” masing-masing. – partikel lain dengan massa yang sama tetapi muatan listrik atau muatan lainnya berlawanan. Fisikawan Inggris P.A. Dirak – pendiri teori relativistik hingga medan tanduk – meramalkan keberadaan positron dan kemungkinan mengubah foton menjadi pasangan elektron-positron dan sebaliknya. Positron, antipartikel elektron, ditemukan secara eksperimental pada tahun 1934. K.D. Anderson dalam sinar kosmik.
Fisika nuklir.Menurut konsep modern, inti atom suatu unsur terdiri dari proton dan neutron. Indikasi pertama bahwa komposisi inti atom mencakup proton (inti atom hidrogen) diperoleh oleh Rutherford pada tahun 1919 sebagai hasil penemuan sensasionalnya yang baru (setelah penemuan struktur atom) - pembelahan inti atom di bawah pengaruh partikel α dan produksi unsur kimia baru sebagai hasil reaksi nuklir buatan pertama.
Dalam salah satu versi eksperimennya menggunakan ruang awan berisi nitrogen, yang di dalamnya terdapat sumber radiasi radioaktif, Rutherford memperoleh foto jejak partikel α, yang pada ujungnya terdapat percabangan yang khas - sebuah “garpu ”. Salah satu sisi “garpu” memberikan jalur pendek, dan sisi lainnya – jalur panjang. Jalur panjang tersebut memiliki ciri yang sama dengan jalur yang sebelumnya diamati oleh Rutherford ketika membombardir atom hidrogen dengan partikel α
Ini adalah pertama kalinya dikemukakan gagasan bahwa inti hidrogen merupakan bagian integral dari inti atom lain. Selanjutnya, Rutherford mengusulkan istilah “proton” untuk komponen inti ini.
Skema reaksi Rutherford dapat direpresentasikan sebagai berikut: partikel memasuki inti atom nitrogen dan diserap olehnya. Inti perantara dari isotop fluor yang terbentuk dalam hal ini ternyata tidak stabil: ia mengeluarkan satu proton dari dirinya sendiri, berubah menjadi inti isotop oksigen.
Pada tahun 1932 DD. Ivanenko menerbitkan sebuah catatan yang menyatakan bahwa, bersama dengan proton, neutron juga merupakan elemen struktural inti. Pada tahun 1933, ia memperkuat model inti proton-neutron dan merumuskan tesis utama bahwa inti hanya mengandung partikel berat - proton dan neutron. Dalam hal ini, kedua partikel dapat berubah menjadi satu sama lain. Lebih jauh proton Dan neutron mulai dianggap sebagai dua keadaan dari satu partikel - nukleon.
Dan pada tahun 1933 yang sama J.Chadwick secara eksperimental membuktikan keberadaan neutron dalam inti atom. Ia menyinari pelat berilium dengan partikel alfa dan mempelajari reaksi transformasi berilium (Be) menjadi karbon (C) dengan emisi neutron n).
Neutron yang dipancarkan dari berilium diarahkan ke ruang awan yang berisi nitrogen (N), dan ketika neutron mengenai proton atom nitrogen, inti boron (B) dan partikel α terbentuk.
Neutron sendiri tidak menghasilkan jejak di ruang awan, tetapi dari jejak inti boron dan partikel α dapat dihitung bahwa reaksi ini disebabkan oleh partikel netral yang bermassa satu satuan massa atom, yaitu neutron. Perhatikan bahwa neutron bebas tidak bertahan lama, bersifat radioaktif, waktu paruhnya sekitar 8 menit, setelah itu berubah menjadi proton, memancarkan partikel β (elektron) dan neutrino. Setelah penemuan neutron, model struktur inti atom proton-neutron oleh D.D. Ivanenko telah diakui secara universal.
Semua reaksi nuklir disertai dengan emisi partikel elementer tertentu. Produk reaksi nuklir berubah menjadi radioaktif, demikianlah sebutannya isotop radioaktif buatan. Fenomena radioaktivitas buatan ditemukan pada tahun 1934 oleh fisikawan terkenal Perancis Frederick Dan Irene Joliot-Curie.
Seperti zat radioaktif alami, isotop radioaktif yang diproduksi secara artifisial memancarkan radiasi α, β, dan γ. Namun selain radiasi yang terdaftar, Frederic dan Irene Joliot-Curie menemukan jenis radioaktivitas baru - emisi elektron-positron positif.
Ini pertama kali dilakukan menggunakan ruang awan ketika membombardir unsur-unsur ringan tertentu (berilium, boron, aluminium) dengan partikel alfa, sebagai akibatnya serangkaian isotop radioaktif baru, yang sebelumnya tidak diamati di alam, diciptakan secara artifisial. Contoh pembentukan isotop radioaktif positron adalah reaksi pemboman aluminium dengan partikel . Dan dalam hal ini, inti aluminium memancarkan neutron dan berubah menjadi inti isotop radioaktif fosfor, yang pada gilirannya memancarkan positron. β + , berubah menjadi isotop silikon yang stabil.
Pada skala industri, isotop radioaktif buatan biasanya dihasilkan melalui iradiasi (terutama neutron) unsur kimia terkait dalam reaktor nuklir.
Setelah diketahui bahwa inti atom terdiri dari proton dan neutron, teori inti atom dikembangkan lebih lanjut untuk mempelajari interaksi partikel-partikel di dalam inti, serta struktur inti atom berbagai unsur. .
Di bawah ini adalah informasi dasar tentang sifat dan struktur inti.
1. Inti disebut bagian tengah atom, di mana hampir seluruh massa atom dan muatan listrik positifnya terkonsentrasi. Semua inti atom terdiri dari proton dan neutron, yang dianggap sebagai dua keadaan muatan dari satu partikel - nukleon.
Proton mempunyai muatan listrik positif yang nilai absolutnya sama dengan muatan elektron e=1,6 –19 C dan massa diam t r ~ 1.6726 10 – 27kg.
neutron tidak memiliki muatan listrik, massanya sedikit lebih besar dari massa proton - t hal= 1,6749 10 –27kg.
Massa inti partikel elementer biasanya dinyatakan dalam satuan massa atom (sma). Satuan massa atom dianggap 1/12 massa isotop karbon: 1 sma. = 1,66 · 10 –27kg. Karena itu, t r= 1,00728 sma, a t hal= 1,00866 sma
2. Biaya inti disebut kuantitas Ze, Di mana e– besarnya muatan proton; Z adalah nomor urut suatu unsur kimia dalam tabel periodik Mendeleev, sama dengan jumlah proton dalam inti atom.
Saat ini inti atom dengan nomor urut Z = 1 sampai Z = 114 telah diketahui (N) dengan jumlah proton (Z) mendekati atau sama dengan kesatuan. Untuk inti unsur kimia yang terletak di akhir tabel periodik, perbandingan N/Z = 1,6.
3. Jumlah total nukleon dalam inti atom A= N+ Z ditelepon nomor massa. Nukleon (proton dan neutron) diberi nomor massa sama dengan satu. Inti dengan hal yang sama Z, tapi berbeda A disebut isotop. Inti itu, dengan hal yang sama A mempunyai Z yang berbeda, disebut isobar. Inti unsur kimia biasanya dilambangkan dengan simbol .X, A, Z dimana X– lambang suatu unsur kimia; A– nomor massa; Z – nomor atom.
Secara total, sekitar 300 isotop stabil unsur kimia dan lebih dari 2000 isotop radioaktif yang diproduksi secara alami dan buatan telah diketahui.
Semua isotop dari satu unsur kimia memiliki struktur kulit elektron yang sama. Oleh karena itu, isotop suatu unsur memiliki sifat kimia yang sama. Kini telah diketahui bahwa sebagian besar unsur kimia yang ditemukan di alam merupakan campuran isotop. Oleh karena itu, massa atom unsur-unsur yang ditunjukkan dalam tabel periodik seringkali berbeda secara signifikan dari bilangan bulat.
4. Besar kecilnya inti dicirikan oleh jari-jari inti yang mempunyai arti konvensional akibat kaburnya batas-batas inti. Rumus empiris jari-jari inti R= RA, Di mana R=(1.3/1.7)10 –15 m, dapat diartikan sebagai perbandingan volume inti dengan jumlah nukleon di dalamnya.
5. Partikel nuklir memiliki momen magnetnya sendiri, yang menentukan momen magnet inti (Rtt) umumnya. Satuan ukuran momen magnet inti adalah magneton nuklir μ SAYA = eh,/2t p, Di mana e– nilai absolut muatan elektron; H– Konstanta Planck; t r– massa proton. Magneton nuklir μ racunnya 1836,5 kali lebih kecil dari momen magnet elektron dalam atom, artinya sifat kemagnetan atom ditentukan oleh sifat kemagnetan elektronnya.
6. Distribusi muatan listrik proton pada inti umumnya asimetris. Besar simpangan distribusi simetris bola ini adalah momen listrik kuadrupol inti Q. Jika kepadatan inti diasumsikan sama di semua tempat, maka Q hanya ditentukan oleh bentuk inti.
Nukleon-nukleon yang menyusun nukleus dihubungkan satu sama lain oleh gaya tarik-menarik khusus - gaya nuklir. Stabilitas inti atom sebagian besar unsur menunjukkan bahwa gaya nuklir sangat kuat: gaya tersebut harus melebihi gaya tolak Coulomb yang signifikan yang bekerja antara proton-proton yang terletak pada jarak orde 10–13 cm (sesuai urutan ukuran inti atom). ). Gaya nuklir adalah gaya khusus yang terkait dengan keberadaan jenis materi khusus di dalam inti - bidang nuklir.
Saat ini, teori gaya nuklir meson telah diterima, yang menyatakan bahwa nukleon berinteraksi satu sama lain melalui pertukaran partikel elementer khusus - π-meson - kuanta medan nuklir.
Kehadiran partikel pertukaran dalam inti - meson - pertama kali diprediksi secara teoritis oleh seorang ilmuwan Jepang Hidoki Yukawa pada tahun 1936, dan kemudian ditemukan dalam sinar kosmik pada tahun 1947.
Ciri-ciri umum gaya nuklir intinya sebagai berikut.
1. Gaya nuklir adalah gaya jarak pendek. Mereka hanya muncul pada jarak yang sangat kecil antara nukleon inti dengan orde 10 – 15 m. Panjangnya (1,5 2,2) –10 – 15 m disebut jangkauan kekuatan nuklir.
2. Gaya nuklir menunjukkan independensi muatan: gaya tarik-menarik antara dua nukleon adalah sama terlepas dari keadaan muatan nukleon – proton atau nukleon. Kemandirian muatan gaya nuklir terlihat dari perbandingan energi dalam inti cermin (ini adalah nama yang diberikan untuk inti yang jumlah total nukleonnya sama, tetapi jumlah proton dalam satu sama dengan jumlah neutron dalam satu inti). yang lain).
3. Gaya nuklir memiliki sifat saturasi, yang dimanifestasikan dalam kenyataan bahwa nukleon dalam inti hanya berinteraksi dengan sejumlah nukleon tetangga yang paling dekat dengannya. Inilah sebabnya mengapa terdapat ketergantungan linier energi ikat inti atom pada nomor massanya A. Kejenuhan gaya nuklir yang hampir sempurna dicapai pada partikel α, yang merupakan formasi yang sangat stabil.
Nukleon terikat erat di dalam inti oleh gaya nuklir. Untuk memutus hubungan ini, mis. Untuk pemisahan nukleon secara sempurna, diperlukan upaya yang signifikan. Energi yang diperlukan untuk memisahkan nukleon-nukleon penyusun inti disebut energi pengikatan nuklir. Besarnya energi ikat dapat ditentukan berdasarkan hukum kekekalan energi dan hukum proporsionalitas massa dan energi sesuai dengan rumus Einstein E = ts 2.
Menurut hukum kekekalan energi, energi nukleon yang terikat dalam inti harus lebih kecil dari energi nukleon yang terpisah sebesar energi ikat ε 0. Sebaliknya menurut hukum proporsionalitas massa dan energi, terjadi perubahan energi sistem ΔW harus disertai dengan perubahan massa sistem secara proporsional sebesar Δm, itu. ΔW = Δmc 2, Di mana Dengan– kecepatan cahaya dalam ruang hampa.
Sejak dalam kasus ini ΔW adalah energi ikat inti, maka massa inti atom harus lebih kecil dari jumlah massa nukleon penyusun inti dengan besarnya Δm, yang disebut cacat massa inti. Dari relasinya ΔW = Δmc 2 energi ikat suatu inti dapat dihitung jika cacat massa inti tersebut diketahui Δm.
Sebagai contoh, mari kita hitung energi ikat inti atom helium. Terdiri dari dua proton dan dua neutron. Massa proton t r= 1,0073 sma, massa neutron – t hal= 1,0087 sma Oleh karena itu, massa nukleon yang membentuk inti adalah sama dengan 2t r + 2 t p = 4,0320 sma Massa inti atom helium aku = 4,0016 sma Jadi, cacat massa inti atom helium adalah sama dengan Δm= 4,0320 – 4,0016 = 0,03 sma, atau Δm = 0,03 1,66 10~ 27 = 5 10~ 29kg. Kemudian energi ikat inti helium
ΔW = Δmc 2=510-29 9-10 16 J=28 MeV.
Rumus umum untuk menghitung energi ikat suatu inti (dalam joule) adalah:
ΔW = c 2 (- t i),
dimana Z adalah nomor atom; A - nomor massa.
Energi ikat inti per nukleon disebut energi pengikatan spesifik (ε ). Oleh karena itu, = ΔW/A(energi ikat spesifik) mencirikan kestabilan inti atom. Semakin besar s, semakin stabil inti tersebut.
Pada Gambar. Gambar 1 menyajikan hasil perhitungan energi ikat spesifik untuk atom yang berbeda (tergantung nomor massanya A).
Dari grafik pada Gambar. 2.2 maka energi ikat spesifiknya maksimum (8,65 MeV) untuk inti dengan nomor massa orde 100. Untuk inti berat dan ringan energinya agak lebih kecil (misalnya, 7,5 MeV untuk uranium dan 7 MeV untuk helium), untuk inti atom hidrogen energi ikat spesifiknya adalah nol, hal ini dapat dimaklumi, karena tidak ada yang terpisah dalam inti ini: hanya terdiri dari satu nukleon (proton).
a.e.m.
Beras. 1. Ketergantungan energi ikat spesifik pada nomor massa
Setiap reaksi nuklir disertai dengan pelepasan atau penyerapan energi. Saat fisi inti berat dengan nomor massa A sekitar 100 (atau lebih) energi nuklir dilepaskan.
Pelepasan energi nuklir juga terjadi selama jenis reaksi nuklir - ketika beberapa inti ringan digabungkan (sintesis) menjadi satu inti. Dengan demikian, pelepasan energi nuklir terjadi baik selama reaksi fisi inti berat maupun selama reaksi fusi inti ringan. Kuantitas energi nuklir Δ ε yang dilepaskan oleh masing-masing inti yang bereaksi sama dengan selisih antara energi ikat ε produk reaksi dan energi ikat bahan inti asli.
Perbandingan ∆E∆t>ħ/2 berarti konversi energi dengan presisi ∆E harus mengambil interval waktu yang sama dengan setidaknya ∆t~ ħ/∆E. Rasio ini bertanggung jawab atas lebar alami garis spektral atom dan ion. Masa hidup atom-atom yang tereksitasi adalah sesuai urutannya T~10 -8 10 -9 detik. Akibatnya, ada ketidakpastian energi di negara-negara tersebut ∆E~ ħ/t, yang sesuai dengan lebar alami garis spektrum. Jika ketidakpastian energi ∆E ~ ħ/∆t sesuai dengan energi beberapa partikel ( mс 2, hv), sehingga partikel ini, yang muncul dari “ketiadaan”, dapat berada dalam keadaan maya untuk waktu ∆t tanpa melanggar hukum kekekalan energi. Dalam teori medan kuantum modern, interaksi partikel dan transformasi timbal baliknya dianggap sebagai kelahiran atau penyerapan partikel maya oleh setiap partikel nyata. Setiap partikel terus menerus memancarkan atau menyerap partikel virtual dari berbagai jenis. Misalnya, interaksi elektromagnetik adalah hasil pertukaran foton maya, gravitasi – graviton. Medan gaya nuklir ditentukan oleh maya π–meson. Interaksi yang lemah tercipta boson vektor(ditemukan pada tahun 1983 di CERN, Swiss-Prancis). Dan pembawa interaksi yang kuat adalah gluon(dari kata bahasa Inggris yang berarti "lem"). Hubungan ketidakpastian membatasi penerapan mekanika klasik pada objek mikro. Hal ini menyebabkan banyak diskusi filosofis. Koordinat partikel dan momentumnya, perubahan energi dan waktu terjadinya perubahan tersebut disebut besaran yang saling melengkapi. Memperoleh informasi eksperimental tentang beberapa besaran fisika yang menggambarkan mikropartikel pasti terkait dengan hilangnya informasi tentang besaran lain, selain besaran pertama. Pernyataan ini, pertama kali dirumuskan oleh fisikawan Denmark N. Bohr, disebut prinsip saling melengkapi. Bohr menjelaskan prinsip saling melengkapi melalui pengaruh alat ukur yang selalu berupa alat makroskopis terhadap keadaan suatu benda mikro. Namun, dari sudut pandang teori kuantum modern, keadaan di mana besaran-besaran yang saling melengkapi secara bersamaan memiliki nilai-nilai yang ditentukan secara tepat pada dasarnya tidak mungkin. Prinsip saling melengkapi mencerminkan sifat objektif sistem kuantum yang tidak terkait dengan keberadaan pengamat, dan peran alat pengukur adalah untuk “mempersiapkan” keadaan sistem tertentu. Teori baru apa pun yang mengklaim memberikan gambaran lebih dalam tentang realitas fisik dan penerapan yang lebih luas dibandingkan teori lama harus memasukkan teori sebelumnya sebagai kasus pembatas. Dengan demikian, mekanika relativistik (teori relativitas khusus) pada batas kecepatan rendah berubah menjadi mekanika Newton. Dalam mekanika kuantum prinsip korespondensi mensyaratkan bahwa konsekuensi fisiknya dalam kasus yang membatasi bertepatan dengan hasil teori klasik. Prinsip korespondensi mengungkapkan fakta bahwa efek kuantum signifikan hanya ketika mempertimbangkan objek mikro, ketika dimensi aksi sebanding dengan konstanta Planck. Dari sudut pandang formal, prinsip korespondensi berarti dalam batas ħ → 0 deskripsi mekanika kuantum benda fisik harus setara dengan yang klasik. Pentingnya prinsip korespondensi melampaui mekanika kuantum– ini akan menjadi bagian integral dari skema teoretis baru apa pun. Dalam fisika modern, istilah “partikel unsur” biasanya tidak digunakan dalam arti sebenarnya, tetapi kurang tepat untuk menyebut sekelompok besar partikel kecil dari suatu materi yang bukan atom atau inti atom (pengecualiannya adalah proton). Sifat terpenting dari semua partikel elementer adalah kemampuannya untuk dilahirkan dan dimusnahkan (dipancarkan dan diserap) ketika berinteraksi dengan partikel lain. Sekarang jumlah partikel elementer yang diketahui sains (bersama dengan antipartikel) mendekati 400. Beberapa di antaranya stabil dan berada di alam dalam keadaan terikat bebas atau lemah. Ini adalah elektron, proton, neutron, foton dan berbagai jenis neutrino.
Semua partikel elementer lainnya sangat tidak stabil dan terbentuk dalam sinar kosmik sekunder atau diperoleh di laboratorium. Metode utama pembentukannya adalah tumbukan partikel stabil cepat, di mana sebagian energi kinetik awal diubah menjadi energi diam partikel yang dihasilkan. (sebagai aturan, tidak bertepatan dengan yang bertabrakan).
Ciri umum semua partikel elementer adalah massa M, seumur hidup T, putaran J dan muatan listrik Q.
Tergantung pada masa hidupnya, partikel elementer dibagi menjadi stabil, kuasi-stabil, dan tidak stabil (resonansi). Stabil dalam keakuratan pengukuran modern adalah elektron (t > 5 10 21 tahun), proton (t > 5 10 31 tahun), foton dan neutrino. Partikel kuasi-stabil termasuk partikel yang meluruh akibat interaksi elektromagnetik dan lemah; masa hidupnya adalah t > 5 10 -20 detik. Contoh partikel kuasi-stabil adalah neutron.
Ia meluruh karena interaksi yang lemah, masa hidup rata-rata adalah 15,3 menit: 
.
Resonansi adalah partikel elementer yang meluruh karena interaksi kuat; karakteristik masa hidupnya adalah t~ 10 -22 - 10 -24 s.
Muatan listrik partikel elementer adalah kelipatan bilangan bulat e≈1.6-10 -19 C, disebut muatan listrik dasar (muatan elektron). Untuk partikel elementer yang diketahui Q = 0, ±1, ±2.
Putaran partikel elementer merupakan kelipatan bilangan bulat atau setengah bilangan bulat dari konstanta Planck ħ.
Partikel dengan putaran setengah bilangan bulat disebut fermion. Fermion termasuk lepton (seperti elektron dan neutrino) dan baryon, yang terdiri dari quark (misalnya proton dan neutron). Sistem Fermion dijelaskan Statistik kuantum Fermi-Dirac. Fermion mematuhi prinsip pengecualian Pauli dan dalam keadaan kuantum tertentu sistem fermion tidak boleh memuat lebih dari satu partikel. Fermion membentuk struktur material.
Partikel dengan putaran bilangan bulat atau nol disebut boson. Boson termasuk partikel dengan massa diam nol (foton, graviton), serta meson, terdiri dari quark (misalnya, π-meson). Sistem partikel tersebut dijelaskan Statistik Bose-Einstein. Boson tidak mematuhi prinsip pengecualian Pauli dan tidak ada batasan jumlah partikel yang dapat berada dalam keadaan kuantum tertentu. Mereka membentuk medan interaksi (menurut teori medan kuantum) antara fermion.
Misalnya, struktur material dibentuk oleh elektron dan nukleon (proton dan neutron yang membentuk inti atom), dan medan interaksi elektromagnetik di antara keduanya dibentuk oleh foton (lebih tepatnya, foton virtual) (Gbr. 2).
Gambar 2. Klasifikasi partikel elementer
Meson dan baryon terdiri dari quark, dan karenanya memiliki nama yang sama - hadron. Semua hadron yang diketahui terdiri dari pasangan quark-antiquark (meson) atau tiga quark (baryon). Quark dan antiquark disimpan di dalam hadron oleh medan gluon. Quark berbeda dalam “rasa” dan “warna.” Setiap quark dapat berada dalam salah satu dari tiga status warna: merah, biru, dan kuning. Adapun “rasa”, ada 5 yang diketahui dan diasumsikan ada yang keenam. Rasa quark ditunjukkan dengan huruf kamu, d, s, c, b, t, yang sesuai dengan kata-kata bahasa Inggris atas, bawah, aneh, terpesona, cantik Dan kebenaran. Selain itu, setiap quark memiliki antiquarknya sendiri. Tidak ada satu pun quark yang pernah didaftarkan dalam bentuk bebas, meskipun telah dilakukan pencarian selama bertahun-tahun. Quark hanya dapat diamati di dalam hadron.
Fisika partikel didasarkan pada konsep interaksi fundamental: gravitasi, elektromagnetik, kuat dan lemah.
Interaksi elektromagnetik disebabkan oleh pertukaran foton, yang dipelajari lebih baik dibandingkan boson lainnya. Sumber foton adalah muatan listrik. Interaksi gravitasi dikaitkan dengan partikel yang masih hipotetis - graviton. Boson netral (Z 0) dan bermuatan (W + ,W –) merupakan pembawa interaksi lemah antara elektron, proton, neutron, dan neutrino. Pembawa interaksi kuat adalah gluon . Mereka tampaknya merekatkan quark menjadi satu dalam hadron. Sumber gluon disebut muatan “warna”. Mereka tidak ada hubungannya dengan warna biasa dan diberi nama demikian untuk kemudahan deskripsi. Masing-masing dari enam rasa quark hadir dalam tiga variasi warna: kuning, biru atau merah. (f, s, k masing-masing). Barang antik juga membawa warna anti-muatan. Penting untuk ditekankan bahwa ketiga muatan dan tiga antimuatan sama sekali tidak bergantung pada cita rasa quark. Jadi, saat ini jumlah quark dan antiquark (termasuk tiga warna dan enam rasa) telah mencapai 36. Selain itu, ada sembilan gluon lagi, seperti quark, tidak diamati dalam keadaan bebas.
Keberadaan quark dan gluon menyebabkan munculnya wujud materi baru yang disebut plasma kuark-gluon.
Ini adalah plasma yang tidak terdiri dari elektron dan ion, seperti plasma biasa, tetapi dari quark dan gluon, yang berinteraksi lemah satu sama lain atau tidak berinteraksi sama sekali.
Salah satu tugas utama mikrofisika, yang solusinya diimpikan oleh A. Einstein, adalah penciptaan teori medan terpadu yang akan menyatukan semua interaksi fundamental yang diketahui. Penciptaan teori semacam itu berarti terobosan mendasar dalam semua bidang ilmu pengetahuan.
Sampai saat ini, sebuah teori telah dibuat dan diakui yang menggabungkan dua interaksi mendasar - lemah dan elektromagnetik. Itu disebut teori terpadu tentang interaksi lemah dan elektromagnetik (elektrolemah). dan mengklaim bahwa ada partikel khusus - pembawa interaksi antara elektron, proton, neutron, neutrino. Partikel-partikel ini disebut boson W + , W – dan Z°, secara teoritis diprediksi pada tahun 70an. abad terakhir dan ditemukan secara eksperimental pada tahun 1983.
Teori interaksi kuat disebut kromodinamika kuantum. Teori ini, yang menjelaskan interaksi kuark dan gluon, dimodelkan setelah elektrodinamika kuantum, yang selanjutnya menjelaskan interaksi elektromagnetik yang disebabkan oleh pertukaran foton. Tidak seperti foton yang netral secara listrik, gluon adalah pembawa muatan “warna”. Hal ini mengarah pada fakta bahwa ketika mencoba memisahkan mereka dalam ruang, energi interaksi meningkat. Akibatnya, gluon dan quark tidak berada dalam keadaan bebas: mereka “terkunci sendiri” di dalam hadron.
Teori modern tentang partikel elementer, yang terdiri dari teori interaksi elektrolemah dan kromodinamika kuantum, biasa disebut model standar. Teori fenomenologis yang kompleks namun hampir lengkap ini adalah alat teoretis utama yang dapat digunakan untuk memecahkan masalah mikrofisika.
“Unifikasi Hebat” adalah nama yang diberikan untuk model teoretis yang didasarkan pada gagasan tentang kesatuan interaksi kuat, lemah, dan elektromagnetik. Ini dirancang untuk menyatukan semua partikel yang ada: fermion, boson, dan partikel skalar. Dalam kerangka teori Unifikasi Besar, banyak fenomena yang sangat penting telah dijelaskan dengan baik, khususnya seperti asimetri gluon yang diamati di Alam Semesta, massa diam kecil neutrino yang bukan nol, kuantisasi muatan listrik, dan keberadaan solusi seperti itu. sebagai monopole Dirac magnetik. Menurut data terbaru, rata-rata masa hidup proton lebih dari 1,6 10 33 tahun. Membuktikan bahwa proton tidak stabil akan menjadi penemuan yang sangat penting. Namun kerusakan ini belum tercatat. Para ilmuwan berharap pengembangan lebih lanjut model Unifikasi Besar akan mengarah pada penyatuan semua interaksi, termasuk interaksi gravitasi (superunifikasi). Tapi ini masalah masa depan.
Dalam mikrofisika, panjang fundamental tertentu diketahui dan memainkan peran penting, yang disebut panjang Planck, atau gravitasi - aku g= 1,6 –33 cm Dipercaya bahwa panjang yang kurang dari Planck tidak ada di alam. Bersama dengan waktu Planck tg ~ 1.6 10 –43 s merupakan kuanta ruang-waktu, yang dimaksudkan untuk menjadi dasar teori gravitasi kuantum masa depan. Menurut akademisi V.L. Ginzburg, arti fisik dari panjang aku g adalah bahwa pada skala yang lebih kecil tidak mungkin lagi menggunakan teori gravitasi relativistik klasik dan, khususnya, teori relativitas umum (GR), yang konstruksinya diselesaikan oleh Einstein pada tahun 1915.
Saat ini, “parameter dampak” terkecil yang dicapai pada akselerator modern adalah aku ~ 10 –17 cm Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa sampai dengan jaraknya aku ~ 10–17 cm dan kali aku f /c ~ 10 –27 s koordinat ruang-waktu yang ada valid. Arti aku f berbeda dengan nilainya aku g sebanyak 16 kali lipat, sehingga pertanyaan tentang panjang fundamentalnya masih relevan bagi sains.
Pada paruh pertama abad ke-20, ketika objek studi mikrofisika adalah atom dan kemudian inti atom, untuk memahami perilaku elektron dalam atom, perlu dilakukan revolusi sejati dalam sains - untuk menciptakan kuantum. mekanika. Mikrofisika kemudian menempati tempat yang sangat istimewa dalam ilmu pengetahuan alam. Berkat keberhasilannya, kami dapat memahami struktur materi. Mikrofisika adalah dasar ilmu fisika modern.
dunia makro
Dari dunia mikro ke dunia makro. Teori struktur atom memberi kimia kunci untuk memahami esensi reaksi kimia dan mekanisme pembentukan senyawa kimia - tingkat organisasi materi material yang lebih kompleks dibandingkan dengan bentuk atom unsur.
Mekanika kuantum memungkinkan untuk memecahkan pertanyaan yang sangat penting tentang susunan elektron dalam atom dan untuk menetapkan ketergantungan sifat-sifat unsur pada struktur kulit elektron. Saat ini, skema struktur atom semua unsur kimia telah dikembangkan. Saat membangunnya, para ilmuwan berangkat dari pertimbangan umum tentang stabilitas berbagai kombinasi elektron. Dan tentu saja, hukum periodik D.I. Mendeleev.
Saat mengembangkan diagram struktur atom unsur, hal-hal berikut diperhitungkan:
1) diasumsikan bahwa jumlah elektron dalam suatu atom sama dengan muatan inti atom, yaitu. nomor urut unsur dalam tabel periodik;
2) seluruh kulit elektron meluruh menjadi beberapa lapisan yang sesuai dengan tingkat energi tertentu (n = 1, 2,3,4,...);
3) di setiap tingkat P tidak ada lagi N elektron, di mana N= 2п 2 ;
4) keadaan setiap elektron dalam suatu atom ditentukan oleh himpunan empat bilangan kuantum hal, aku, T Dan S.
Menurut prinsip Pauli, semua elektron dalam suatu atom berbeda satu sama lain setidaknya dengan satu bilangan kuantum. Tidak ada dua elektron dalam sebuah atom yang bilangan kuantumnya sama; sesuai dengan asumsi ini, diagram struktur atom yang disederhanakan telah dibuat untuk tiga periode pertama tabel periodik.
Meskipun skema ini konvensional dan sederhana, namun skema ini cukup untuk menjelaskan sifat-sifat terpenting unsur dan senyawa.
Misalnya, pada tingkat energi pertama ( n = 1, aku =0, t = 0) hanya ada dua elektron, berbeda dalam bilangan kuantum spinnya (S= ±1/2). Elektron lain di n = Tidak mungkin ada 1. Hal ini sesuai dengan fakta bahwa jika terdapat satu elektron pada tingkat pertama, maka ini adalah atom hidrogen; jika ada dua elektron, maka itu adalah atom helium. Kedua unsur tersebut mengisi baris pertama tabel periodik.
Baris kedua tabel periodik ditempati oleh unsur-unsur yang elektronnya terletak pada tingkat energi kedua ( P= 2). Terdapat total delapan elektron pada tingkat energi kedua (N=2· 2 2).
Memang kapan P= 2 keadaan elektron berikut dapat terjadi: jika aku = 0 dan T= 0, maka dapat terdapat dua elektron dengan spin berlawanan; Jika aku = 1, lalu T dapat mengambil tiga nilai (T= –1; 0; +1), dan setiap nilai T juga berhubungan dengan dua elektron dengan spin berbeda. Jadi, totalnya akan ada delapan elektron.
Unsur baris kedua dalam tabel periodik, yang secara berurutan menambahkan satu elektron pada tingkat energi kedua, adalah litium, berilium, boron, karbon, nitrogen, oksigen, fluor, neon.
Pada bilangan kuantum utama P= 3 aku dapat mengambil tiga nilai ( aku=0; 1; 2), dan semua orang aku cocok dengan beberapa nilai T. pada aku= 0 T= 0; pada aku~ 1 T= –1; 0; +1; pada aku=2t=–2; -1; 0; saya 1; +2 (Gbr. 2.4).
Karena totalnya bisa ada sembilan nilai T, dan ke setiap negara bagian T sesuai dengan dua elektron dengan nilai yang berbeda s =±1/2, tetapi hanya pada tingkat energi ketiga (n = 3) mungkin 18 elektron (N=2· Z 2).
Baris ketiga dalam tabel periodik berhubungan dengan pengisian berurutan tingkat energi terluar unsur-unsur dari natrium hingga argon (natrium, magnesium, aluminium, silikon, fosfor, belerang, klor, argon) dengan elektron.
Tingkat energi dan kemungkinan keadaan elektron dalam sebuah atom: kemungkinan orbit di mana elektron dalam sebuah atom bergerak mengelilingi inti dapat digambarkan dalam bentuk lingkaran (A), yang masing-masing lingkaran tersebut memuat bilangan bulat panjang gelombang cahaya yang sama dengan bilangan kuantum utama P. Analog dua dimensi suatu atom dapat digambarkan dengan dua bilangan kuantum, sedangkan atom nyata dicirikan oleh tiga bilangan kuantum.
Baris tabel periodik berikut ini sesuai dengan aturan yang lebih kompleks untuk mengisi tingkat terluar atom dengan elektron, karena dengan bertambahnya jumlah elektron, interaksi kolektif antara kelompok elektron berbeda yang terletak pada tingkat energi berbeda mulai muncul dalam atom. Hal ini menyebabkan perlunya mempertimbangkan sejumlah efek yang lebih halus.
Penjelasan struktur kulit elektron atom juga mempengaruhi struktur sistem periodik itu sendiri, sehingga sedikit mengubah pembagian unsur ke dalam periode-periode yang ada hingga saat itu. Pada tabel sebelumnya, setiap periode dimulai dengan gas inert, dan hidrogen tersisa di luar periode tersebut. Namun kini menjadi jelas bahwa periode baru harus dimulai dengan unsur yang atomnya pertama kali muncul lapisan elektron baru berupa satu elektron valensi (logam hidrogen dan alkali), dan diakhiri dengan unsur yang atomnya mempunyai delapan lapisan elektron. elektron, membentuk karakteristik struktur elektronik yang sangat kuat dari gas inert.
Teori struktur atom juga menjawab pertanyaan tentang posisi unsur tanah jarang dalam tabel periodik, yang karena kemiripannya satu sama lain, tidak dapat didistribusikan ke dalam kelompok yang berbeda. Atom-atom unsur-unsur ini berbeda satu sama lain dalam struktur salah satu lapisan elektronik bagian dalam, sedangkan jumlah elektron pada lapisan terluar, yang menjadi sandaran utama sifat-sifat kimia unsur tersebut, adalah sama. Oleh karena itu, semua unsur tanah jarang (lantanida) kini ditempatkan di luar tabel umum.
Namun, makna utama teori struktur atom adalah mengungkap makna fisik hukum periodik, yang pada masa Mendeleev masih belum jelas. Cukup dengan melihat tabel susunan elektron dalam atom unsur kimia untuk memastikan bahwa dengan meningkatnya muatan inti atom Kombinasi elektron yang sama pada lapisan terluar atom terus berulang. Jadi, perubahan periodik pada sifat-sifat unsur kimia terjadi karena kembalinya konfigurasi elektronik yang sama secara berkala.
Mari kita coba menetapkan dengan lebih tepat bagaimana sifat kimia atom bergantung pada struktur kulit elektron.
Pertama-tama mari kita pertimbangkan perubahan properti selama beberapa periode. Dalam setiap periode (kecuali periode pertama), sifat logam, yang paling menonjol pada anggota periode pertama, secara bertahap melemah selama transisi ke anggota berikutnya dan digantikan oleh sifat metaloid: pada awal periode terdapat logam khas, di ujungnya adalah metaloid khas (non-logam) dan setelahnya – gas inert.
Perubahan teratur sifat-sifat unsur dalam periode tertentu dapat dijelaskan sebagai berikut. Sifat logam yang paling khas dari sudut pandang kimia adalah kemampuan atomnya untuk dengan mudah melepaskan elektron terluarnya dan berubah menjadi ion bermuatan positif, sedangkan metaloid, sebaliknya, dicirikan oleh kemampuannya untuk memperoleh elektron untuk membentuk ion negatif. .
Untuk melepaskan elektron dari atom dan mengubahnya menjadi ion positif, Anda perlu mengeluarkan sejumlah energi, yang disebut potensi ionisasi.
Potensi ionisasi memiliki nilai terendah untuk unsur-unsur yang memulai periode, yaitu. untuk logam hidrogen dan alkali, dan yang terbesar untuk unsur-unsur yang berakhiran periode, yaitu untuk gas inert. Nilainya dapat digunakan sebagai ukuran besar atau kecilnya “metalisitas” suatu unsur: semakin rendah potensi ionisasinya, semakin mudah elektron dilepaskan dari suatu atom, maka sifat logam unsur tersebut akan semakin jelas.
Besarnya potensi ionisasi bergantung pada tiga alasan: besarnya muatan inti, jari-jari atom, dan jenis interaksi khusus antar elektron dalam medan listrik inti yang disebabkan oleh sifat gelombangnya. Jelasnya, semakin besar muatan inti dan semakin kecil jari-jari atom, semakin kuat tarikan elektron ke inti dan semakin besar potensi ionisasinya.
Untuk unsur-unsur pada periode yang sama, selama transisi dari logam alkali ke gas inert, muatan inti secara bertahap meningkat, dan jari-jari atom menurun. Konsekuensinya adalah peningkatan potensi ionisasi secara bertahap dan melemahnya sifat logam. Dalam gas mulia, meskipun jari-jari atomnya lebih besar daripada jari-jari atom halogen pada periode yang sama, potensi ionisasinya lebih besar daripada potensi ionisasi halogen. Dalam hal ini, faktor ketiga yang disebutkan di atas—interaksi antar elektron—sangat terpengaruh, akibatnya kulit elektron terluar dari atom gas inert memiliki stabilitas energi khusus, dan untuk mengeluarkan elektron darinya diperlukan waktu yang signifikan. lebih banyak energi.
Penempelan elektron pada atom metaloid, mengubah kulit elektronnya menjadi kulit stabil atom gas inert, disertai dengan pelepasan energi. Besarnya energi ini, bila dihitung per 1 gram atom suatu unsur, berfungsi sebagai ukuran yang disebut afinitas elektron. Semakin besar afinitas elektron maka semakin mudah suatu atom mengikat elektron. Afinitas elektron atom logam adalah nol—atom logam tidak mampu mengikat elektron. Afinitas elektron atom metaloid semakin besar, semakin dekat metaloid tersebut dengan gas inert dalam tabel periodik. Oleh karena itu, dalam suatu periode, sifat metaloid meningkat seiring dengan semakin dekatnya akhir periode.
Dalam kehidupan sehari-hari kita tidak harus berhadapan dengan atom. Dunia di sekitar kita dibangun dari benda-benda yang terbentuk dari sejumlah besar atom berupa benda padat, cair, dan gas. Oleh karena itu, langkah kita selanjutnya adalah mempelajari bagaimana atom berinteraksi satu sama lain untuk membentuk molekul dan kemudian materi makroskopis. Bahkan kepribadian manusia (dan perilaku semua organisme hidup secara umum) merupakan hasil dari perbedaan struktur molekul raksasa yang membawa informasi genetik.
Molekul terdiri dari atom-atom identik atau berbeda yang dihubungkan satu sama lain melalui ikatan kimia antar atom. Kestabilan molekul menunjukkan bahwa ikatan kimia disebabkan oleh gaya interaksi yang mengikat atom-atom menjadi suatu molekul.
Gaya interaksi antar atom timbul antara elektron terluar atom. Potensi ionisasi elektron-elektron ini jauh lebih rendah dibandingkan elektron-elektron yang terletak pada tingkat energi internal.
Menemukan rumus spesifik senyawa kimia sangat disederhanakan jika Anda menggunakan konsep valensi unsur, yaitu. sifat atom-atomnya untuk menempel pada dirinya sendiri atau menggantikan sejumlah atom unsur lain.
Konsep valensi tidak hanya berlaku untuk atom individu, tetapi juga untuk seluruh kelompok atom yang merupakan bagian dari senyawa kimia dan berpartisipasi secara keseluruhan dalam reaksi kimia. Kelompok atom yang demikian disebut radikal.
Dasar fisika ikatan kimia dalam molekul materi. Namun, sifat gaya yang menentukan ikatan antar atom dalam molekul masih belum diketahui sejak lama. Hanya dengan berkembangnya doktrin struktur atom barulah muncul teori yang menjelaskan penyebab perbedaan valensi unsur dan mekanisme pembentukan senyawa kimia berdasarkan konsep elektronik. Semua teori ini didasarkan pada adanya hubungan antara fenomena kimia dan listrik.
Pertama-tama, mari kita memikirkan hubungan zat dengan arus listrik.
Beberapa zat merupakan penghantar arus listrik, baik padat maupun cair: misalnya, semuanya logam. Zat lain tidak menghantarkan arus dalam keadaan padat, namun bersifat konduktif secara listrik ketika dicairkan. Ini termasuk sebagian besar garam, serta banyak oksida dan hidrat oksida. Terakhir, kelompok ketiga terdiri dari zat yang tidak menghantarkan arus baik dalam wujud padat maupun cair. Ini mencakup hampir semua metaloid.
Pengalaman telah membuktikan bahwa konduktivitas listrik logam disebabkan oleh pergerakan elektron, dan konduktivitas listrik garam cair dan senyawa serupa disebabkan oleh pergerakan ion-ion yang muatannya berlawanan. Misalnya, ketika arus melewati garam meja cair, ion natrium Na+ yang bermuatan positif berpindah ke katoda, dan ion klor yang bermuatan negatif Cl – berpindah ke anoda. Jelaslah bahwa dalam garam, ion-ion tersebut sudah ada dalam zat padat; pencairan hanya akan menciptakan kondisi bagi pergerakan bebasnya. Oleh karena itu, senyawa tersebut disebut senyawa ionik. Zat yang praktis tidak menghantarkan arus tidak mengandung ion: zat tersebut tersusun dari molekul atau atom yang netral secara listrik. Dengan demikian, perbedaan perbandingan zat terhadap arus listrik merupakan akibat dari perbedaan keadaan listrik partikel-partikel pembentuk zat tersebut.
Jenis zat di atas berhubungan dengan dua jenis ikatan kimia yang berbeda:
a) ikatan ionik, disebut juga elektrovalen (antara ion-ion yang bermuatan berlawanan dalam senyawa ionik);
b) ikatan atom, atau kovalen (antara atom-atom yang netral secara elektrik dalam molekul semua zat lainnya).
Ikatan ionik Jenis ikatan ini terjadi antara ion-ion yang bermuatan berlawanan dan terbentuk sebagai hasil tarik-menarik elektrostatis sederhana dari ion-ion satu sama lain.
Ion positif terbentuk dengan melepaskan elektron dari atom, ion negatif terbentuk dengan menambahkan elektron ke atom.
Misalnya, ion positif Na+ terbentuk ketika satu elektron dikeluarkan dari atom natrium. Karena hanya ada satu elektron di lapisan terluar atom natrium, maka wajar untuk berasumsi bahwa elektron inilah, sebagai elektron terjauh dari inti, yang dipisahkan dari atom natrium ketika diubah menjadi ion. Dengan cara yang sama, ion magnesium Mg 2+ dan aluminium A1 3+ diperoleh sebagai hasil abstraksi dua dan tiga elektron terluar dari atom magnesium dan aluminium.
Sebaliknya, ion belerang dan klor negatif terbentuk dengan menambahkan elektron ke atom-atom ini. Karena lapisan elektronik internal pada atom klor dan belerang terisi, elektron tambahan pada ion S 2 dan Cl – jelas harus mengambil tempat di lapisan terluar.
Membandingkan komposisi dan struktur kulit elektron ion Na +, Mg 2+, A1 3+, kita melihat bahwa semua ion ini memiliki ion yang sama – sama dengan atom gas inert neon (Ne).
Pada saat yang sama, ion S 2 dan Cl – , terbentuk sebagai hasil penambahan elektron pada atom belerang dan klor, memiliki kulit elektron yang sama dengan atom argon (Ar).
Jadi, dalam kasus yang dipertimbangkan, ketika atom diubah menjadi ion, kulit elektron ion menjadi mirip dengan kulit atom gas inert yang terletak paling dekat dengannya dalam tabel periodik.
Teori modern tentang ikatan kimia menjelaskan
Dalam bentuknya yang paling umum, materi adalah himpunan tak terbatas dari semua objek dan sistem yang hidup berdampingan di dunia, totalitas sifat, hubungan, hubungan, dan bentuk geraknya. Selain itu, ini tidak hanya mencakup semua objek dan benda alam yang dapat diamati secara langsung, tetapi juga segala sesuatu yang tidak diberikan kepada kita dalam sensasi. Seluruh dunia di sekitar kita menggerakkan materi dalam bentuk dan manifestasinya yang sangat bervariasi, dengan segala sifat, koneksi, dan hubungannya. Di dunia ini, semua benda mempunyai keteraturan internal dan organisasi sistemik. Keteraturan diwujudkan dalam pergerakan teratur dan interaksi semua elemen materi, yang karenanya mereka digabungkan menjadi suatu sistem. Dengan demikian, seluruh dunia tampak sebagai sekumpulan sistem yang terorganisir secara hierarkis, di mana objek apa pun secara bersamaan merupakan sistem independen dan merupakan elemen dari sistem lain yang lebih kompleks.
Menurut gambaran ilmu pengetahuan alam modern tentang dunia, semua objek alam juga merupakan sistem yang teratur, terstruktur, dan terorganisir secara hierarkis. Berdasarkan pendekatan sistematis terhadap alam, semua materi dibagi menjadi dua kelas besar sistem material - alam mati dan alam hidup. Dalam sistem alam mati unsur strukturnya adalah: partikel elementer, atom, molekul, medan, benda makroskopis, planet dan sistem keplanetan, bintang dan sistem bintang, galaksi, metagalaksi, dan Alam Semesta secara keseluruhan. Oleh karena itu, di margasatwa unsur utamanya adalah protein dan asam nukleat, sel, organisme uniseluler dan multiseluler, organ dan jaringan, populasi, biocenosis, materi hidup di planet ini.
Pada saat yang sama, baik benda mati maupun makhluk hidup mencakup sejumlah tingkat struktural yang saling berhubungan. Struktur adalah sekumpulan hubungan antar elemen suatu sistem. Oleh karena itu, setiap sistem tidak hanya terdiri dari subsistem dan elemen, tetapi juga berbagai hubungan di antara mereka. Dalam level ini, yang utama adalah -
Ada hubungan horizontal (koordinasi), dan antar tingkat ada hubungan vertikal (subordinasi). Himpunan hubungan horizontal dan vertikal memungkinkan terciptanya struktur hierarki Alam Semesta, di mana ciri kualifikasi utamanya adalah ukuran suatu benda dan massanya, serta hubungannya dengan manusia. Berdasarkan kriteria ini, tingkatan materi berikut dibedakan: dunia mikro, dunia makro, dan dunia mega.
dunia mikro- wilayah objek mikro material yang sangat kecil dan tidak dapat diamati secara langsung, yang dimensi spasialnya dihitung dalam kisaran 10 -8 hingga 10 -16 cm, dan masa pakainya dari tak terhingga hingga 10 - 24 detik. Ini termasuk medan, partikel elementer, inti atom, atom dan molekul.
dunia makro - dunia benda-benda material yang skalanya sepadan dengan seseorang dan parameter fisiknya. Pada tingkat ini, besaran spasial dinyatakan dalam milimeter, sentimeter, meter dan kilometer, dan waktu dinyatakan dalam detik, menit, jam, hari, dan tahun. Dalam realitas praktis, makrokosmos diwakili oleh makromolekul, zat-zat dalam berbagai keadaan agregasi, organisme hidup, manusia dan produk aktivitasnya, yaitu. badan makro.
Dunia Mega - sebuah bola dengan skala dan kecepatan kosmik yang sangat besar, jaraknya diukur dalam satuan astronomi, tahun cahaya dan parsec, dan umur benda luar angkasa diukur dalam jutaan dan milyaran tahun. Tingkat materi ini mencakup objek material terbesar: bintang, galaksi, dan gugusnya.
Masing-masing tingkatan ini mempunyai hukum spesifiknya sendiri yang tidak dapat direduksi satu sama lain. Meskipun ketiga wilayah dunia ini saling berhubungan erat satu sama lain.
Struktur dunia mega
Elemen struktural utama dari megaworld adalah planet dan sistem planet; bintang dan sistem bintang yang membentuk galaksi; sistem galaksi yang membentuk metagalaksi.
Planet-planet- benda langit yang tidak bercahaya sendiri, bentuknya mirip bola, berputar mengelilingi bintang dan memantulkan cahayanya. Karena kedekatannya dengan Bumi, planet Tata Surya yang paling banyak dipelajari adalah planet yang bergerak mengelilingi Matahari dalam orbit elips. Bumi kita, yang terletak 150 juta km dari Matahari, juga termasuk dalam kelompok planet ini.
Bintang- benda luar angkasa bercahaya (gas) yang terbentuk dari lingkungan gas-debu (terutama hidrogen dan helium) sebagai hasil kondensasi gravitasi. Bintang dihapus
satu sama lain dalam jarak yang sangat jauh dan dengan demikian terisolasi satu sama lain. Artinya, bintang-bintang praktis tidak saling bertabrakan, meskipun pergerakan masing-masing bintang ditentukan oleh gaya gravitasi yang diciptakan oleh semua bintang di Galaksi. Jumlah bintang di Galaksi sekitar satu triliun. Yang paling banyak adalah katai, yang massanya sekitar 10 kali lebih kecil dari massa Matahari. Bergantung pada massanya, bintang berevolusi menjadi katai putih, bintang neutron, atau lubang hitam.
katai putih adalah bintang pasca elektron, terbentuk ketika sebuah bintang pada tahap terakhir evolusinya memiliki massa kurang dari 1,2 massa matahari. Diameter katai putih sama dengan diameter Bumi kita, suhunya mencapai sekitar satu miliar derajat, dan kepadatannya 10 t/cm 3, yaitu. ratusan kali lebih besar dari kepadatan bumi.
Bintang neutron muncul pada tahap akhir evolusi bintang dengan massa 1,2 hingga 2 massa matahari. Temperatur dan tekanan tinggi di dalamnya menciptakan kondisi untuk pembentukan sejumlah besar neutron. Dalam hal ini, terjadi kompresi bintang yang sangat cepat, di mana reaksi nuklir yang cepat dimulai di lapisan terluarnya. Dalam hal ini, begitu banyak energi yang dilepaskan sehingga terjadi ledakan yang menghamburkan lapisan luar bintang. Wilayah internalnya menyusut dengan cepat. Objek yang tersisa disebut bintang neutron karena tersusun dari proton dan neutron. Bintang neutron juga disebut pulsar.
Lubang hitam - Ini adalah bintang-bintang yang sedang dalam tahap akhir perkembangannya, yang massanya melebihi 2 massa matahari, dan memiliki diameter 10 hingga 20 km. Perhitungan teoretis menunjukkan bahwa mereka memiliki massa yang sangat besar (10 15 g) dan medan gravitasi yang sangat kuat. Mereka mendapatkan namanya karena mereka tidak memiliki pancaran, dan karena medan gravitasinya, mereka menangkap dari luar angkasa semua benda kosmik dan radiasi yang tidak dapat keluar darinya kembali, mereka seolah-olah jatuh ke dalamnya (ditarik ke dalam, seperti ke dalam lubang. ). Karena gravitasi yang kuat, tidak ada benda material yang tertangkap yang dapat bergerak melampaui radius gravitasi benda, dan oleh karena itu benda tersebut tampak "hitam" bagi pengamat.
Sistem bintang (gugus bintang)- kelompok bintang yang dihubungkan oleh gaya gravitasi, memiliki asal usul yang sama, komposisi kimia yang serupa, dan mencakup hingga ratusan ribu bintang individu. Ada sistem bintang yang tersebar, seperti Pleiades di konstelasi Taurus. Sistem seperti itu tidak memiliki bentuk yang benar. Saat ini, lebih dari seribu diketahui
sistem bintang. Selain itu, sistem bintang mencakup gugus bintang globular yang berisi ratusan ribu bintang. Gaya gravitasi menahan bintang-bintang dalam gugus tersebut selama miliaran tahun. Saat ini, para ilmuwan mengetahui sekitar 150 gugus bola.
Galaksi adalah kumpulan gugus bintang. Konsep “galaksi” dalam interpretasi modern berarti sistem bintang yang sangat besar. Istilah ini (dari bahasa Yunani “susu, susu”) diciptakan untuk merujuk pada sistem bintang kita, yang merupakan garis tipis dengan warna seperti susu yang membentang di seluruh langit dan oleh karena itu disebut Bima Sakti.
Secara konvensional, berdasarkan penampakannya, galaksi dapat dibagi menjadi tiga jenis. KE Pertama(sekitar 80%) adalah galaksi spiral. Pada spesies ini, “lengan” inti dan spiral terlihat jelas. Tipe kedua(sekitar 17%) termasuk galaksi elips, mis. yang berbentuk elips. KE tipe ketiga(sekitar 3%) adalah galaksi yang bentuknya tidak beraturan dan tidak memiliki inti yang jelas. Selain itu, galaksi berbeda dalam ukuran, jumlah bintang yang dikandungnya, dan luminositasnya. Semua galaksi berada dalam keadaan bergerak, dan jarak antara mereka terus meningkat, yaitu. terjadi saling menjauh (hamburan) galaksi satu sama lain.
Tata surya kita termasuk dalam galaksi Bima Sakti, yang mencakup setidaknya 100 miliar bintang dan karenanya termasuk dalam kategori galaksi raksasa. Bentuknya pipih, di tengahnya terdapat inti dengan “lengan” spiral yang memanjang darinya. Diameter Galaksi kita sekitar 100 ribu dan ketebalan 10 ribu tahun cahaya. Galaksi tetangga kita adalah Nebula Andromeda.
Metagalaxy adalah sistem galaksi yang mencakup semua objek kosmik yang diketahui.
Karena megaworld berhubungan dengan jarak yang jauh, unit khusus berikut telah dikembangkan untuk mengukur jarak ini:
1) tahun cahaya - jarak yang ditempuh seberkas cahaya selama satu tahun dengan kecepatan 300.000 km/s, yaitu. satu tahun cahaya adalah 10 triliun km;
2) Satuan astronomi adalah jarak rata-rata Bumi ke Matahari, 1 AU. sama dengan 8,3 menit cahaya. Artinya sinar matahari, setelah meninggalkan Matahari, mencapai Bumi dalam waktu 8,3 menit;
3) parsec - satuan pengukuran jarak kosmik di dalam dan di antara sistem bintang. 1 buah - 206.265 au, mis. kira-kira sama dengan 30 triliun km, atau 3,3 tahun cahaya.
