As ciências naturais, tendo iniciado o estudo do mundo material com os objetos materiais mais simples percebidos diretamente pelo homem, passam ao estudo dos objetos mais complexos das estruturas profundas da matéria, além dos limites da percepção humana e incomensuráveis ​​​​com os objetos de experiência cotidiana. Utilizando uma abordagem sistêmica, a ciência natural não identifica simplesmente tipos de sistemas materiais, mas revela suas conexões e relacionamentos.

Na ciência, existem três níveis de estrutura da matéria:

Micromundo (partículas elementares, núcleos, átomos, moléculas) é um mundo de microobjetos extremamente pequenos, não diretamente observáveis, cuja diversidade espacial é calculada de dez elevado a menos oitava potência a dez elevado a menos décima sexta potência cm, e seus a vida útil vai do infinito até dez a menos vigésimo quarto grau seg.

O macromundo (macromoléculas, organismos vivos, humanos, objetos técnicos, etc.) é o mundo dos macroobjetos, cuja dimensão é comparável à escala da experiência humana: as quantidades espaciais são expressas em milímetros, centímetros e quilômetros, e o tempo - em segundos, minutos, horas, anos.

Megamundo (planetas, estrelas, galáxias) é um mundo de enormes escalas e velocidades cósmicas, cuja distância é medida em anos-luz, e a vida útil dos objetos espaciais é medida em milhões e bilhões de anos.

E embora esses níveis tenham suas próprias leis específicas, os mundos micro, macro e mega estão intimamente interligados. As constantes mundiais fundamentais determinam a escala da estrutura hierárquica da matéria em nosso mundo. É óbvio que uma mudança relativamente pequena neles deveria levar à formação de um mundo qualitativamente diferente, no qual a formação de micro, macro e megaestruturas atualmente existentes e, em geral, formas altamente organizadas de matéria viva se tornaria impossível. Seus certos significados e relações entre eles, em essência, garantem a estabilidade estrutural do nosso Universo. Portanto, o problema das constantes mundiais aparentemente abstratas tem um significado ideológico global.

Matéria

A matéria é um conjunto infinito de todos os objetos e sistemas existentes no mundo, o substrato de quaisquer propriedades, conexões, relações e formas de movimento. A matéria inclui não apenas todos os objetos e corpos da natureza diretamente observáveis, mas também todos aqueles que, em princípio, podem ser conhecidos no futuro com base no aprimoramento dos meios de observação e experimento. A base das ideias sobre a estrutura do mundo material é uma abordagem sistêmica, segundo a qual qualquer objeto do mundo material, seja um átomo, planeta, organismo ou galáxia, pode ser considerado como uma formação complexa, incluindo partes componentes organizadas em integridade. Para denotar a integridade dos objetos na ciência, foi desenvolvido o conceito de sistema.

A matéria como realidade objetiva inclui não apenas a matéria em seus quatro estados de agregação (sólido, líquido, gasoso, plasma), mas também campos físicos (eletromagnéticos, gravitacionais, nucleares, etc.), bem como suas propriedades, relações, produtos interações . Inclui também a antimatéria (um conjunto de antipartículas: pósitron, ou antielétron, antipróton, antinêutron), recentemente descoberta pela ciência. A antimatéria não é de forma alguma antimatéria. A antimatéria não pode existir de forma alguma. Movimento e matéria estão orgânica e inextricavelmente ligados entre si: não há movimento sem matéria, assim como não há matéria sem movimento. Em outras palavras, não existem coisas, propriedades e relacionamentos imutáveis ​​no mundo. Algumas formas ou tipos são substituídos por outros, transformam-se em outros – o movimento é constante. A paz é um momento que desaparece dialeticamente no processo contínuo de mudança e devir. A paz absoluta equivale à morte, ou melhor, à inexistência. Tanto o movimento quanto o repouso são definitivamente fixos apenas em relação a algum referencial.

A matéria em movimento existe em duas formas principais - no espaço e no tempo. O conceito de espaço serve para expressar as propriedades de extensão e ordem de coexistência dos sistemas materiais e seus estados. É objetivo, universal e necessário. O conceito de tempo fixa a duração e a sequência das mudanças nos estados dos sistemas materiais. O tempo é objetivo, inevitável e irreversível.

O fundador da visão da matéria como constituída de partículas discretas foi Demócrito. Demócrito negou a divisibilidade infinita da matéria. Os átomos diferem uns dos outros apenas na forma, na ordem de sucessão mútua e na posição no espaço vazio, bem como no tamanho e na gravidade, que depende do tamanho. Eles têm formas infinitamente variadas com depressões ou protuberâncias. Na ciência moderna tem havido muito debate sobre se os átomos de Demócrito são corpos físicos ou geométricos, mas o próprio Demócrito ainda não chegou à distinção entre física e geometria. A partir desses átomos movendo-se em direções diferentes, de seu “vórtice”, por necessidade natural, através da reunião de átomos mutuamente semelhantes, formam-se tanto os corpos inteiros individuais quanto o mundo inteiro; o movimento dos átomos é eterno e o número de mundos emergentes é infinito. O mundo da realidade objetiva acessível aos humanos está em constante expansão. As formas conceituais de expressar a ideia de níveis estruturais da matéria são diversas. A ciência moderna identifica três níveis estruturais no mundo.

Níveis estruturais de organização da matéria

O micromundo são moléculas, átomos, partículas elementares - o mundo de microobjetos extremamente pequenos, não diretamente observáveis, cuja diversidade espacial é calculada de 10-8 a 10-16 cm, e o tempo de vida é do infinito a 10-24 S. O macromundo é o mundo das formas e quantidades estáveis ​​proporcionais aos humanos, bem como dos complexos cristalinos de moléculas, organismos, comunidades de organismos; o mundo dos macroobjetos, cuja dimensão é comparável à escala da experiência humana: as quantidades espaciais são expressas em milímetros, centímetros e quilômetros, e o tempo - em segundos, minutos, horas, anos.

O megamundo são planetas, complexos estelares, galáxias, metagaláxias - um mundo de enormes escalas e velocidades cósmicas, cuja distância é medida em anos-luz, e a vida útil dos objetos espaciais é medida em milhões e bilhões de anos.

E embora esses níveis tenham suas próprias leis específicas, os mundos micro, macro e mega estão intimamente interligados.

É claro que as fronteiras do micro e macrocosmo são móveis e não existe um microcosmo separado e um macrocosmo separado. Naturalmente, macroobjetos e megaobjetos são construídos a partir de microobjetos, e macro e megafenômenos são baseados em microfenômenos. Isso é claramente visto no exemplo da construção do Universo a partir da interação de partículas elementares no âmbito da microfísica cósmica. Na verdade, devemos compreender que estamos falando apenas de diferentes níveis de consideração da matéria. Os tamanhos micro, macro e mega de objetos se correlacionam entre si como macro/micro - mega/macro.

Na física clássica não havia critério objetivo para distinguir um macro de um micro objeto. Esta diferença foi introduzida por M. Planck: se para o objeto em consideração o impacto mínimo sobre ele pode ser desprezado, então estes são macroobjetos, se isso não for possível, são microobjetos. Prótons e nêutrons formam os núcleos dos átomos. Os átomos se combinam para formar moléculas. Se avançarmos mais na escala de tamanhos de corpos, o que se segue são macrocorpos comuns, planetas e seus sistemas, estrelas, aglomerados de galáxias e metagaláxias, ou seja, podemos imaginar a transição de micro, macro e mega em tamanho e em modelos de processos físicos.

Micromundo

Demócrito na antiguidade apresentou a hipótese atomística da estrutura da matéria, mais tarde, no século XVIII. foi revivido pelo químico J. Dalton, que considerou o peso atômico do hidrogênio como um só e comparou com ele os pesos atômicos de outros gases. Graças aos trabalhos de J. Dalton, as propriedades físicas e químicas do átomo começaram a ser estudadas. No século 19, D.I. Mendeleev construiu um sistema de elementos químicos baseado em seu peso atômico. A história da pesquisa sobre a estrutura do átomo começou em 1895 graças à descoberta por J. Thomson do elétron, uma partícula carregada negativamente que faz parte de todos os átomos. Como os elétrons têm carga negativa e o átomo como um todo é eletricamente neutro, assumiu-se que além do elétron existe uma partícula carregada positivamente. A massa do elétron foi calculada como 1/1836 da massa de uma partícula carregada positivamente.

O núcleo tem carga positiva e os elétrons têm carga negativa. Em vez das forças gravitacionais que atuam no sistema solar, as forças elétricas atuam no átomo. A carga elétrica do núcleo de um átomo, numericamente igual ao número de série no sistema periódico de Mendeleev, é equilibrada pela soma das cargas dos elétrons - o átomo é eletricamente neutro. Ambos os modelos revelaram-se contraditórios.

Em 1913, o grande físico dinamarquês N. Bohr aplicou o princípio da quantização para resolver o problema da estrutura do átomo e das características dos espectros atômicos. O modelo do átomo de N. Bohr foi baseado no modelo planetário de E. Rutherford e na teoria quântica da estrutura atômica desenvolvida por ele. N. Bohr apresentou uma hipótese sobre a estrutura do átomo, baseada em dois postulados completamente incompatíveis com a física clássica:

1) em cada átomo existem vários estados estacionários (na linguagem do modelo planetário, várias órbitas estacionárias) de elétrons, movendo-se ao longo dos quais um elétron pode existir sem emitir;

2) quando um elétron transita de um estado estacionário para outro, o átomo emite ou absorve uma porção de energia.

Em última análise, é fundamentalmente impossível descrever com precisão a estrutura de um átomo com base na ideia das órbitas dos elétrons pontuais, uma vez que tais órbitas não existem de fato. A teoria de N. Bohr representa, por assim dizer, o limite do primeiro estágio no desenvolvimento da física moderna. Este é o mais recente esforço para descrever a estrutura do átomo com base na física clássica, complementado apenas com um pequeno número de novas suposições.

Parecia que os postulados de N. Bohr refletiam algumas propriedades novas e desconhecidas da matéria, mas apenas parcialmente. As respostas a essas questões foram obtidas como resultado do desenvolvimento da mecânica quântica. Descobriu-se que o modelo atômico de N. Bohr não deveria ser interpretado literalmente, como foi no início. Os processos no átomo, em princípio, não podem ser representados visualmente na forma de modelos mecânicos por analogia com eventos no macrocosmo. Mesmo os conceitos de espaço e tempo na forma existente no macromundo revelaram-se inadequados para descrever fenômenos microfísicos. O átomo dos físicos teóricos tornou-se cada vez mais uma soma abstrata e inobservável de equações.

Macromundo

Na história do estudo da natureza, podem ser distinguidas duas fases: pré-científica e científica. Pré-científico, ou filosófico natural, abrange o período desde a antiguidade até a formação da ciência natural experimental nos séculos XVI-XVII. Os fenômenos naturais observados foram explicados com base em princípios filosóficos especulativos. O mais significativo para o desenvolvimento subsequente das ciências naturais foi o conceito da estrutura discreta da matéria, o atomismo, segundo o qual todos os corpos consistem em átomos - as menores partículas do mundo.

A etapa científica do estudo da natureza começa com a formação da mecânica clássica. Como as ideias científicas modernas sobre os níveis estruturais da organização da matéria foram desenvolvidas no decorrer de um repensar crítico das ideias da ciência clássica, aplicáveis ​​apenas a objetos de nível macro, precisamos começar com os conceitos da física clássica.

A formação de visões científicas sobre a estrutura da matéria remonta ao século XVI, quando G. Galileu lançou as bases para a primeira imagem física do mundo na história da ciência - uma imagem mecânica. Ele descobriu a lei da inércia e desenvolveu uma metodologia para uma nova forma de descrever a natureza - teórico-científica. Sua essência era que apenas determinadas características físicas e geométricas fossem identificadas e passassem a ser objeto de pesquisas científicas.

I. Newton, apoiando-se nas obras de Galileu, desenvolveu uma teoria científica estrita da mecânica, que descreve tanto o movimento dos corpos celestes quanto o movimento dos objetos terrestres pelas mesmas leis. A natureza era vista como um sistema mecânico complexo. No âmbito da imagem mecânica do mundo desenvolvida por I. Newton e seus seguidores, surgiu um modelo discreto (corpuscular) de realidade. A matéria era considerada uma substância material constituída por partículas individuais - átomos ou corpúsculos. Os átomos são absolutamente fortes, indivisíveis, impenetráveis ​​e caracterizados pela presença de massa e peso.

Uma característica essencial do mundo newtoniano era o espaço tridimensional da geometria euclidiana, que é absolutamente constante e sempre em repouso. O tempo foi apresentado como uma quantidade independente do espaço ou da matéria. O movimento foi considerado como movimento no espaço ao longo de trajetórias contínuas de acordo com as leis da mecânica. O resultado da imagem do mundo de Newton foi a imagem do Universo como um mecanismo gigantesco e completamente determinado, onde eventos e processos são uma cadeia de causas e efeitos interdependentes.

A abordagem mecanicista para descrever a natureza provou ser extremamente frutífera. Seguindo a mecânica newtoniana, foram criadas a hidrodinâmica, a teoria da elasticidade, a teoria mecânica do calor, a teoria da cinética molecular e uma série de outras, em linha com as quais a física alcançou enorme sucesso. No entanto, havia duas áreas - fenômenos ópticos e eletromagnéticos que não podiam ser totalmente explicados no quadro de uma imagem mecanicista do mundo.

Juntamente com a teoria corpuscular mecânica, foram feitas tentativas de explicar os fenómenos ópticos de uma forma fundamentalmente diferente, nomeadamente, com base na teoria ondulatória. A teoria das ondas estabeleceu uma analogia entre a propagação da luz e o movimento das ondas na superfície da água ou das ondas sonoras no ar. Assumia a presença de um meio elástico preenchendo todo o espaço - um éter luminoso. Com base na teoria das ondas de X. Huygens explicou com sucesso a reflexão e a refração da luz.

Outra área da física onde os modelos mecânicos se mostraram inadequados foi a área dos fenômenos eletromagnéticos. Os experimentos do naturalista inglês M. Faraday e os trabalhos teóricos do físico inglês J. C. Maxwell finalmente destruíram as ideias da física newtoniana sobre a matéria discreta como o único tipo de matéria e lançaram as bases para a imagem eletromagnética do mundo. O fenômeno do eletromagnetismo foi descoberto pelo naturalista dinamarquês H.K. Oersted, que primeiro notou o efeito magnético das correntes elétricas. Continuando a pesquisa nessa direção, M. Faraday descobriu que uma mudança temporária nos campos magnéticos cria uma corrente elétrica.

M. Faraday chegou à conclusão de que o estudo da eletricidade e da óptica estão interligados e formam um único campo. Maxwell "traduziu" o modelo de linhas de campo de Faraday em uma fórmula matemática. O conceito de “campo de forças” foi originalmente desenvolvido como um conceito matemático auxiliar. JC Maxwell deu-lhe um significado físico e começou a considerar o campo como uma realidade física independente: “Um campo eletromagnético é aquela parte do espaço que contém e envolve corpos que estão em estado elétrico ou magnético”.

A partir de sua pesquisa, Maxwell conseguiu concluir que as ondas de luz são ondas eletromagnéticas. A essência única de luz e eletricidade, proposta por M. Faraday em 1845, e J.K. Maxwell o fundamentou teoricamente em 1862 e foi confirmado experimentalmente pelo físico alemão G. Hertz em 1888. Após os experimentos de G. Hertz, o conceito de campo foi finalmente estabelecido na física não como uma construção matemática auxiliar, mas como um físico objetivamente existente realidade. Um tipo de matéria qualitativamente novo e único foi descoberto. Então, no final do século XIX. a física chegou à conclusão de que a matéria existe em duas formas: matéria discreta e campo contínuo. Como resultado das subsequentes descobertas revolucionárias na física no final do século passado e início deste século, as ideias da física clássica sobre a matéria e o campo como dois tipos de matéria qualitativamente únicos foram destruídas.

Megamundo

A ciência moderna vê o megamundo ou espaço como um sistema interativo e em desenvolvimento de todos os corpos celestes. Todas as galáxias existentes estão incluídas no sistema da mais alta ordem - a Metagalaxia. As dimensões da Metagalaxia são muito grandes: o raio do horizonte cosmológico é de 15 a 20 bilhões de anos-luz. Os conceitos “Universo” e “Metagaláxia” são conceitos muito próximos: caracterizam o mesmo objeto, mas em aspectos diferentes. O conceito “Universo” significa todo o mundo material existente; o conceito de "Metagalaxia" é o mesmo mundo, mas do ponto de vista de sua estrutura - como um sistema ordenado de galáxias. A estrutura e evolução do Universo são estudadas pela cosmologia. A cosmologia como ramo das ciências naturais está localizada em uma intersecção única de ciência, religião e filosofia. Os modelos cosmológicos do Universo baseiam-se em certas premissas ideológicas, e esses próprios modelos têm grande significado ideológico.

Na ciência clássica existia a chamada teoria do estado estacionário do Universo, segundo a qual o Universo sempre foi quase o mesmo que é agora. A astronomia era estática: estudavam-se os movimentos dos planetas e dos cometas, descreviam-se as estrelas, criavam-se as suas classificações, o que era, claro, muito importante. Mas a questão da evolução do Universo não foi levantada. Os modelos cosmológicos modernos do Universo são baseados na teoria geral da relatividade de A. Einstein, segundo a qual a métrica do espaço e do tempo é determinada pela distribuição das massas gravitacionais no Universo. Suas propriedades como um todo são determinadas pela densidade média da matéria e outros fatores físicos específicos.

A equação da gravidade de Einstein não tem uma, mas muitas soluções, o que explica a existência de muitos modelos cosmológicos do Universo. O primeiro modelo foi desenvolvido pelo próprio A. Einstein em 1917. Ele rejeitou os postulados da cosmologia newtoniana sobre o caráter absoluto e infinito do espaço e do tempo. De acordo com o modelo cosmológico do Universo de A. Einstein, o espaço mundial é homogêneo e isotrópico, a matéria está, em média, distribuída uniformemente nele e a atração gravitacional das massas é compensada pela repulsão cosmológica universal. A existência do Universo é infinita, ou seja, não tem começo nem fim, e o espaço é ilimitado, mas finito.

O universo no modelo cosmológico de A. Einstein é estacionário, infinito no tempo e ilimitado no espaço. Em 1922 O matemático e geofísico russo A. A Friedman rejeitou o postulado da cosmologia clássica sobre a natureza estacionária do Universo e obteve uma solução para a equação de Einstein, que descreve o Universo com espaço “em expansão”. Como a densidade média da matéria no Universo é desconhecida, hoje não sabemos em qual desses espaços do Universo vivemos.

Em 1927, o abade e cientista belga J. Lemaitre conectou a “expansão” do espaço com dados de observações astronômicas. Lemaitre introduziu o conceito do início do Universo como uma singularidade (ou seja, um estado superdenso) e o nascimento do Universo como o Big Bang. A expansão do Universo é considerada um fato cientificamente comprovado. De acordo com cálculos teóricos de J. Lemaître, o raio do Universo em seu estado original era de 10-12 cm, que é próximo em tamanho ao raio de um elétron, e sua densidade era de 1.096 g/cm 3 . Num estado singular, o Universo era um microobjeto de tamanho insignificante. Do estado singular inicial, o Universo passou para a expansão como resultado do Big Bang.

Cálculos retrospectivos determinam a idade do Universo entre 13 e 20 bilhões de anos. Na cosmologia moderna, para maior clareza, o estágio inicial da evolução do Universo é dividido em “eras”.

A era dos hádrons. Partículas pesadas que entram em interações fortes.

A era dos léptons. Partículas de luz entrando em interação eletromagnética.

Era do fóton. Duração 1 milhão de anos. A maior parte da massa - a energia do Universo - vem dos fótons.

Era das estrelas. Ocorre 1 milhão de anos após o nascimento do Universo. Durante a era estelar, inicia-se o processo de formação de protoestrelas e protogaláxias. Então se revela um quadro grandioso da formação da estrutura da Metagaláxia.

Na cosmologia moderna, juntamente com a hipótese do Big Bang, o modelo inflacionário do Universo, que considera a criação do Universo, é muito popular. Os proponentes do modelo inflacionário veem uma correspondência entre os estágios da evolução cósmica e os estágios da criação do mundo descritos no livro de Gênesis da Bíblia. De acordo com a hipótese da inflação, a evolução cósmica no Universo primordial passa por vários estágios.

Estágio de inflação. Como resultado de um salto quântico, o Universo passou para um estado de vácuo excitado e, na ausência de matéria e radiação nele, expandiu-se intensamente de acordo com uma lei exponencial. Durante este período, o espaço e o tempo do próprio Universo foram criados. O Universo inflou de um tamanho quântico inimaginavelmente pequeno de 10-33 para um tamanho inimaginavelmente grande de 101000000 cm, que é muitas ordens de magnitude maior que o tamanho do Universo observável - 1028 cm. Durante todo este período inicial não havia matéria nem radiação. o universo. Transição do estágio inflacionário para o estágio de fótons. O estado de falso vácuo se desintegrou, a energia liberada deu origem ao nascimento de partículas pesadas e antipartículas, que, aniquiladas, deram um poderoso flash de radiação (luz) que iluminou o espaço.

Posteriormente, o desenvolvimento do Universo passou do estado homogêneo mais simples para a criação de estruturas cada vez mais complexas - átomos (inicialmente átomos de hidrogênio), galáxias, estrelas, planetas, a síntese de elementos pesados ​​​​nas entranhas das estrelas, incluindo aqueles necessário para a criação da vida, o surgimento da vida e como coroa da criação - o homem. A diferença entre os estágios de evolução do Universo no modelo inflacionário e no modelo do Big Bang diz respeito apenas ao estágio inicial da ordem de 10-30 s, então não há diferenças fundamentais entre esses modelos na compreensão dos estágios da evolução cósmica . O Universo em vários níveis, desde partículas convencionalmente elementares até superaglomerados gigantes de galáxias, é caracterizado pela estrutura. A estrutura moderna do Universo é o resultado da evolução cósmica, durante a qual as galáxias foram formadas a partir de protogaláxias, as estrelas a partir de protoestrelas e os planetas a partir de nuvens protoplanetárias.

Uma metagaláxia é uma coleção de sistemas estelares - galáxias, e sua estrutura é determinada por sua distribuição no espaço preenchido com gás intergaláctico extremamente rarefeito e penetrado por raios intergalácticos. De acordo com os conceitos modernos, uma metagalaxia é caracterizada por uma estrutura celular (malha, porosa). Existem enormes volumes de espaço (da ordem de um milhão de megaparsecs cúbicos) nos quais as galáxias ainda não foram descobertas. A idade da Metagalaxia é próxima da idade do Universo, pois a formação da estrutura ocorre no período seguinte à separação da matéria e da radiação. Segundo dados modernos, a idade da Metagalaxia é estimada em 15 bilhões de anos.

Uma galáxia é um sistema gigante composto por aglomerados de estrelas e nebulosas, formando uma configuração bastante complexa no espaço. Com base na sua forma, as galáxias são convencionalmente divididas em três tipos: elípticas, espirais e irregulares. As galáxias elípticas têm a forma espacial de um elipsóide com vários graus de compressão; são as mais simples em estrutura: a distribuição das estrelas diminui uniformemente a partir do centro; Galáxias espirais - apresentadas em formato espiral, incluindo braços espirais. Este é o tipo de galáxia mais numeroso que inclui a nossa galáxia - a Via Láctea. As galáxias irregulares não têm uma forma distinta; não possuem um núcleo central. As estrelas mais antigas, cuja idade é próxima da idade da galáxia, estão concentradas no núcleo da galáxia. Estrelas jovens e de meia-idade estão localizadas no disco galáctico. Estrelas e nebulosas dentro da galáxia movem-se de forma bastante complexa, juntamente com a galáxia participam da expansão do Universo, além disso, participam da rotação da galáxia em torno de seu eixo.

Estrelas. No atual estágio de evolução do Universo, a matéria nele contida está predominantemente em estado estelar. 97% da matéria da nossa Galáxia está concentrada em estrelas, que são formações gigantes de plasma de vários tamanhos, temperaturas e com diferentes características. de movimento. Muitas, senão a maioria, das outras galáxias possuem “matéria estelar” que representa mais de 99,9% de sua massa. A idade das estrelas varia em uma faixa bastante ampla de valores: de 15 bilhões de anos, correspondendo à idade do Universo, a centenas de milhares - o mais jovem. O nascimento das estrelas ocorre em nebulosas de poeira de gás sob a influência de forças gravitacionais, magnéticas e outras, devido às quais se formam homogeneidades instáveis ​​​​e a matéria difusa se desintegra em uma série de condensações. Se essas condensações persistirem por tempo suficiente, com o tempo elas se transformarão em estrelas. No estágio final da evolução, as estrelas se transformam em estrelas inertes (“mortas”).

As estrelas não existem isoladamente, mas formam sistemas. Os sistemas estelares mais simples - os chamados sistemas múltiplos - consistem em duas, três, quatro, cinco ou mais estrelas girando em torno de um centro de gravidade comum. As estrelas também estão unidas em grupos ainda maiores - aglomerados de estrelas, que podem ter uma estrutura “espalhada” ou “esférica”. Os aglomerados estelares abertos somam várias centenas de estrelas individuais, os aglomerados globulares somam muitas centenas de milhares. O sistema solar é um grupo de corpos celestes, muito diferentes em tamanho e estrutura física. Este grupo inclui: o Sol, nove planetas principais, dezenas de satélites planetários, milhares de pequenos planetas (asteróides), centenas de cometas e incontáveis ​​​​corpos de meteoritos, movendo-se tanto em enxames como na forma de partículas individuais.

Em 1979, eram conhecidos 34 satélites e 2.000 asteroides. Todos esses corpos estão unidos em um sistema devido à força gravitacional do corpo central - o Sol. O sistema solar é um sistema ordenado que possui suas próprias leis estruturais. A natureza unificada do sistema solar se manifesta no fato de que todos os planetas giram em torno do Sol na mesma direção e quase no mesmo plano. A maioria dos satélites dos planetas gira na mesma direção e na maioria dos casos no plano equatorial do seu planeta. O sol, os planetas, os satélites dos planetas giram em torno de seus eixos na mesma direção em que se movem ao longo de suas trajetórias. A estrutura do sistema solar também é natural: cada planeta subsequente está aproximadamente duas vezes mais longe do Sol que o anterior.

O sistema solar foi formado há aproximadamente 5 bilhões de anos e o Sol é uma estrela de segunda geração. Assim, o Sistema Solar surgiu a partir de resíduos de estrelas de gerações anteriores, que se acumularam em nuvens de gás e poeira. Esta circunstância dá motivos para chamar o sistema solar de uma pequena parte da poeira estelar. A ciência sabe menos sobre a origem do Sistema Solar e a sua evolução histórica do que o necessário para construir uma teoria da formação planetária.

Os conceitos modernos sobre a origem dos planetas do Sistema Solar baseiam-se no facto de ser necessário ter em conta não só as forças mecânicas, mas também outras, nomeadamente as electromagnéticas. Esta ideia foi apresentada pelo físico e astrofísico sueco H. Alfvén e pelo astrofísico inglês F. Hoyle. De acordo com as ideias modernas, a nuvem de gás original a partir da qual o Sol e os planetas foram formados consistia em gás ionizado sujeito à influência de forças eletromagnéticas. Depois que o Sol se formou a partir de uma enorme nuvem de gás por concentração, pequenas partes dessa nuvem permaneceram a uma distância muito grande dele. A força gravitacional começou a atrair o gás restante para a estrela resultante - o Sol, mas seu campo magnético impediu a queda do gás a várias distâncias - exatamente onde os planetas estão localizados. As forças gravitacionais e magnéticas influenciaram a concentração e condensação do gás em queda e, como resultado, os planetas foram formados. Quando surgiram os planetas maiores, o mesmo processo foi repetido em menor escala, criando assim sistemas de satélites.

As teorias sobre a origem do sistema solar são de natureza hipotética e é impossível resolver inequivocamente a questão da sua confiabilidade no atual estágio de desenvolvimento científico. Todas as teorias existentes têm contradições e áreas pouco claras. Atualmente, no campo da física teórica fundamental, estão sendo desenvolvidos conceitos segundo os quais o mundo objetivamente existente não se limita ao mundo material percebido pelos nossos sentidos ou instrumentos físicos. Os autores desses conceitos chegaram à seguinte conclusão: junto com o mundo material, existe uma realidade de ordem superior, que tem uma natureza fundamentalmente diferente da realidade do mundo material.

Há muito que as pessoas tentam encontrar uma explicação para a diversidade e a estranheza do mundo. O estudo da matéria e dos seus níveis estruturais é uma condição necessária para a formação de uma visão de mundo, independentemente de esta se revelar materialista ou idealista. É bastante óbvio que é muito importante o papel de definir o conceito de matéria, entendendo-o como inesgotável para a construção de uma imagem científica do mundo, resolvendo o problema da realidade e da cognoscibilidade dos objetos e fenômenos dos micro, macro e mega mundos. .

Todas as descobertas revolucionárias da física acima derrubaram as visões de mundo anteriormente existentes. A convicção na universalidade das leis da mecânica clássica desapareceu, porque as ideias anteriores sobre a indivisibilidade do átomo, a constância da massa, a imutabilidade dos elementos químicos, etc., foram destruídas. Agora dificilmente é possível encontrar um físico que acredite que todos os problemas de sua ciência podem ser resolvidos com a ajuda de conceitos e equações mecânicas.

O nascimento e o desenvolvimento da física atômica finalmente destruíram a imagem mecanicista anterior do mundo. Mas a mecânica clássica de Newton não desapareceu. Até hoje ocupa um lugar de honra entre outras ciências naturais. Com sua ajuda, por exemplo, é calculado o movimento de satélites artificiais da Terra, outros objetos espaciais, etc. Mas agora é interpretado como um caso especial de mecânica quântica, aplicável a movimentos lentos e grandes massas de objetos no macromundo.



Matéria. estrutura e organização sistêmica da matéria. Organização sistêmica como atributo da matéria. Estrutura da matéria. Níveis estruturais de organização da matéria. níveis estruturais de diversas esferas.

Matéria

Celular - organismos unicelulares existentes de forma independente;

Multicelular - órgãos e tecidos, sistemas funcionais (nervoso, circulatório), organismos: plantas e animais;

O corpo como um todo;

Populações (biótopo) - comunidades de indivíduos da mesma espécie que estão conectados por um pool genético comum (podem cruzar e reproduzir sua própria espécie): uma matilha de lobos em uma floresta, um cardume de peixes em um lago, um formigueiro, um arbusto;

- biocenose - conjunto de populações de organismos em que os resíduos de alguns tornam-se condições de vida e existência de outros organismos que habitam uma área de terra ou água. Por exemplo, uma floresta: as populações de plantas que nela vivem, assim como os animais, fungos, líquenes e microrganismos interagem entre si, formando um sistema integral;

- biosfera - um sistema global de vida, aquela parte do ambiente geográfico (parte inferior da atmosfera, parte superior da litosfera e hidrosfera), que é o habitat dos organismos vivos, proporcionando as condições necessárias à sua sobrevivência (temperatura, solo , etc.), formado como resultado interações de biocenoses.

A base geral da vida no nível biológico é o metabolismo orgânico (troca de matéria, energia, informação com o meio ambiente), que se manifesta em qualquer um dos subníveis identificados:

Ao nível dos organismos, metabolismo significa assimilação e dissimilação através de transformações intracelulares;

Ao nível da biocenose, consiste numa cadeia de transformações de uma substância inicialmente assimilada pelos organismos produtores através de organismos consumidores e organismos destruidores pertencentes a diferentes espécies;

Ao nível da biosfera, ocorre uma circulação global de matéria e energia com a participação direta de fatores de escala cósmica.

Dentro da biosfera, um tipo especial de sistema material começa a se desenvolver, que é formado graças à capacidade de trabalho de populações especiais de seres vivos - a sociedade humana. A realidade social inclui subníveis: indivíduo, família, grupo, coletivo, grupo social, classes, nações, estado, sistemas de estados, sociedade como um todo. A sociedade existe apenas graças às atividades das pessoas.

O nível estrutural da realidade social mantém relações lineares ambíguas entre si (por exemplo, o nível da nação e o nível do estado). O entrelaçamento de diferentes níveis da estrutura da sociedade não significa a ausência de ordem e estrutura na sociedade. Na sociedade, podemos distinguir estruturas fundamentais - as principais esferas da vida social: material e produtiva, social, política, espiritual, etc., que possuem leis e estruturas próprias. Todos eles estão, em certo sentido, subordinados, estruturados e determinam a unidade genética do desenvolvimento da sociedade como um todo.

Assim, qualquer uma das áreas da realidade objetiva é formada a partir de uma série de níveis estruturais específicos, que estão em estrita ordem dentro de uma determinada área da realidade. A transição de uma área para outra está associada à complicação e ao aumento do número de fatores formados que garantem a integridade dos sistemas, ou seja, a evolução dos sistemas materiais ocorre na direção do simples para o complexo, do inferior para o superior.

Dentro de cada um dos níveis estruturais existem relações de subordinação (o nível molecular inclui o nível atômico, e não vice-versa). Toda forma superior surge com base em uma inferior e a inclui em sua forma suprimida. Isto significa, em essência, que a especificidade das formas superiores só pode ser conhecida com base numa análise das estruturas das formas inferiores. E vice-versa, a essência de uma forma de ordem superior só pode ser conhecida com base no conteúdo de uma forma superior de matéria em relação a ela.

Os padrões de novos níveis não são redutíveis aos padrões dos níveis com base nos quais surgiram e conduzem a um determinado nível de organização da matéria. Além disso, é ilegal transferir as propriedades de níveis superiores de matéria para níveis inferiores. Cada nível de matéria tem sua própria especificidade qualitativa. No nível mais elevado da matéria, suas formas inferiores são apresentadas não de forma “pura”, mas de forma sintetizada (“sublada”). Por exemplo, é impossível transferir as leis do mundo animal para a sociedade, mesmo que à primeira vista pareça que nela prevalece a “lei da selva”. Embora a crueldade humana possa ser incomparavelmente maior do que a crueldade dos predadores, ainda assim, os predadores não estão familiarizados com sentimentos humanos como o amor e a compaixão.

Por outro lado, as tentativas de encontrar elementos de níveis superiores em níveis inferiores são infundadas. Por exemplo, um paralelepípedo pensante. Isso é uma hipérbole. Mas houve tentativas de biólogos em que tentaram criar condições “humanas” para os macacos, esperando que dentro de cem a duzentos anos descobrissem um antropóide (homem primitivo) em sua prole.

Os níveis estruturais da matéria interagem entre si como parte e todo. A interação da parte e do todo é que uma pressupõe a outra, estão unidas e não podem existir uma sem a outra. Não há todo sem parte e não há partes fora do todo. Uma parte só adquire significado através do todo, assim como o todo é a interação das partes.

Na interação da parte e do todo, o papel determinante pertence ao todo. No entanto, isso não significa que as peças sejam desprovidas de especificidade. O papel determinante do todo pressupõe não um papel passivo, mas sim um papel ativo das partes, visando assegurar a vida normal do universo como um todo. Submetendo-se ao sistema global do todo, as partes mantêm a sua relativa independência e autonomia. Por um lado, atuam como componentes do todo e, por outro, são estruturas e sistemas integrais únicos. Por exemplo, os fatores que garantem a integridade dos sistemas na natureza inanimada são as forças nucleares, eletromagnéticas e outras, na sociedade - relações industriais, políticas, nacionais, etc.

Organização estrutural, ou seja, a sistematicidade é o modo de existência da matéria.

Literatura

1. Akhiezer AI, Rekalo MP. Imagem física moderna do mundo. M., 1980.

2. Weinberg S. Descoberta de partículas subatômicas. M., 1986.

3. Weinberg S. Os primeiros três minutos. M., 1981.

4. Rovinsky R.E. Universo em desenvolvimento. M., 1995.

5. Shklovsky I.S. Estrelas, seu nascimento e morte. M., 1975.

6. Problemas filosóficos das ciências naturais. M., 1985.

TESTE

por disciplina conceitos da ciência natural moderna

Tópico nº 9
"Níveis estruturais de organização da matéria"

Plano:
Introdução ……………………………………………………… ….…………..2

O papel dos conceitos de sistema na análise dos níveis estruturais de organização da matéria……………….……………………………………2
Níveis estruturais de vida……………………………………………………..6
A essência do macrocosmo, microcosmo e megacosmo………………………….7

Micromundo………………………………………………………………..… …………..8

Macromundo………………………………………………………………..… …………11

Megamundo……………………………………………………………… ……12

Análise da compreensão clássica e moderna do conceito de macrocosmo……………………………………………………………….…13

Conclusão………………………………………………………….…………..17

Introdução.
Todos os objetos da natureza (natureza viva e inanimada) podem ser representados como um sistema que possui características que caracterizam seus níveis de organização. O conceito de níveis estruturais da matéria viva inclui ideias de sistematicidade e a organização associada da integridade dos organismos vivos. A matéria viva é discreta, ou seja, está dividido em partes constituintes de uma organização inferior que possuem funções específicas.
Os níveis estruturais diferem não apenas nas classes de complexidade, mas também nos padrões de funcionamento. A estrutura hierárquica é tal que cada nível superior não controla, mas inclui o inferior. Levando em conta o nível de organização, pode-se considerar a hierarquia das estruturas de organização dos objetos materiais de natureza animada e inanimada. Esta hierarquia de estruturas começa com partículas elementares e termina com comunidades vivas. O conceito de níveis estruturais foi proposto pela primeira vez na década de 20 do nosso século. De acordo com ela, os níveis estruturais diferem não apenas pelas classes de complexidade, mas também pelos padrões de funcionamento. O conceito inclui uma hierarquia de níveis estruturais, em que cada nível subsequente está incluído no anterior.

O papel dos conceitos de sistema na análise dos níveis estruturais de organização da matéria.

O mundo inteiro que nos rodeia move a matéria nas suas formas e manifestações infinitamente variadas, com todas as suas propriedades, conexões e relações. Vamos dar uma olhada mais de perto no que é a matéria, bem como em seus níveis estruturais.
Matéria (lat. Materia - substância), “...uma categoria filosófica para designar a realidade objetiva, que é dada a uma pessoa nos seus sentidos, que é copiada, fotografada, exibida pelos nossos sentidos, existindo independentemente de nós”.
A matéria é um conjunto infinito de todos os objetos e sistemas existentes no mundo, o substrato de quaisquer propriedades, conexões, relações e formas de movimento. A matéria inclui não apenas todos os objetos e corpos da natureza diretamente observáveis, mas também todos aqueles que, em princípio, podem ser conhecidos no futuro com base no aprimoramento dos meios de observação e experimento.
Na ciência moderna, a base para ideias sobre a estrutura do mundo material é uma abordagem sistêmica, segundo a qual qualquer objeto do mundo material (átomo, organismo, galáxia e o próprio Universo) pode ser considerado como uma formação complexa, incluindo componentes partes organizadas em integridade.
Princípios básicos da abordagem sistêmica:

Integridade, que nos permite considerar simultaneamente o sistema como um todo e ao mesmo tempo como um subsistema de níveis superiores.
Hierarquia da estrutura, ou seja, a presença de muitos (pelo menos dois) elementos localizados com base na subordinação de elementos de nível inferior a elementos de nível superior. A implementação deste princípio é claramente visível no exemplo de qualquer organização específica. Como você sabe, qualquer organização é uma interação de dois subsistemas: o gerencial e o gerenciado. Um está subordinado ao outro.
Estruturação, que permite analisar os elementos do sistema e suas relações dentro de uma estrutura organizacional específica. Via de regra, o processo de funcionamento de um sistema é determinado não tanto pelas propriedades de seus elementos individuais, mas pelas propriedades da própria estrutura.
Multiplicidade, permitindo o uso de diversos modelos cibernéticos, econômicos e matemáticos para descrever elementos individuais e o sistema como um todo.

Sistematicidade, propriedade de um objeto ter todas as características de um sistema.
Para denotar a integridade dos objetos na ciência, foi desenvolvido o conceito de “sistema”.
Um sistema é um complexo de elementos que interagem. Traduzido do grego, é um todo feito de partes, uma conexão.
O conceito de “elemento” significa um componente mínimo e então indivisível dentro de um determinado sistema. Um sistema pode consistir não apenas em objetos homogêneos, mas também em objetos heterogêneos. Pode ser de estrutura simples ou complexa. Um sistema complexo consiste em elementos que, por sua vez, formam subsistemas de diferentes níveis de complexidade e hierarquia.
Cada sistema é caracterizado não apenas pela presença de conexões e relações entre seus elementos constituintes, mas também por sua unidade inextricável com o meio ambiente.
Vários tipos de sistemas podem ser distinguidos:

pela natureza da ligação entre as partes e o todo - inorgânica e orgânica;
pelas formas de movimento da matéria - mecânica, física, química, físico-química;
em relação ao movimento – estatístico e dinâmico;
por tipo de mudança - não funcional, funcional, em desenvolvimento;
pela natureza da troca com o meio ambiente - aberta e fechada;
pelo grau de organização - simples e complexo;
por nível de desenvolvimento - inferior e superior;
por natureza de origem - natural, artificial, misto;
na direção do desenvolvimento - progressivo e regressivo.

O conjunto de conexões entre os elementos forma a estrutura do sistema.
Conexões estáveis ​​entre elementos determinam a ordem do sistema. Existem dois tipos de conexões entre os elementos do sistema - horizontal e verticalmente.
Conexões “horizontais” são conexões de coordenação entre elementos da mesma ordem. Eles são de natureza correlacionada: nenhuma parte do sistema pode mudar sem que outras partes mudem.
Conexões “verticais” são conexões de subordinação, ou seja, subordinação de elementos. Eles expressam a complexa estrutura interna do sistema, onde algumas partes podem ser inferiores em importância a outras e estar subordinadas a elas. A estrutura vertical inclui níveis de organização do sistema, bem como sua hierarquia.
Consequentemente, o ponto de partida de qualquer pesquisa sistêmica é a ideia da integridade do sistema em estudo.
A integridade do sistema significa que todas as suas partes componentes, interagindo e conectando-se entre si, formam um todo único que possui novas propriedades de sistema.
As propriedades de um sistema não são apenas a soma das propriedades de seus elementos, mas algo novo, inerente apenas ao sistema como um todo.
Assim, de acordo com as visões científicas modernas sobre a natureza, todos os objetos naturais são sistemas ordenados, estruturados e hierarquicamente organizados.
Nas ciências naturais, existem duas grandes classes de sistemas materiais: sistemas de natureza inanimada e sistemas de natureza viva.
Os sistemas de natureza inanimada incluem partículas e campos elementares, vácuo físico, átomos, moléculas, corpos macroscópicos, planetas e sistemas planetários, estrelas, galáxias e o sistema de galáxias - a Metagaláxia.
Os sistemas da natureza viva incluem biopolímeros (moléculas de informação), células, organismos multicelulares, populações, biocenoses e a biosfera como a totalidade de todos os organismos vivos.
Na natureza, tudo está interligado, por isso podemos distinguir sistemas que incluem elementos da natureza viva e inanimada – biogeocenoses e a biosfera da Terra.

Níveis estruturais dos seres vivos.

A análise estrutural ou sistêmica revela que o mundo vivo é extremamente diversificado e possui uma estrutura complexa. Com base em critérios iguais, podem ser identificados vários níveis, ou subsistemas, do mundo vivo. O mais comum é distinguir, com base no critério de escala, os seguintes níveis de organização dos seres vivos.
Biosfera – incluindo toda a totalidade dos organismos vivos na Terra, juntamente com o seu ambiente natural. Nesse nível, a ciência biológica resolve problemas como as mudanças na concentração de dióxido de carbono na atmosfera. Usando esta abordagem, os cientistas descobriram que recentemente a concentração de dióxido de carbono aumentou anualmente 0,4%, criando o perigo de um aumento global da temperatura, o surgimento do chamado “efeito estufa”.
Nível de biocenoses expressa o próximo estágio na estrutura dos seres vivos, constituído por seções da Terra com uma certa composição de componentes vivos e não vivos, representando um único complexo natural, um ecossistema. O uso racional da natureza é impossível sem o conhecimento da estrutura e funcionamento das biogeocenoses, ou ecossistemas.
Espécie populacional nível é formado pelo cruzamento livre de indivíduos da mesma espécie. Seu estudo é importante para identificar fatores que influenciam o tamanho da população.
Organismo e órgão-tecido os níveis refletem as características dos indivíduos, sua estrutura, fisiologia, comportamento, bem como a estrutura e funções dos órgãos e tecidos dos seres vivos.
Celular e subcelular os níveis refletem os processos de especialização celular, bem como várias inclusões intracelulares.
Molecular nível é a disciplina de biologia molecular, um dos problemas mais importantes da qual é o estudo dos mecanismos de transmissão da informação genética e o desenvolvimento da engenharia genética e da biotecnologia.
A divisão da matéria viva em níveis é, obviamente, muito condicional. A solução para problemas biológicos específicos, como a regulação do número de espécies, baseia-se em dados sobre todos os níveis de seres vivos. Mas todos os biólogos concordam que no mundo vivo existem níveis escalonados, uma espécie de hierarquia. A ideia deles reflete claramente uma abordagem sistemática ao estudo da natureza, o que ajuda a melhor compreendê-la.
A base fundamental do mundo vivo é a célula. Sua pesquisa ajuda a compreender as especificidades de todos os seres vivos.

A essência do macrocosmo, microcosmo e megacosmo.

Os níveis estruturais da matéria são formados a partir de um determinado conjunto de objetos de qualquer classe e são caracterizados por um tipo especial de interação entre seus elementos constituintes.
Os critérios para identificar os diferentes níveis estruturais são os seguintes:

escalas espaçotemporais;
um conjunto de propriedades essenciais;
leis específicas do movimento;
o grau de complexidade relativa que surge no processo de desenvolvimento histórico da matéria em uma determinada área do mundo;
alguns outros sinais.

Todos os objetos que a ciência estuda pertencem a três “mundos” (micromundo, macromundo e megamundo), que representam os níveis de organização da matéria.


Micromundo.
O prefixo “micro” refere-se a tamanhos muito pequenos. Assim, podemos dizer que um microcosmo é algo pequeno.
O micromundo são moléculas, átomos, partículas elementares - o mundo de microobjetos extremamente pequenos, não diretamente observáveis, cuja dimensão espacial é calculada de 10 -8 a 10 -16 cm, e o tempo de vida é do infinito a 10 -24 segundos.
Na filosofia, o homem é estudado como um microcosmo, e na física, nos conceitos das ciências naturais modernas, as moléculas são estudadas como um microcosmo.
O micromundo possui características próprias, que podem ser expressas da seguinte forma:
1) as unidades de distância (m, km, etc.) usadas pelos humanos são simplesmente inúteis;
2) também é inútil usar unidades de medida do peso humano (g, kg, libras, etc.).
Na antiguidade, Demócrito apresentou a hipótese atomística da estrutura da matéria, mais tarde, no século XVIII, ela foi revivida pelo químico J. Dalton, que considerou o peso atômico do hidrogênio como um só e comparou os pesos atômicos de outros gases com os pesos atômicos de outros gases; isto.
Graças aos trabalhos de J. Dalton, as propriedades físicas e químicas do átomo começaram a ser estudadas. No século 19, D.I. Mendeleev construiu um sistema de elementos químicos baseado em seu peso atômico.
Na física, o conceito de átomos como os últimos elementos estruturais indivisíveis da matéria veio da química. Na verdade, os estudos físicos do átomo começam no final do século XIX, quando o físico francês A. A. Becquerel descobriu o fenômeno da radioatividade, que consistia na transformação espontânea de átomos de alguns elementos em átomos de outros elementos.
A história da pesquisa sobre a estrutura do átomo começou em 1895 graças à descoberta por J. Thomson do elétron, uma partícula carregada negativamente que faz parte de todos os átomos.
Como os elétrons têm carga negativa e o átomo como um todo é eletricamente neutro, assumiu-se que além do elétron existe uma partícula carregada positivamente. A massa do elétron foi calculada como 1/1836 da massa de uma partícula carregada positivamente.
Havia vários modelos da estrutura do átomo.
Em 1902, o físico inglês W. Thomson (Lord Kelvin) propôs o primeiro modelo do átomo - uma carga positiva é distribuída por uma área bastante grande e os elétrons são intercalados com ela, como “passas em pudim”.
Em 1911, E. Rutherford propôs um modelo de átomo que lembrava o sistema solar: no centro está um núcleo atômico e os elétrons se movem em torno dele em suas órbitas.
O núcleo tem carga positiva e os elétrons têm carga negativa. Em vez das forças gravitacionais que atuam no sistema solar, as forças elétricas atuam no átomo. A carga elétrica do núcleo de um átomo, numericamente igual ao número de série no sistema periódico de Mendeleev, é equilibrada pela soma das cargas dos elétrons - o átomo é eletricamente neutro.
Ambos os modelos revelaram-se contraditórios.
Em 1913, o grande físico dinamarquês N. Bohr aplicou o princípio da quantização para resolver o problema da estrutura do átomo e das características dos espectros atômicos.
O modelo do átomo de N. Bohr foi baseado no modelo planetário de E. Rutherford e na teoria quântica da estrutura atômica desenvolvida por ele. N. Bohr apresentou uma hipótese sobre a estrutura do átomo, baseada em dois postulados completamente incompatíveis com a física clássica:
1) em cada átomo existem vários estados estacionários.
2) quando um elétron transita de um estado estacionário para outro, o átomo emite ou absorve uma porção de energia.
Em última análise, é fundamentalmente impossível descrever com precisão a estrutura de um átomo com base na ideia das órbitas dos elétrons pontuais, uma vez que tais órbitas não existem de fato.
A teoria de N. Bohr representa, por assim dizer, o limite do primeiro estágio no desenvolvimento da física moderna. Este é o mais recente esforço para descrever a estrutura do átomo com base na física clássica, complementado apenas com um pequeno número de novas suposições.
Parecia que os postulados de N. Bohr refletiam algumas propriedades novas e desconhecidas da matéria, mas apenas parcialmente. As respostas a essas questões foram obtidas como resultado do desenvolvimento da mecânica quântica. Descobriu-se que o modelo atômico de N. Bohr não deveria ser interpretado literalmente, como foi no início. Os processos no átomo, em princípio, não podem ser representados visualmente na forma de modelos mecânicos por analogia com eventos no macrocosmo. Mesmo os conceitos de espaço e tempo na forma existente no macromundo revelaram-se inadequados para descrever fenômenos microfísicos. O átomo dos físicos teóricos tornou-se cada vez mais uma soma abstrata e inobservável de equações.
Macromundo.
Naturalmente, existem objetos que são muito maiores em tamanho do que objetos no micromundo. Esses objetos constituem o macrocosmo. O macromundo é “habitado” apenas por objetos que são comparáveis ​​em tamanho ao tamanho de uma pessoa. O próprio homem também pode ser considerado um objeto do macrocosmo.
O macrocosmo tem uma organização bastante complexa. Seu menor elemento é o átomo e seu maior sistema é o planeta Terra. Inclui sistemas não vivos e sistemas vivos de vários níveis. Cada nível de organização do macromundo contém microestruturas e macroestruturas. Por exemplo, as moléculas parecem pertencer ao microcosmo, uma vez que não são diretamente observadas por nós. Mas, por um lado, a maior estrutura do microcosmo é o átomo. E agora temos a oportunidade de ver até mesmo parte de um átomo de hidrogênio usando microscópios de última geração. Por outro lado, existem moléculas enormes e extremamente complexas em sua estrutura, por exemplo, o DNA do núcleo pode ter quase um centímetro de comprimento. Este valor já é bastante comparável com a nossa experiência, e se a molécula fosse mais espessa, veríamos a olho nu.
Todas as substâncias, sejam sólidas ou líquidas, são constituídas por moléculas. As moléculas formam redes cristalinas, minérios, rochas e outros objetos, ou seja, o que podemos sentir, ver, etc. No entanto, apesar de formações enormes como montanhas e oceanos, todas estas são moléculas ligadas umas às outras. As moléculas são um novo nível de organização; todas consistem em átomos, que nestes sistemas são considerados indivisíveis, ou seja, elementos do sistema.
Tanto o nível físico de organização do macrocosmo quanto o nível químico lidam com moléculas e vários estados da matéria. No entanto, o nível químico é muito mais complexo. Não se reduz ao físico, que considera a estrutura das substâncias, suas propriedades físicas, o movimento (tudo isso foi estudado no âmbito da física clássica), pelo menos no que diz respeito à complexidade dos processos químicos e à reatividade das substâncias.
No nível biológico de organização do macrocosmo, além das moléculas, normalmente não conseguimos ver as células sem um microscópio. Mas há células que atingem tamanhos enormes, por exemplo, os axônios dos neurônios do polvo têm um metro de comprimento ou até mais. Ao mesmo tempo, todas as células têm certas características semelhantes: consistem em membranas, microtúbulos, muitas possuem núcleos e organelas. Todas as membranas e organelas, por sua vez, consistem em moléculas gigantes (proteínas, lipídios, etc.), e essas moléculas consistem em átomos. Portanto, tanto as moléculas gigantes de informação (DNA, RNA, enzimas) quanto as células são microníveis do nível biológico de organização da matéria, que inclui formações enormes como as biocenoses e a biosfera.

Megamundo.
O Megamundo é um mundo de objetos desproporcionalmente maiores que os humanos.
Todo o nosso Universo é um megamundo. Seu tamanho é enorme, é ilimitado e está em constante expansão. O Universo está repleto de objetos que são muito maiores que o nosso planeta Terra e o nosso Sol. Muitas vezes acontece que a diferença entre qualquer estrela fora do sistema solar é dezenas de vezes maior que a da Terra.
A ciência moderna vê o megamundo, ou espaço, como um sistema interativo e em desenvolvimento de todos os corpos celestes. O megamundo possui uma organização sistêmica na forma de planetas e sistemas planetários que surgem em torno de estrelas, estrelas e sistemas estelares - galáxias; sistemas de galáxias - Metagaláxias.
O estudo do megamundo está intimamente relacionado à cosmologia e à cosmogonia.
Cosmogonia é um ramo da ciência da astronomia que estuda a origem de galáxias, estrelas, planetas e outros objetos. Hoje a cosmogonia pode ser dividida em duas partes:
1) cosmogonia do sistema Solar. Esta parte (ou tipo) de cosmogonia é também chamada de planetária;
2) cosmogonia estelar.
E embora todos esses níveis tenham suas próprias leis específicas, o micromundo, o macromundo e o megamundo estão intimamente interligados.

Análise da compreensão clássica e moderna do conceito de macrocosmo.

Na história do estudo da natureza, podem ser distinguidas duas fases: pré-científica e científica. Pré-científico, ou filosófico natural, abrange o período desde a antiguidade até a formação da ciência natural experimental nos séculos XVI-XVII. Durante este período, os ensinamentos sobre a natureza eram de natureza puramente filosófica natural: os fenômenos naturais observados eram explicados com base em princípios filosóficos especulativos.
O mais significativo para o desenvolvimento subsequente das ciências naturais foi o conceito da estrutura discreta da matéria - o atomismo, segundo o qual todos os corpos consistem em átomos - as menores partículas do mundo.
Os princípios iniciais do atomismo foram átomos e vazio. A essência dos processos naturais foi explicada com base na interação mecânica dos átomos, sua atração e repulsão.
Como as ideias científicas modernas sobre os níveis estruturais da organização da matéria foram desenvolvidas no decorrer de um repensar crítico das ideias da ciência clássica, aplicáveis ​​apenas a objetos de nível macro, o estudo deve começar com os conceitos da física clássica.
I. Newton, apoiando-se nas obras de Galileu, desenvolveu uma teoria científica estrita da mecânica, que descreve tanto o movimento dos corpos celestes quanto o movimento dos objetos terrestres pelas mesmas leis. A natureza era vista como um sistema mecânico complexo. A matéria era considerada uma substância material constituída por partículas individuais de átomos ou corpúsculos. Os átomos são absolutamente fortes, indivisíveis, impenetráveis ​​e caracterizados pela presença de massa e peso.
O movimento foi considerado como movimento no espaço ao longo de trajetórias contínuas de acordo com as leis da mecânica. Acreditava-se que todos os processos físicos podem ser reduzidos ao movimento de pontos materiais sob a influência da gravidade, que é de longo alcance
Seguindo a mecânica newtoniana, foram criadas a hidrodinâmica, a teoria da elasticidade, a teoria mecânica do calor, a teoria da cinética molecular e uma série de outras, em linha com as quais a física alcançou enorme sucesso. No entanto, havia duas áreas - fenômenos ópticos e eletromagnéticos que não podiam ser totalmente explicados no quadro de uma imagem mecanicista do mundo.
Ao desenvolver a óptica, I. Newton, seguindo a lógica de seus ensinamentos, considerou a luz um fluxo de partículas materiais - corpúsculos. Na teoria corpuscular da luz de I. Newton, argumentou-se que os corpos luminosos emitem minúsculas partículas que se movem de acordo com as leis da mecânica e causam uma sensação de luz ao entrar no olho. Com base nesta teoria, I. Newton explicou as leis de reflexão e refração da luz.
Juntamente com a teoria corpuscular mecânica, foram feitas tentativas de explicar os fenómenos ópticos de uma forma fundamentalmente diferente, nomeadamente, com base na teoria ondulatória formulada por H. Huygens. H. Huygens considerou o principal argumento a favor de sua teoria o fato de que dois raios de luz, que se cruzam, penetram um no outro sem qualquer interferência, exatamente como duas fileiras de ondas na água.
Segundo a teoria corpuscular, entre feixes de partículas emitidas, como a luz, ocorreriam colisões ou, pelo menos, algum tipo de perturbação. Com base na teoria das ondas, H. Huygens explicou com sucesso a reflexão e a refração da luz.
No entanto, havia uma objeção importante a isso. Como você sabe, as ondas fluem em torno de obstáculos. Mas um raio de luz, propagando-se em linha reta, não pode contornar obstáculos. Se um corpo opaco com uma borda afiada for colocado no caminho de um raio de luz, então sua sombra terá uma borda afiada. No entanto, esta objeção foi logo removida graças aos experimentos de Grimaldi. Com uma observação mais sutil usando lentes de aumento, descobriu-se que nos limites das sombras nítidas era possível ver áreas fracas de iluminação na forma de faixas ou halos alternados de luz e escuridão. Este fenômeno foi chamado de difração da luz.
A teoria ondulatória da luz foi novamente apresentada nas primeiras décadas do século 19 pelo físico inglês T. Young e pelo naturalista francês O. J. Fresnel. T. Jung deu uma explicação para o fenômeno da interferência, ou seja, o aparecimento de listras escuras quando a luz é aplicada à luz. A sua essência pode ser descrita através de uma afirmação paradoxal: a luz adicionada à luz não produz necessariamente uma luz mais forte, mas pode produzir uma luz mais fraca e até escuridão. A razão para isto é que, de acordo com a teoria das ondas, a luz não é um fluxo de partículas materiais, mas vibrações de um meio elástico, ou movimento ondulatório. Quando cadeias de ondas em fases opostas se sobrepõem, onde a crista de uma onda coincide com o vale de outra, elas se destroem, resultando em listras escuras.
Outra área da física onde os modelos mecânicos se mostraram inadequados foi a área dos fenômenos eletromagnéticos. Os experimentos do naturalista inglês M. Faraday e os trabalhos teóricos do físico inglês J. C. Maxwell finalmente destruíram as ideias da física newtoniana sobre a matéria discreta como o único tipo de matéria e lançaram as bases para a imagem eletromagnética do mundo. O fenômeno do eletromagnetismo foi descoberto pelo naturalista dinamarquês H.K. Oersted, que foi o primeiro a notar o efeito magnético das correntes elétricas.
Mais tarde, M. Faraday chegou à conclusão de que o estudo da eletricidade e da óptica estão interligados e formam um único campo. Suas obras se tornaram o ponto de partida para a pesquisa de J.C. Maxwell, cujo mérito está no desenvolvimento matemático das ideias de M. Faraday sobre magnetismo e eletricidade.
Tendo generalizado as leis dos fenômenos eletromagnéticos (Coulomb, Ampere) previamente estabelecidas experimentalmente e o fenômeno da indução eletromagnética descoberto por M. Faraday, Maxwell encontrou um sistema de equações diferenciais que descreve o campo eletromagnético de forma puramente matemática. Este sistema de equações fornece, dentro dos limites de sua aplicabilidade, uma descrição completa dos fenômenos eletromagnéticos e é uma teoria tão perfeita e logicamente coerente quanto o sistema da mecânica newtoniana.
Das equações seguiu-se a conclusão mais importante sobre a possibilidade de existência independente de um campo não “ligado” a cargas elétricas. EM
etc..................

Atualmente, por conveniência, costuma-se dividir a Natureza unificada em três níveis estruturais - micro, macro e megamundo. Sinais naturais, embora parcialmente subjetivos, de divisão são os tamanhos e massas dos objetos em estudo.

Micromundo– o mundo dos microssistemas extremamente pequenos, não diretamente observáveis, com um tamanho característico de 10–8 cm ou menos (átomos, núcleos atômicos, partículas elementares).

Macromundo– o mundo dos macrocorpos, começando com macromoléculas (tamanhos de 10 a 6 cm e acima) até objetos cujas dimensões são comparáveis ​​à escala da experiência humana direta – milímetros, centímetros, quilômetros, até o tamanho da Terra (o comprimento de o equador da Terra é ~ 10 9 cm).

Megamundo– o mundo dos objetos em escala cósmica de 10 9 cm a 10 28 cm. Esta faixa inclui os tamanhos da Terra, Sistema Solar, Galáxia, Metagalaxia.

Embora os mundos micro, macro e mega estejam intimamente interligados e formem um único todo, no entanto, cada um desses níveis estruturais tem suas próprias leis específicas: no micromundo - as leis da física quântica, no macromundo - as leis das ciências naturais clássicas, especialmente da física clássica: mecânica, termodinâmica, eletrodinâmica. As leis do megamundo baseiam-se principalmente na teoria geral da relatividade.

Micromundo

Física atômica Até os antigos gregos Leucipo e Demócrito apresentaram uma suposição brilhante de que a matéria consiste em minúsculas partículas - átomos.

Os fundamentos científicos da ciência atômico-molecular foram lançados muito mais tarde nas obras do cientista russo M. V. Lomonosov, químicos franceses L. Lavoisier E J. Proust, químico inglês J. Dalton, físico italiano A. Avogadro e outros pesquisadores.

Lei periódica D.I. Mendeleev mostrou a existência de uma relação natural entre todos os elementos químicos. Ficou claro que todos os átomos tinham algo em comum em sua essência. Até o final do século XIX. Na química, prevalecia a crença de que um átomo é a menor partícula indivisível de uma substância simples. Acreditava-se que durante todas as transformações químicas apenas as moléculas são destruídas e criadas, enquanto os átomos permanecem inalterados e não podem ser divididos em partes. E finalmente, no final do século XIX. foram feitas descobertas que mostraram a complexidade da estrutura do átomo e a possibilidade de transformar alguns átomos em outros.

Os cientistas alemães foram os primeiros a apontar a complexa estrutura do átomo. G.R. Kirchhoff E RV Bunsen, estudando os espectros de emissão e absorção de diversas substâncias. A complexa estrutura do átomo também foi confirmada por experimentos no estudo da ionização, na descoberta e estudo dos chamados raios catódicos e no fenômeno da radioatividade.

G.R. Kirchhoff e R.V. Bunsen descobriu que cada elemento químico possui um conjunto característico e único de linhas espectrais em seus espectros de emissão e absorção. Isso significava que a luz era emitida e absorvida por átomos individuais, e o átomo, por sua vez, era um sistema complexo capaz de interagir com um campo eletromagnético.

Isso também foi evidenciado pelo fenômeno da ionização dos átomos, descoberto durante estudos de eletrólise e descarga de gases. Este fenômeno só poderia ser explicado assumindo que o átomo, durante o processo de ionização, perde algumas de suas cargas ou adquire novas.

A evidência da estrutura complexa do átomo foi fornecida por experimentos no estudo dos raios catódicos gerados durante uma descarga elétrica em gases altamente rarefeitos. Para observar esses raios, tanto ar quanto possível é bombeado para fora de um tubo de vidro no qual dois eletrodos de metal são soldados, e então uma corrente de alta tensão passa por ele. Sob tais condições, os raios catódicos “invisíveis” se propagam do cátodo do tubo perpendicularmente à sua superfície, causando um brilho verde brilhante no local onde atingem. Os raios catódicos têm a capacidade de colocar em movimento corpos que se movem facilmente e desviar-se de seu caminho original em campos magnéticos e elétricos.

O estudo das propriedades dos raios catódicos levou à conclusão de que eles consistem em minúsculas partículas com carga negativa. Mais tarde foi possível determinar a massa e a magnitude de sua carga. Descobriu-se que a massa das partículas e a magnitude de sua carga não dependem nem da natureza do gás remanescente no tubo, nem da substância da qual os eletrodos são feitos, nem de outras condições experimentais. Além disso, as partículas catódicas são conhecidas apenas no estado carregado e não podem existir sem suas cargas, não podem ser convertidas em partículas eletricamente neutras: a carga elétrica é a própria essência de sua natureza. Essas partículas são chamadas elétrons.

Nos tubos catódicos, os elétrons são separados do cátodo sob a influência de um campo elétrico. Mas também podem surgir sem qualquer ligação com o campo elétrico. Por exemplo, durante a emissão de elétrons, os metais emitem elétrons; durante o efeito fotoelétrico, muitas substâncias também emitem elétrons; A liberação de elétrons por uma ampla variedade de substâncias indicava que essas partículas faziam parte de todos os átomos, sem exceção. Isto levou à conclusão de que os átomos são formações complexas construídas a partir de componentes menores.

Em 1896 enquanto estudava a luminescência de diversas substâncias A.A. Bequerel descobriu acidentalmente que os sais de urânio emitem sem iluminação prévia. Essa radiação, que tem grande poder de penetração e atinge uma chapa fotográfica embrulhada em papel preto, foi chamada radiação radioativa. Mais tarde, descobriu-se que ele consiste em partículas α pesadas com carga positiva, partículas β negativas leves (elétrons) e radiação γ eletricamente neutra.

A descoberta do elétron pode ser considerada o início do nascimento da física atômica, que levou a tentativas de construir modelos atômicos. Como o elétron tem carga negativa e o átomo como um todo é estável e eletricamente neutro, era natural assumir a presença de partículas carregadas positivamente no átomo.

Os primeiros modelos do átomo baseados nos conceitos da mecânica clássica e da eletrodinâmica surgiram em 1904: o autor de um deles foi um físico japonês Hantaro Nagaoka, o outro pertencia ao físico inglês J.Thomson- o autor da descoberta do elétron.

X. Nagaoka apresentou a estrutura do átomo como semelhante à estrutura do sistema solar: o papel do Sol é desempenhado pela parte central carregada positivamente do átomo, em torno da qual “planetas” - elétrons - se movem em forma de anel estabelecida órbitas. Em pequenos deslocamentos, os elétrons excitam ondas eletromagnéticas.

No modelo do átomo de J. Thomson, a eletricidade positiva é “distribuída” por uma esfera na qual os elétrons estão embutidos. No átomo de hidrogênio mais simples, o elétron está localizado no centro de uma esfera carregada positivamente. Em átomos multielétrons, os elétrons estão dispostos em configurações estáveis ​​calculadas por J. Thomson. Thomson acreditava que cada configuração determina certas propriedades químicas dos átomos. Ele fez uma tentativa de explicar teoricamente o sistema periódico de elementos de D.I.

Mas rapidamente se descobriu que novos factos experimentais refutavam o modelo de Thomson e, pelo contrário, testemunhavam a favor do modelo planetário. Esses fatos foram estabelecidos E. Rutherford em 1912. Em primeiro lugar, deve-se notar que ele descobriu o núcleo atômico. Para revelar a estrutura do átomo, Rutherford investigou o átomo usando partículas alfa, que surgem durante o decaimento do rádio e de alguns outros elementos radioativos. Sua massa é aproximadamente 8.000 vezes a massa de um elétron e sua carga positiva é igual em magnitude ao dobro da carga do elétron.

Nos experimentos de Rutherford, um feixe de partículas α caiu sobre uma folha fina feita do material em estudo (ouro, cobre, etc.). Depois de passar pela folha, as partículas α atingem uma tela revestida com sulfeto de zinco. A colisão de cada partícula com a tela foi acompanhada por cintilação(flash de luz) que pôde ser observado. Na ausência da folha, um círculo brilhante apareceu na tela, consistindo de cintilações causadas pelo feixe de partículas. Mas quando a folha foi colocada no caminho do feixe, então, contrariamente às expectativas, as partículas α sofreram muito pouca dispersão pelos átomos da folha e foram distribuídas na tela dentro de um círculo de uma área ligeiramente maior.

Também se revelou completamente inesperado que um pequeno número de partículas α (cerca de uma em vinte mil) tenha sido desviado em ângulos superiores a 90°, ou seja, praticamente voltando. Rutherford percebeu que uma partícula α com carga positiva só poderia ser lançada de volta se a carga positiva do átomo e sua massa estivessem concentradas em uma região muito pequena do espaço nos átomos alvo. Então Rutherford teve a ideia núcleo atômico- um corpo de pequeno porte no qual estão concentradas quase toda a massa e toda a carga positiva do átomo.

Contando o número de partículas α espalhadas em grandes ângulos, Rutherford conseguiu estimar o tamanho do núcleo. Descobriu-se que o núcleo tem um diâmetro da ordem de

10 –12 –10 –13 cm (para núcleos diferentes). O tamanho do átomo em si é de aproximadamente 10–8 cm, ou seja, 10 a 100 mil vezes maior que o tamanho do núcleo. Posteriormente, foi possível determinar com precisão a carga do núcleo. Se considerarmos a carga de um elétron como uma só, então a carga do núcleo será exatamente igual ao número de um determinado elemento químico na tabela periódica de elementos D.I. Mendeleev.

Os experimentos de Rutherford resultaram diretamente no modelo planetário do átomo com núcleo atômico carregado positivamente. Considerando que o átomo como um todo deve ser eletricamente neutro, deve-se concluir que o número de elétrons intra-atômicos, assim como a carga do núcleo, é igual ao número ordinal do elemento na tabela periódica. Também é óbvio que os elétrons não podem estar em repouso dentro de um átomo, pois cairiam sobre ele devido à atração do núcleo positivo. Portanto, eles deveriam se mover em torno do núcleo como os planetas ao redor do Sol. Esta natureza do movimento dos elétrons é determinada pela ação das forças elétricas de Coulomb por parte do núcleo.

Em um átomo de hidrogênio, apenas um elétron orbita o núcleo. O núcleo de um átomo de hidrogênio tem uma carga positiva igual em magnitude à carga de um elétron e uma massa aproximadamente 1836 vezes maior que a massa do elétron. Este núcleo foi nomeado por Rutherford próton e passou a ser considerada uma partícula elementar.

O tamanho de um átomo é determinado pelo raio orbital de seus elétrons. Um modelo planetário bastante claro do átomo, como já mencionado, é uma consequência direta dos resultados experimentais de Rutherford sobre a dispersão de partículas alfa em átomos de matéria.

No entanto, logo ficou claro que um modelo tão simples contradiz as leis da eletrodinâmica, daí se segue que o modelo do átomo de Rutherford é um sistema instável e um átomo com o design especificado não pode existir por muito tempo. O fato é que o movimento dos elétrons em órbitas circulares ocorre com aceleração, e uma carga acelerada, de acordo com as leis da eletrodinâmica de Maxwell, deve emitir ondas eletromagnéticas (ω - frequência igual à frequência de sua revolução em torno do núcleo). A radiação é acompanhada por uma perda de energia. Perdendo energia, os elétrons devem se aproximar do núcleo, assim como um satélite se aproxima da Terra ao frear na alta atmosfera.

Na realidade, porém, isso não acontece. Os átomos são estáveis ​​e podem existir indefinidamente sem emitir nenhuma onda eletromagnética.

O cientista dinamarquês N. Bohr encontrou uma saída para esta situação. Ele chegou à conclusão radical de que as leis da mecânica clássica e da eletrodinâmica não são de todo aplicáveis ​​no microcosmo e, em particular, no átomo. No entanto, a fim de preservar o modelo planetário do átomo de Rutherford, ele formulou dois postulados (postulados de Bohr) que iam contra a mecânica clássica e a eletrodinâmica clássica. Esses postulados lançaram as bases para teorias fundamentalmente novas do micromundo - mecânica quântica e eletrodinâmica quântica (teoria quântica do campo eletromagnético). Fundamentando seus postulados, Bohr baseou-se na ideia da existência de quanta de campo eletromagnético, apresentada em 1900 por M. Planck e depois desenvolvida por A. Einstein (para explicar o efeito fotoelétrico).

Os postulados de Bohr são os seguintes: um elétron pode se mover ao redor do núcleo não em nenhuma órbita, mas apenas naquelas que satisfaçam certas condições decorrentes da teoria quântica. Essas órbitas são chamadas sustentável, ou quântico,órbita. Quando um elétron se move ao longo de uma das órbitas estáveis ​​possíveis para ele, ele não irradia. A transição de um elétron de uma órbita distante para uma órbita mais próxima é acompanhada por uma perda de energia.

A energia perdida pelo átomo durante cada transição é convertida em um quantum de energia radiante. A frequência da luz emitida neste caso é determinada pelos raios das duas órbitas entre as quais ocorre a transição dos elétrons. Quanto maior for a distância da órbita em que o elétron está localizado até a órbita para a qual ele se move, maior será a frequência da radiação.

O átomo mais simples é o átomo de hidrogênio: apenas um elétron gira em torno do núcleo. Com base nos postulados acima, Bohr calculou os raios das órbitas possíveis para este elétron e descobriu que eles estão relacionados como os quadrados dos números naturais: 1: 2: : 3: ... : P. Magnitude P tenho o nome Número quântico principal. O raio da órbita mais próxima do núcleo em um átomo de hidrogênio é 0,53 angstroms. As frequências das radiações calculadas a partir disso, acompanhando as transições de um elétron de uma órbita para outra, revelaram-se exatamente iguais às frequências encontradas experimentalmente para as linhas do espectro do hidrogênio. Assim, foi comprovada a exatidão do cálculo das órbitas estáveis ​​​​(estacionárias) do átomo de hidrogênio e, ao mesmo tempo, a aplicabilidade dos postulados de Bohr para tais cálculos.

A teoria de Bohr foi posteriormente estendida à estrutura atômica de outros elementos. No entanto, estender a teoria a átomos e moléculas multieletrônicas encontrou dificuldades. Quanto mais os teóricos tentavam descrever o movimento dos elétrons em um átomo multieletrônico e determinar suas órbitas, maiores eram as discrepâncias entre os resultados e os dados experimentais. Durante o desenvolvimento da teoria quântica, ficou claro que essas discrepâncias são de natureza fundamental e estão associadas às chamadas propriedades ondulatórias do elétron.

O fato é que em 1924 Louis de Broglie estendeu o dualismo onda-partícula do campo eletromagnético, então conhecido, às partículas materiais do micromundo (átomos, elétrons, prótons, etc.). Lembremos que segundo sua ideia, partículas que possuem massa, carga, etc. também possuem propriedades ondulatórias. Neste caso, o comprimento de onda de de Broglie (λ) está relacionado ao momento da partícula R e é igual a

λ =h/р, Onde h– Constante de Planck.

A ideia de De Broglie encontrou brilhante confirmação nos experimentos de K. Davisson e L. Germer (1927), nos quais foi observado o fenômeno da difração de elétrons – um exemplo clássico de fenômeno ondulatório.

Desenvolvendo ideias de ondas de partículas do micromundo, E. Schrodinger criou um modelo matemático de onda do átomo na forma da agora famosa equação diferencial de onda de Schrödinger:

A análise da equação de onda de Schrödinger mostrou que ela pode ser usada para determinar todas as energias discretas possíveis E p em um átomo. Além disso, descobriu-se que a função de onda não permite determinar com absoluta precisão a posição dos elétrons nos átomos; eles se espalham em uma espécie de “nuvem”; Assim, só podemos falar da probabilidade de encontrar elétrons em um ou outro lugar do átomo, que é caracterizada pelo quadrado da amplitude da onda.

Levando em consideração as leis da mecânica quântica de ondas, fica claro por que era impossível descrever com precisão a estrutura de um átomo com base em ideias sobre as órbitas de Bohr dos elétrons em um átomo. Essas órbitas precisamente localizadas nos átomos simplesmente não existem, e uma boa concordância entre o cálculo das órbitas dos elétrons no átomo de hidrogênio, de acordo com a teoria de Bohr e os dados experimentais, se deve ao fato de que apenas para o átomo de hidrogênio as órbitas dos elétrons de Bohr coincidiram bem. com as curvas de densidade média de carga calculadas de acordo com a teoria quântica de Schrödinger. Para átomos multielétrons tal coincidência não é observada.

Atualmente, baseia-se na mecânica quântica, bem como na eletrodinâmica quântica - a teoria quântica do campo eletromagnético, desenvolvida em 1927. PA Dirac, foi possível explicar muitas características do comportamento de sistemas atômico-moleculares multieletrônicos. Em particular, foi possível resolver a questão mais importante sobre a estrutura dos átomos de vários elementos e estabelecer a dependência das propriedades dos elementos na estrutura das camadas eletrônicas de seus átomos. Atualmente, foram desenvolvidos esquemas para a estrutura dos átomos de todos os elementos químicos, que permitem explicar muitas das propriedades físicas e químicas dos elementos.

Lembremos que o número de elétrons girando em torno do núcleo de um átomo corresponde ao número ordinal do elemento da tabela periódica de D.I. Mendeleev. Os elétrons estão dispostos em camadas. Cada camada possui um certo número de elétrons que a preenchem ou, por assim dizer, a saturam. Os elétrons da mesma camada são caracterizados por valores de energia próximos, ou seja, estão aproximadamente no mesmo nível de energia. Toda a camada de um átomo decai em vários níveis de energia ( n). Os elétrons de cada camada subsequente estão em um nível de energia mais alto que os elétrons da camada anterior. Número máximo de elétrons ( N), que pode estar em um determinado nível de energia (n), é determinado pela fórmula N = 2n 2, ou seja, no primeiro nível (n=1) pode haver dois elétrons, o segundo (n = 2)– oito elétrons, no terceiro (n = 3)- dezoito.

Os elétrons da camada externa, por serem os mais distantes do núcleo e, portanto, menos fortemente ligados ao núcleo, podem ser destacados do átomo e ligados a outros átomos, passando a fazer parte da camada externa deste último. Os átomos que perderam um ou mais elétrons tornam-se carregados positivamente porque a carga do núcleo atômico excede a soma das cargas dos elétrons restantes. Pelo contrário, os átomos que ganharam elétrons ficam carregados negativamente. As partículas carregadas produzidas são chamadas íons. Muitos íons, por sua vez, podem perder ou ganhar elétrons, transformando-se em átomos eletricamente neutros ou em novos íons com carga diferente.

Resumindo a consideração dos principais resultados das abordagens da mecânica quântica para a estrutura e estrutura dos átomos, notamos o seguinte . O estado de cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro números quânticos - n, eu, t, s:

1) n – A coisa principal número quântico caracteriza a energia de um elétron na órbita correspondente ( n);

2)eu – orbital número quântico, caracteriza a forma da órbita (nuvem de elétrons) e pode variar em um átomo de 0 a n = 1;

3)T– magnético número quântico, caracteriza a orientação das órbitas (nuvens de elétrons) no espaço e pode assumir valores de +1 a –1;

4)é–rodar número quântico caracteriza a rotação de um elétron em torno de seu próprio eixo e pode assumir apenas dois valores: é= ±1/2.

De acordo com um dos princípios mais importantes da mecânica quântica, o princípio de Pauli, um átomo não pode ter elétrons para os quais todos os quatro números quânticos sejam iguais. No âmbito da mecânica quântica, tanto a estrutura dos átomos quanto as mudanças nas propriedades dos elementos químicos da tabela periódica foram totalmente explicadas por D.I. Mendeleev.

A aplicação da mecânica quântica aos campos físicos também se revelou frutífera. Foi construída uma teoria quântica do campo eletromagnético - eletrodinâmica quântica, que revelou uma série de leis fundamentais do micromundo. Entre elas estão as leis mais importantes da transformação mútua de dois tipos de substâncias materiais - matéria material e matéria de campo - uma na outra.

tomou seu lugar nas fileiras das partículas elementares fóton– uma partícula de um campo eletromagnético que não possui massa de repouso. A síntese da mecânica quântica e da relatividade especial levou à previsão da existência antipartículas. Descobriu-se que cada partícula deve ter seu próprio “duplo” – outra partícula com a mesma massa, mas com carga elétrica ou outra carga oposta. O físico inglês P.A. Dirac – fundador da teoria relativista à teoria do campo de chifre – previu a existência do pósitron e a possibilidade de converter um fóton em um par elétron-pósitron e vice-versa. O pósitron, a antipartícula do elétron, foi descoberto experimentalmente em 1934. KD Anderson em raios cósmicos.

Física nuclear.De acordo com os conceitos modernos, os núcleos atômicos dos elementos consistem em prótons e nêutrons. As primeiras indicações de que a composição dos núcleos inclui prótons (núcleos de átomos de hidrogênio) foram obtidas por Rutherford em 1919 como resultado de sua nova descoberta sensacional (após a descoberta da estrutura do átomo) - a divisão do núcleo atômico sob o influência das partículas α e da produção de novos elementos químicos no resultado da primeira reação nuclear artificial.

Em uma das versões de seus experimentos utilizando uma câmara de nuvens cheia de nitrogênio, dentro da qual havia uma fonte radioativa de radiação, Rutherford obteve fotografias de rastros de partículas α, ao final das quais havia uma ramificação característica - uma “garfo ”. Um dos lados da “garfo” deu uma pista curta, e o outro – uma longa. A longa trilha tinha as mesmas características das trilhas observadas anteriormente por Rutherford ao bombardear átomos de hidrogênio com partículas α

Esta foi a primeira vez que foi expressa a ideia de que os núcleos de hidrogênio são parte integrante dos núcleos de outros átomos. Posteriormente, Rutherford propôs o termo “próton” para este componente do núcleo.

O esquema da reação de Rutherford pode ser representado da seguinte forma: uma partícula α entra no núcleo atômico do nitrogênio e é por ele absorvida. O núcleo intermediário do isótopo de flúor que se forma neste caso revela-se instável: ejeta um próton de si mesmo, transformando-se no núcleo do isótopo de oxigênio.

Em 1932 D. D. Ivanenko publicou uma nota na qual sugeria que, junto com o próton, o nêutron também é um elemento estrutural do núcleo. Em 1933, ele fundamentou o modelo próton-nêutron do núcleo e formulou a tese principal de que o núcleo contém apenas partículas pesadas - prótons e nêutrons. Neste caso, ambas as partículas podem se transformar. Avançar próton E nêutron começou a ser considerado como dois estados de uma partícula - núcleo.

E no mesmo 1933 J.Chadwick provou experimentalmente a existência de nêutrons em núcleos atômicos. Ele irradiou uma placa de berílio com partículas alfa e estudou a reação de transformação do berílio (Be) em carbono (C) com a emissão de um nêutron n).

Os nêutrons que escaparam do berílio foram direcionados para uma câmara de nuvem cheia de nitrogênio (N), e quando um nêutron atingiu um próton de um átomo de nitrogênio, um núcleo de boro (B) e partículas α foram formados.

O próprio nêutron não produz um rastro na câmara de nuvens, mas a partir dos rastros do núcleo de boro e da partícula α pode-se calcular que esta reação é causada por uma partícula neutra com massa de uma unidade de massa atômica, ou seja, nêutron. Observe que um nêutron livre não existe por muito tempo, é radioativo, sua meia-vida é de cerca de 8 minutos, após os quais se transforma em um próton, emitindo uma partícula β (elétron) e um neutrino. Após a descoberta do nêutron, o modelo próton-nêutron da estrutura dos núcleos atômicos de D.D. Ivanenko tornou-se universalmente reconhecido.

Todas as reações nucleares são acompanhadas pela emissão de certas partículas elementares. Os produtos das reações nucleares revelam-se radioativos, são chamados isótopos artificialmente radioativos. O fenômeno da radioatividade artificial foi descoberto em 1934 por famosos físicos franceses Frederico E Irene Joliot-Curie.

Assim como as substâncias radioativas que ocorrem naturalmente, os isótopos radioativos produzidos artificialmente emitem radiações α, β e γ conhecidas. Mas, além das radiações listadas, Frederic e Irene Joliot-Curie descobriram um novo tipo de radioatividade - a emissão de elétrons-pósitrons positivos.

Isso foi estabelecido pela primeira vez usando uma câmara de nuvens ao bombardear certos elementos leves (berílio, boro, alumínio) com partículas alfa, como resultado da criação artificial de toda uma série de novos isótopos radioativos, não observados anteriormente na natureza. Um exemplo da formação de um isótopo radioativo de pósitrons é a reação de bombardeio de alumínio com partículas α. E neste caso, o núcleo de alumínio emite um nêutron e se transforma no núcleo de um isótopo radioativo de fósforo, que por sua vez emite um pósitron β + , se transforma em um isótopo estável de silício.

Em escala industrial, os isótopos radioativos artificiais são geralmente produzidos por irradiação (principalmente nêutrons) dos elementos químicos correspondentes em reatores nucleares.

Depois que foi estabelecido que os núcleos dos átomos consistem em prótons e nêutrons, a teoria do núcleo atômico foi desenvolvida no sentido de estudar as interações das partículas dentro do núcleo, bem como a estrutura dos núcleos atômicos de vários elementos .

Abaixo estão informações básicas sobre as propriedades e estrutura dos núcleos.

1. Essencial chamada de parte central do átomo, na qual estão concentradas quase toda a massa do átomo e sua carga elétrica positiva. Todos os núcleos atômicos consistem em prótons e nêutrons, que são considerados dois estados de carga de uma partícula - o núcleon.

Próton tem uma carga elétrica positiva igual em valor absoluto à carga do elétron e=1,6 –19 C e massa de repouso t r ~ 1,6726 10 – 27kg.

Nêutron não tem carga elétrica, sua massa é ligeiramente maior que a massa de um próton - tp= 1,6749 10 –27kg.

A massa dos núcleos das partículas elementares é geralmente expressa em unidades de massa atômica (amu). A unidade de massa atômica é considerada 1/12 da massa do isótopo de carbono: 1 amu. = 1,66 10 –27kg. Por isso, t r= 1,00728 u, uma tp= 1,00866 u

2. Carga principalé chamada de quantidade Z e, Onde e– a magnitude da carga do próton; Z é o número de série de um elemento químico da tabela periódica de Mendeleev, igual ao número de prótons no núcleo.

Atualmente, os núcleos com números de série Z = 1 a Z = 114 são conhecidos. Para núcleos leves, a razão entre o número de nêutrons. (N) ao número de prótons (Z) próximo ou igual à unidade. Para os núcleos dos elementos químicos localizados no final da tabela periódica, a razão N/Z = 1,6.

3. Número total de núcleons no núcleo A= N+ Z chamado Número de massa. Os núcleos (prótons e nêutrons) recebem um número de massa igual a um. Núcleos com o mesmo Z, Mas diferente A são chamados isótopos. Núcleos que, com o mesmo A têm Z diferentes, são chamados isóbaras. Os núcleos dos elementos químicos são geralmente denotados pelo símbolo .X, A, Z onde X– símbolo de um elemento químico; A- Número de massa; Z – número atômico.

No total, são conhecidos cerca de 300 isótopos estáveis ​​​​de elementos químicos e mais de 2.000 isótopos radioativos naturais e produzidos artificialmente.

Todos os isótopos de um elemento químico têm a mesma estrutura de camadas eletrônicas. Portanto, os isótopos de um determinado elemento possuem as mesmas propriedades químicas. Foi agora estabelecido que a maioria dos elementos químicos encontrados na natureza são uma mistura de isótopos. Portanto, as massas atômicas dos elementos indicadas na tabela periódica geralmente diferem significativamente dos números inteiros.

4. O tamanho do núcleo é caracterizado pelo raio do núcleo, que tem um significado condicional devido à indefinição dos limites do núcleo. Fórmula empírica para raio central R= RA, Onde R =(1,3/1,7)10 –15 m, pode ser interpretado como a proporcionalidade do volume do núcleo ao número de núcleons nele.

5. As partículas nucleares têm seus próprios momentos magnéticos, que determinam o momento magnético do núcleo (Rt) geralmente. A unidade de medida dos momentos magnéticos dos núcleos é magneton nuclear μ EU = eh,/2t p, Onde e– valor absoluto da carga do elétron; h– Constante de Planck; t r– massa do próton. Magnetão nuclear μ o veneno é 1836,5 vezes menor que o momento magnético de um elétron em um átomo, o que significa que as propriedades magnéticas de um átomo são determinadas pelas propriedades magnéticas de seus elétrons.

6. A distribuição da carga elétrica dos prótons no núcleo é geralmente assimétrica. A medida do desvio desta distribuição esfericamente simétrica é momento elétrico quadrupolo do núcleo Q. Se a densidade do núcleo for considerada a mesma em todos os lugares, então P determinado apenas pela forma do núcleo.

Os núcleons que compõem o núcleo estão conectados entre si por forças especiais de atração - forças nucleares. A estabilidade dos núcleos atômicos da maioria dos elementos indica que as forças nucleares são excepcionalmente fortes: elas devem exceder as significativas forças repulsivas de Coulomb que atuam entre prótons localizados a distâncias da ordem de 10–13 cm (da ordem do tamanho do núcleo ). As forças nucleares são forças de um tipo especial associadas à existência de um tipo especial de matéria dentro do núcleo - campo nuclear.

Atualmente, foi aceita a teoria dos mésons das forças nucleares, segundo a qual os núcleons interagem entre si por meio da troca de partículas elementares especiais - mésons π - quanta do campo nuclear.

A presença de partículas de troca no núcleo - mésons - foi prevista teoricamente pela primeira vez por um cientista japonês Hidoki Yukawa em 1936, e depois descoberto em raios cósmicos em 1947.

Características gerais das forças nucleares resume-se ao seguinte.

1. As forças nucleares são forças de curto alcance. Eles aparecem apenas em distâncias muito pequenas entre os núcleos do núcleo da ordem de 10 – 15 m. O comprimento (1,5 ÷ 2,2) –10 – 15 m é chamado. gama de forças nucleares.

2. As forças nucleares exibem independência de carga: a atração entre dois núcleons é a mesma, independentemente do estado de carga dos núcleons - próton ou núcleon. A independência de carga das forças nucleares é visível a partir de uma comparação de energias em núcleos espelho (este é o nome dado aos núcleos nos quais o número total de núcleons é o mesmo, mas o número de prótons em um é igual ao número de nêutrons em o outro).

3. As forças nucleares têm uma propriedade de saturação, que se manifesta no fato de que um núcleon em um núcleo interage apenas com um número limitado de núcleons vizinhos mais próximos dele. É por isso que existe uma dependência linear das energias de ligação dos núcleos em relação ao seu número de massa. A. A saturação quase completa das forças nucleares é alcançada na partícula α, que é uma formação muito estável.

Os núcleons estão fortemente ligados ao núcleo por forças nucleares. Para quebrar esta conexão, ou seja, Para a separação completa dos núcleons, um trabalho significativo deve ser realizado. A energia necessária para separar os núcleons que compõem o núcleo é chamada energia de ligação nuclear. A magnitude da energia de ligação pode ser determinada com base na lei da conservação da energia e na lei da proporcionalidade da massa e energia de acordo com a fórmula de Einstein E = ts 2.

De acordo com a lei da conservação da energia, a energia dos núcleons ligados em um núcleo deve ser menor que a energia dos núcleons separados pela quantidade de energia de ligação ε 0. Por outro lado, de acordo com a lei da proporcionalidade de massa e energia, a mudança na energia do sistema ΔW deve ser acompanhado por uma mudança proporcional na massa do sistema por Δm, aqueles. ΔW = Δmc 2, Onde Com– velocidade da luz no vácuo.

Já que neste caso ΔWé a energia de ligação do núcleo, então a massa do núcleo atômico deve ser menor que a soma das massas dos núcleons que constituem o núcleo pela quantidade Δm, que é chamado defeito de massa central. Da relação ΔW = Δmc 2é possível calcular a energia de ligação de um núcleo se o defeito de massa deste núcleo for conhecido Δm.

Como exemplo, calculemos a energia de ligação do núcleo de um átomo de hélio. Consiste em dois prótons e dois nêutrons. Massa de prótons t r= 1,0073 u, massa de nêutrons – tp= 1,0087 u Portanto, a massa dos núcleons que formam o núcleo é igual a 2t r + 2t p = 4,0320 u A massa do núcleo de um átomo de hélio eu = 4,0016 u Assim, o defeito de massa do núcleo atômico de hélio é igual a Δm= 4,0320 – 4,0016 = 0,03 u, ou Δm = 0,03 1,66 10~ 27 = 5 10~ 29kg. Então a energia de ligação do núcleo de hélio

ΔW = Δmc 2=510-29 9-10 16 J=28 MeV.

A fórmula geral para calcular a energia de ligação de qualquer núcleo (em joules) será:

ΔW = c 2 (- t eu),

onde Z é o número atômico; A - Número de massa.

A energia de ligação de um núcleo por nucleon é chamada energia de ligação específica (ε ). Portanto, ε = ΔW/A(energia de ligação específica) caracteriza a estabilidade dos núcleos atômicos. Quanto maior, mais estável é o núcleo.

Na Fig. A Figura 1 apresenta os resultados dos cálculos de energias de ligação específicas para diferentes átomos (dependendo dos números de massa A).

Do gráfico da Fig. 2.2 segue-se que a energia de ligação específica é máxima (8,65 MeV) para núcleos com números de massa da ordem de 100. Para núcleos pesados ​​​​e leves é um pouco menor (por exemplo, 7,5 MeV para urânio e 7 MeV para hélio), para no núcleo atômico do hidrogênio a energia específica de ligação é zero, o que é compreensível, pois não há nada para separar neste núcleo: ele consiste em apenas um núcleon (próton).

a.e.m.

Arroz. 1. Dependência de energias de ligação específicas em números de massa

Toda reação nuclear é acompanhada pela liberação ou absorção de energia. Ao fissionar núcleos pesados ​​com números de massa A cerca de 100 (ou mais) energia nuclear é liberada.

A liberação de energia nuclear também ocorre durante os tipos de reações nucleares - quando vários núcleos leves são combinados (síntese) em um núcleo. Assim, a liberação de energia nuclear ocorre tanto durante as reações de fissão de núcleos pesados ​​quanto durante as reações de fusão de núcleos leves. Quantidade de energia nuclear Δ ε liberado por cada núcleo reagido é igual à diferença entre a energia de ligação ε do produto da reação e a energia de ligação do material nuclear original.

Razão ∆E∆t>ħ/2 significa que a conversão de energia com precisão ∆E deve levar um intervalo de tempo igual a pelo menos ∆t~ħ/∆E. Esta relação é responsável pela largura natural das linhas espectrais de átomos e íons. O tempo de vida do estado excitado dos átomos é da ordem t~10 -8 ÷10 -9 seg. Consequentemente, a incerteza na energia de tais estados é ∆E~ ħ/t, que corresponde à largura natural das linhas espectrais. Se a incerteza energética ∆E ~ ħ/∆t corresponde à energia de alguma partícula ( mс 2, hv), para esta partícula, tendo surgido do “nada”, pode estar em um estado virtual por um tempo ∆t sem violar a lei da conservação da energia. Na moderna teoria quântica de campos, a interação de partículas e suas transformações mútuas são consideradas como o nascimento ou absorção de partículas virtuais por cada partícula real. Qualquer partícula emite ou absorve continuamente partículas virtuais de diferentes tipos. Assim, por exemplo, a interação eletromagnética é o resultado de uma troca fótons virtuais, gravitacional – grávitons. O campo de força nuclear é determinado por π virtual–mésons. Interação fraca é criada bósons vetoriais(descoberto em 1983 no CERN, Suíça-França). E o portador da interação forte é glúons(da palavra inglesa que significa "cola"). A relação de incerteza limita a aplicabilidade da mecânica clássica a microobjetos. Isso causou inúmeras discussões filosóficas. As coordenadas da partícula e seu momento, a mudança na energia e o tempo durante o qual essa mudança ocorreu são chamados de quantidades mutuamente complementares. A obtenção de informações experimentais sobre algumas grandezas físicas que descrevem uma micropartícula está inevitavelmente associada à perda de informações sobre outras grandezas, adicionais à primeira. Esta afirmação, formulada pela primeira vez pelo físico dinamarquês N. Bohr, é chamada o princípio da complementaridade. Bohr explicou o princípio da complementaridade pela influência de um dispositivo de medição, que é sempre um dispositivo macroscópico, no estado de um microobjeto. No entanto, do ponto de vista da teoria quântica moderna, estados em que quantidades mutuamente complementares teriam simultaneamente valores definidos com precisão são fundamentalmente impossíveis. O princípio da complementaridade reflete as propriedades objetivas dos sistemas quânticos que não estão relacionadas com a existência de um observador, e o papel do dispositivo de medição é “preparar” um determinado estado do sistema. Qualquer nova teoria que pretenda fornecer uma descrição mais profunda da realidade física e uma gama de aplicação mais ampla do que a antiga deve incluir a anterior como um caso limite. Assim, a mecânica relativística (teoria da relatividade especial) no limite das baixas velocidades se transforma na mecânica newtoniana. Na mecânica quântica princípio da correspondência requer que suas consequências físicas no caso limite coincidam com os resultados da teoria clássica. O princípio da correspondência revela o fato de que os efeitos quânticos são significativos apenas quando se consideram microobjetos, quando as dimensões da ação são comparáveis ​​à constante de Planck. Do ponto de vista formal, o princípio da correspondência significa que, no limite ħ → 0 a descrição da mecânica quântica de objetos físicos deve ser equivalente à clássica. O significado do princípio da correspondência vai além da mecânica quântica– será parte integrante de qualquer novo esquema teórico. Na física moderna, o termo “partículas elementares” geralmente não é usado em seu significado exato, mas de forma menos estrita para nomear um grande grupo de minúsculas partículas de matéria que não são átomos ou núcleos atômicos (a exceção é o próton). A propriedade mais importante de todas as partículas elementares é a capacidade de nascer e ser destruídas (emitidas e absorvidas) ao interagir com outras partículas. Agora, o número total de partículas elementares conhecidas pela ciência (juntamente com as antipartículas) está se aproximando de 400. Algumas delas são estáveis ​​​​e existem na natureza em estado livre ou fracamente ligado. São elétrons, prótons, nêutrons, fótons e vários tipos de neutrinos.

Todas as outras partículas elementares são extremamente instáveis ​​​​e são formadas em raios cósmicos secundários ou obtidas em laboratório. O principal método de sua geração são as colisões de partículas rápidas e estáveis, durante as quais parte da energia cinética inicial é convertida em energia de repouso das partículas resultantes. (via de regra, não coincidindo com os colididos).

As características comuns de todas as partículas elementares são massa m, vida t, rodar J. e carga elétrica Q.

Dependendo do seu tempo de vida, as partículas elementares são divididas em estáveis, quase estáveis ​​e instáveis ​​(ressonâncias). Estáveis ​​dentro da precisão das medições modernas estão o elétron (t > 5 10 21 anos), o próton (t > 5 10 31 anos), o fóton e o neutrino. Partículas quase estáveis ​​incluem partículas que decaem devido a interações eletromagnéticas e fracas, seus tempos de vida são t > 5 10 -20 s; Um exemplo de partícula quase estável é o nêutron.

Ele decai devido a interações fracas, a vida média é de 15,3 minutos: .

As ressonâncias são partículas elementares que decaem devido a fortes interações; seus tempos de vida característicos são t~ 10 -22 - 10 -24 s.

Cargas elétricas de partículas elementares são múltiplos inteiros de e≈1,6-10 -19 C, chamada de carga elétrica elementar (carga do elétron). Para partículas elementares conhecidas Q = 0, ±1, ±2.

O spin das partículas elementares é um múltiplo inteiro ou meio inteiro da constante de Planck ħ.

Partículas com spin meio inteiro são chamadas férmions. Férmions incluem léptons (como elétron e neutrino) e bárions, consiste em quarks (por exemplo, próton e nêutron). Sistemas férmions são descritos Estatísticas quânticas de Fermi-Dirac. Os férmions obedecem ao princípio de exclusão de Pauli e em um determinado estado quântico um sistema de férmions não pode conter mais de uma partícula. Os férmions formam estruturas materiais.

Partículas com spin inteiro ou zero são chamadas bósons. Os bósons incluem partículas com massa de repouso zero (fóton, gráviton), bem como mésons, consistindo em quarks (por exemplo, mésons π). Sistemas de tais partículas são descritos Estatísticas de Bose-Einstein. Os bósons não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli e não há restrições quanto ao número de partículas que podem estar em determinado estado quântico. Eles formam um campo de interação (de acordo com a teoria quântica de campos) entre férmions.

Por exemplo, as estruturas materiais são formadas por elétrons e núcleons (prótons e nêutrons que formam os núcleos dos átomos), e o campo eletromagnético de interação entre eles é formado por fótons (mais precisamente, fótons virtuais) (Fig. 2).

Figura 2. Classificação das partículas elementares

Mésons e bárions consistem em quarks e, portanto, têm um nome comum - hádrons. Todos os hádrons conhecidos consistem em um par quark-antiquark (mésons) ou três quarks (bárions). Quarks e antiquarks são mantidos dentro dos hádrons pelo campo de glúons. Quarks diferem em “sabor” e “cor”. Cada quark pode estar em um dos três estados de cor: vermelho, azul e amarelo. Quanto aos “sabores”, são conhecidos 5 e presume-se a presença de um sexto. Os sabores dos quarks são indicados por letras você, d, s, c, b, t, que correspondem a palavras em inglês para cima, para baixo, estranho, encantado, lindo E verdade. Além disso, cada quark tem o seu antiquark. Nem um único quark foi registrado de forma livre, apesar de muitos anos de pesquisas. Quarks só podem ser observados dentro de hádrons.

A física de partículas é baseada no conceito de interações fundamentais: gravitacional, eletromagnética, forte e fraca.

A interação eletromagnética se deve à troca de fótons, que são mais bem estudados que outros bósons. A fonte dos fótons é uma carga elétrica. A interação gravitacional está associada a partículas ainda hipotéticas - grávitons. Bósons neutros (Z 0) e carregados (W + ,W –) são portadores da interação fraca entre elétrons, prótons, nêutrons e neutrinos. Os portadores da interação forte são glúons . Eles parecem colar quarks em hádrons. As fontes de glúons são as chamadas cargas de “cor”. Eles não têm nada a ver com cores comuns e são assim chamados para facilitar a descrição. Cada um dos seis sabores de quark vem em três variedades de cores: amarelo, azul ou vermelho. (f, s, k respectivamente). As antiguidades também carregam anti-cargas coloridas. É importante enfatizar que as três cargas e as três anticargas são completamente independentes dos sabores dos quarks. Assim, atualmente, o número total de quarks e antiquarks (incluindo três cores e seis sabores) atingiu 36. Além disso, existem mais nove glúons, como os quarks, não observados no estado livre.

A existência de quarks e glúons leva ao surgimento de um novo estado da matéria, denominado plasma de quark-gluon.

Este é um plasma que consiste não em elétrons e íons, como o plasma comum, mas em quarks e glúons, interagindo fracamente entre si ou nem interagindo.

Um dos principais problemas da microfísica, cuja solução A. Einstein sonhou, é a criação de uma teoria de campo unificada que unisse todas as interações fundamentais conhecidas. A criação de tal teoria significaria um avanço fundamental em todas as áreas da ciência.

Até o momento, foi criada e reconhecida uma teoria que combina duas interações fundamentais - fraca e eletromagnética. É chamado uma teoria unificada de interação fraca e eletromagnética (eletrofraca) e afirma que existem partículas especiais - transportadoras de interação entre elétrons, prótons, nêutrons, neutrinos. Essas partículas, chamadas bósons C +, C – e Z°, foram teoricamente previstos na década de 70. século passado e descoberto experimentalmente em 1983.

A teoria da interação forte é chamada cromodinâmica quântica. Esta teoria, que descreve a interação de quarks e glúons, é modelada a partir da eletrodinâmica quântica, que, por sua vez, descreve interações eletromagnéticas causadas pela troca de fótons. Ao contrário dos fótons eletricamente neutros, os glúons são portadores de cargas “coloridas”. Isso leva ao fato de que ao tentar separá-los no espaço, a energia de interação aumenta. Como resultado, glúons e quarks não existem em estado livre: eles são “autobloqueados” dentro dos hádrons.

A teoria moderna das partículas elementares, que consiste nas teorias da interação eletrofraca e da cromodinâmica quântica, é geralmente chamada modelo padrão. Esta teoria fenomenológica complexa, mas quase completa, é a principal ferramenta teórica com a qual os problemas da microfísica são resolvidos.

“Grande Unificação” é o nome dado aos modelos teóricos baseados na ideia da natureza unificada das interações fortes, fracas e eletromagnéticas. Ele foi projetado para unir todas as partículas existentes: férmions, bósons e partículas escalares. No âmbito da teoria da Grande Unificação, muitos fenómenos muito importantes são bem explicados, em particular como a assimetria observada dos gluões no Universo, a pequena massa de repouso diferente de zero dos neutrinos, a quantização da carga eléctrica e a existência de soluções como como monopolos magnéticos de Dirac. De acordo com os dados mais recentes, a vida média do próton é superior a 1,6 10 33 anos. Provar que o próton é instável seria uma descoberta de fundamental importância. No entanto, esta decadência ainda não foi registrada. Os cientistas esperam que o desenvolvimento adicional dos modelos da “Grande Unificação” leve à unificação de todas as interações, incluindo as gravitacionais (superunificação). Mas este é um assunto para o futuro.

Na microfísica, um certo comprimento fundamental é conhecido e desempenha um papel importante, chamado comprimento de Planck, ou gravitacional - eu g= 1,6 –33 cm. Acredita-se que comprimentos menores que os de Planck não existam na natureza. Juntamente com o tempo de Planck tg ~ 1,6 10 –43 s eles constituem quanta espaço-tempo, que pretendem formar a base da futura teoria quântica da gravidade. Segundo o acadêmico V.L. Ginzburg, significado físico de comprimento eu gé que em escalas menores não é mais possível utilizar a teoria relativística clássica da gravidade e, em particular, a teoria da relatividade geral (GR), cuja construção foi concluída por Einstein em 1915.

Atualmente, o menor “parâmetro de impacto” alcançado nos aceleradores modernos é eu ~ 10 –17 cm Assim, podemos concluir que até as distâncias. eu ~ 10–17 cm e vezes eu f /c ~ 10 –27 s as coordenadas espaço-temporais existentes são válidas. Significado eu diferente do valor eu g em até 16 ordens de magnitude, então a questão do comprimento fundamental ainda permanece relevante para a ciência.

Na primeira metade do século XX, quando os objetos de estudo da microfísica eram o átomo e depois o núcleo atômico, para compreender o comportamento dos elétrons nos átomos, foi necessário fazer uma verdadeira revolução na ciência - criar quântica mecânica. A microfísica ocupou então um lugar muito especial nas ciências naturais. Graças aos seus sucessos, conseguimos compreender a estrutura da matéria. A microfísica é a base da ciência física moderna.

Macromundo

Do micromundo ao macromundo. A teoria da estrutura atômica deu à química a chave para a compreensão da essência das reações químicas e do mecanismo de formação dos compostos químicos - um nível molecular mais complexo de organização da matéria material em comparação com a forma atômica elementar.

A mecânica quântica permitiu resolver a importante questão do arranjo dos elétrons em um átomo e estabelecer a dependência das propriedades dos elementos na estrutura das camadas eletrônicas. Atualmente, foram desenvolvidos esquemas para a estrutura dos átomos de todos os elementos químicos. Ao construí-los, os cientistas partiram de considerações gerais sobre a estabilidade de várias combinações de elétrons. E, naturalmente, a lei periódica de D.I. Mendeleev.

Ao desenvolver diagramas da estrutura dos átomos dos elementos, foi levado em consideração o seguinte:

1) foi assumido que o número de elétrons em um átomo é igual à carga do núcleo atômico, ou seja, o número de série do elemento da tabela periódica;

2) toda a camada eletrônica decai em várias camadas correspondentes a certos níveis de energia (n = 1, 2,3,4,...);

3) em todos os níveis P não pode haver mais N elétrons, onde N= 2p 2;

4) o estado de cada elétron em um átomo é determinado por um conjunto de quatro números quânticos p, eu, T E S.

De acordo com o princípio de Pauli, todos os elétrons em um átomo diferem uns dos outros em pelo menos um número quântico. Não existem dois elétrons em um átomo cujos números quânticos sejam todos iguais. De acordo com essas suposições, foram construídos diagramas simplificados da estrutura dos átomos para os três primeiros períodos da tabela periódica;

Apesar da convencionalidade e simplicidade destes esquemas, eles são suficientes para explicar as propriedades mais importantes dos elementos e compostos.

Assim, por exemplo, no primeiro nível de energia ( n = 1, eu =0, t = 0) só pode haver dois elétrons, diferindo em seus números quânticos de spin (s= ±1/2). Outros elétrons em n = Não pode haver 1. Isso corresponde ao fato de que se houver um elétron no primeiro nível, então este é um átomo de hidrogênio; se houver dois elétrons, então é um átomo de hélio. Ambos os elementos preenchem a primeira linha da tabela periódica.

A segunda linha da tabela periódica é ocupada por elementos cujos elétrons estão localizados no segundo nível de energia ( P= 2). Pode haver um total de oito elétrons no segundo nível de energia (N=2· 2 2).

Na verdade, quando P= 2 os seguintes estados de elétrons podem ocorrer: se eu = 0 e T= 0, então pode haver dois elétrons com spins opostos; Se eu = 1, então T pode assumir três valores (T= –1; 0; +1) e cada valor T também corresponde a dois elétrons com spins diferentes. Assim, haverá oito elétrons no total.

A segunda linha de elementos da tabela periódica, na qual um elétron é adicionado sequencialmente no segundo nível de energia, é lítio, berílio, boro, carbono, nitrogênio, oxigênio, flúor, néon.

No número quântico principal P= 3 eu pode assumir três valores ( eu=0; 1; 2), e todos eu corresponde a vários valores T. no eu= 0 T= 0; no eu~ 1 T= –1; 0; +1; no eu=2t=–2; -1; 0; eu 1; +2 (Fig. 2.4).

Como pode haver nove valores no total T, e para cada estado T corresponde a dois elétrons com valores diferentes s =±1/2, mas apenas no terceiro nível de energia (n = 3) talvez 18 elétrons (N=2· Z2).

A terceira linha da tabela periódica corresponde ao preenchimento sequencial do nível de energia externo dos elementos do sódio ao argônio (sódio, magnésio, alumínio, silício, fósforo, enxofre, cloro, argônio) com elétrons.

Níveis de energia e estados possíveis dos elétrons em um átomo: as órbitas possíveis nas quais um elétron em um átomo se move ao redor do núcleo podem ser representadas na forma de círculos (A), cada um dos quais se ajusta exatamente a um número inteiro de comprimentos de onda de luz igual ao Número quântico principal P. Um análogo bidimensional de um átomo pode ser descrito por dois números quânticos, enquanto um átomo real é caracterizado por três números quânticos.

As linhas seguintes da tabela periódica correspondem a regras mais complexas para preencher os níveis externos dos átomos com elétrons, pois à medida que o número total de elétrons aumenta, as interações coletivas entre diferentes grupos de elétrons localizados em diferentes níveis de energia começam a aparecer nos átomos. Isto leva à necessidade de levar em conta uma série de efeitos mais sutis.

A elucidação da estrutura das camadas eletrônicas dos átomos também influenciou a estrutura do próprio sistema periódico, alterando um pouco a divisão dos elementos em períodos que existiam até então. Nas tabelas anteriores, cada período começou com um gás inerte, ficando o hidrogênio fora dos períodos. Mas agora ficou claro que o novo período deve começar com o elemento em cujo átomo uma nova camada de elétrons na forma de um elétron de valência (hidrogênio e metais alcalinos) aparece pela primeira vez, e terminar com o elemento em cujo átomo esta camada tem oito elétrons, formando uma estrutura eletrônica muito forte, característica de gases inertes.

A teoria da estrutura atômica também resolveu a questão da posição dos elementos de terras raras na tabela periódica, que, devido à grande semelhança entre si, não podiam ser distribuídos em grupos diferentes. Os átomos desses elementos diferem entre si na estrutura de uma das camadas eletrônicas internas, enquanto o número de elétrons na camada externa, da qual dependem principalmente as propriedades químicas do elemento, é o mesmo. Por esta razão, todos os elementos de terras raras (lantanídeos) são agora colocados fora da tabela geral.

No entanto, o principal significado da teoria da estrutura atômica era revelar o significado físico da lei periódica, que, na época de Mendeleev, ainda não era claro. Basta olhar a tabela da disposição dos elétrons nos átomos dos elementos químicos para se convencer de que com o aumento das cargas núcleos atômicos As mesmas combinações de elétrons na camada externa do átomo são constantemente repetidas. Assim, ocorrem mudanças periódicas nas propriedades dos elementos químicos devido a retornos periódicos às mesmas configurações eletrônicas.

Vamos tentar estabelecer com mais precisão como as propriedades químicas dos átomos dependem da estrutura das camadas eletrônicas.

Consideremos primeiro a mudança nas propriedades ao longo dos períodos. Dentro de cada período (exceto o primeiro), as propriedades metálicas, mais pronunciadas no primeiro membro do período, enfraquecem gradualmente durante a transição para os membros subsequentes e dão lugar a propriedades metalóides: no início do período existe um metal típico, em na extremidade há um metalóide típico (não metálico) e atrás dele – um gás inerte.

A mudança regular nas propriedades dos elementos ao longo dos períodos pode ser explicada da seguinte forma. A propriedade mais característica dos metais do ponto de vista químico é a capacidade de seus átomos cederem facilmente elétrons externos e se transformarem em íons carregados positivamente, enquanto os metalóides, ao contrário, são caracterizados pela capacidade de ganhar elétrons para formar íons negativos. .

Para remover um elétron de um átomo e transformá-lo em um íon positivo, é necessário gastar alguma energia, que é chamada potencial de ionização.

O potencial de ionização tem o menor valor para os elementos que iniciam o período, ou seja, para hidrogênio e metais alcalinos, e o maior para elementos que terminam o período, ou seja, para gases inertes. Seu valor pode servir como medida da maior ou menor “metalicidade” de um elemento: quanto menor o potencial de ionização, mais fácil é remover um elétron de um átomo, mais pronunciadas devem ser as propriedades metálicas do elemento.

A magnitude do potencial de ionização depende de três razões: a magnitude da carga nuclear, o raio do átomo e um tipo especial de interação entre os elétrons no campo elétrico do núcleo causado por suas propriedades ondulatórias. Obviamente, quanto maior a carga do núcleo e menor o raio do átomo, mais forte será a atração do elétron pelo núcleo e maior será o potencial de ionização.

Para elementos do mesmo período, durante a transição de um metal alcalino para um gás inerte, a carga nuclear aumenta gradualmente e o raio atômico diminui. A consequência disso é um aumento gradual do potencial de ionização e um enfraquecimento das propriedades metálicas. Nos gases nobres, embora os raios de seus átomos sejam maiores que os raios dos átomos de halogênio no mesmo período, os potenciais de ionização são maiores que os dos halogênios. Neste caso, o terceiro dos fatores mencionados acima - a interação entre os elétrons - é fortemente afetado, como resultado do qual a camada externa de elétrons de um átomo de gás inerte tem uma estabilidade energética especial, e a remoção de um elétron dela requer significativamente mais energia.

A ligação de um elétron a um átomo metalóide, transformando sua camada eletrônica em uma camada estável de um átomo de gás inerte, é acompanhada pela liberação de energia. O valor dessa energia, quando calculado por 1 átomo-grama de um elemento, serve como medida do chamado afinidade eletrônica. Quanto maior a afinidade eletrônica, mais facilmente o átomo liga um elétron. A afinidade eletrônica dos átomos de metal é zero – os átomos de metal não são capazes de anexar elétrons. A afinidade eletrônica dos átomos metalóides é maior quanto mais próximo o metalóide estiver de um gás inerte na tabela periódica. Portanto, dentro de um período, as propriedades metalóides aumentam à medida que o final do período se aproxima.

Na vida cotidiana não precisamos lidar com átomos. O mundo que nos rodeia é construído a partir de objetos formados por um número gigantesco de átomos na forma de sólidos, líquidos e gases. Portanto, nosso próximo passo deveria ser estudar como os átomos interagem entre si para formar moléculas e depois matéria macroscópica. Mesmo a personalidade humana (e em geral o comportamento de todos os organismos vivos) é o resultado de diferenças nas estruturas de moléculas gigantes que transportam informação genética.

As moléculas consistem em átomos idênticos ou diferentes conectados entre si por ligações químicas interatômicas. A estabilidade das moléculas indica que as ligações químicas são causadas por forças de interação que ligam os átomos em uma molécula.

As forças de interação interatômica surgem entre os elétrons externos dos átomos. Os potenciais de ionização desses elétrons são muito mais baixos do que aqueles dos elétrons localizados em níveis de energia internos.

Encontrar fórmulas específicas de compostos químicos é bastante simplificado se usarmos o conceito de valência dos elementos, ou seja, a propriedade de seus átomos de se ligarem ou substituirem um certo número de átomos de outro elemento.

O conceito de valência se estende não apenas a átomos individuais, mas também a grupos inteiros de átomos que fazem parte de compostos químicos e participam como um todo nas reações químicas. Esses grupos de átomos são chamados radicais.

Base física das ligações químicas em moléculas de matéria. No entanto, a natureza das forças que determinam as ligações entre os átomos nas moléculas permaneceu desconhecida por muito tempo. Somente com o desenvolvimento da doutrina da estrutura do átomo surgiram teorias que explicavam o motivo das diferentes valências dos elementos e o mecanismo de formação dos compostos químicos baseados em conceitos eletrônicos. Todas essas teorias baseiam-se na existência de uma conexão entre fenômenos químicos e elétricos.

Detenhamo-nos, em primeiro lugar, na relação das substâncias com a corrente elétrica.

Algumas substâncias são condutoras de corrente elétrica, tanto sólidas quanto líquidas: são, por exemplo, todos os metais. Outras substâncias não conduzem corrente no estado sólido, mas são eletricamente condutoras quando fundidas. Estes incluem a grande maioria dos sais, bem como muitos óxidos e hidratos de óxidos. Finalmente, o terceiro grupo consiste em substâncias que não conduzem corrente nem no estado sólido nem no líquido. Isso inclui quase todos os metalóides.

A experiência estabeleceu que a condutividade elétrica dos metais se deve ao movimento dos elétrons, e a condutividade elétrica dos sais fundidos e compostos semelhantes se deve ao movimento de íons com cargas opostas. Por exemplo, quando a corrente passa pelo sal de cozinha fundido, os íons de sódio Na + com carga positiva movem-se para o cátodo e os íons de cloro Cl - com carga negativa movem-se para o ânodo. É óbvio que nos sais os íons já existem em uma substância sólida, a fusão apenas criará condições para seu livre movimento; Portanto, tais compostos são chamados compostos iónicos. Substâncias que praticamente não conduzem corrente não contêm íons: são constituídas de moléculas ou átomos eletricamente neutros. Assim, a diferente relação entre as substâncias e a corrente elétrica é consequência dos diferentes estados elétricos das partículas que formam essas substâncias.

Os tipos de substâncias acima correspondem a dois tipos diferentes de ligações químicas:

a) ligação iônica, também chamada eletrovalente (entre íons de carga oposta em compostos iônicos);

b) ligação atômica ou covalente (entre átomos eletricamente neutros nas moléculas de todas as outras substâncias).

Ligação iônica Este tipo de ligação existe entre íons com carga oposta e é formado como resultado da simples atração eletrostática de íons entre si.

Os íons positivos são formados pela remoção de elétrons dos átomos, os íons negativos são formados pela adição de elétrons aos átomos.

Por exemplo, o íon positivo Na + é formado quando um elétron é removido do átomo de sódio. Como existe apenas um elétron na camada externa do átomo de sódio, é natural supor que é esse elétron, por ser o mais distante do núcleo, que é separado do átomo de sódio quando é convertido em um íon. De forma semelhante, os íons magnésio Mg 2+ e alumínio A1 3+ são obtidos como resultado da abstração de dois e três elétrons externos dos átomos de magnésio e alumínio, respectivamente.

Em contraste, íons negativos de enxofre e cloro são formados pela adição de elétrons a esses átomos. Como as camadas eletrônicas internas dos átomos de cloro e enxofre estão preenchidas, elétrons adicionais nos íons S 2 e Cl – obviamente tiveram que ocupar o lugar na camada externa.

Comparando a composição e estrutura das camadas eletrônicas dos íons Na +, Mg 2+, A1 3+, vemos que todos esses íons possuem os mesmos - os mesmos dos átomos do gás inerte néon (Ne).

Ao mesmo tempo, íons S 2 e Cl – , formados como resultado da adição de elétrons aos átomos de enxofre e cloro, possuem as mesmas camadas eletrônicas dos átomos de argônio (Ar).

Assim, nos casos considerados, quando os átomos são transformados em íons, as camadas eletrônicas dos íons tornam-se semelhantes às camadas dos átomos de gases inertes localizados mais próximos deles na tabela periódica.

A teoria moderna da ligação química explica

V. RECOMENDAÇÕES GERAIS PARA ALUNOS SOBRE ORGANIZAÇÃO DE TRABALHO INDEPENDENTE

V. Características de organização do controle do conhecimento para determinados tipos de trabalhos acadêmicos dos alunos

Na sua forma mais geral, a matéria é um conjunto infinito de todos os objetos e sistemas coexistentes no mundo, a totalidade de suas propriedades, conexões, relações e formas de movimento. Além disso, inclui não apenas todos os objetos e corpos da natureza diretamente observáveis, mas também tudo o que não nos é dado nas sensações. O mundo inteiro que nos rodeia move a matéria nas suas formas e manifestações infinitamente variadas, com todas as suas propriedades, conexões e relações. Neste mundo, todos os objetos possuem ordem interna e organização sistêmica. A ordem se manifesta no movimento regular e na interação de todos os elementos da matéria, devido aos quais eles são combinados em sistemas. O mundo inteiro, assim, aparece como um conjunto de sistemas organizados hierarquicamente, onde qualquer objeto é simultaneamente um sistema independente e um elemento de outro sistema mais complexo.

De acordo com a moderna imagem científica natural do mundo, todos os objetos naturais também representam sistemas ordenados, estruturados e hierarquicamente organizados. Com base em uma abordagem sistemática da natureza, toda a matéria é dividida em duas grandes classes de sistemas materiais - natureza inanimada e viva. No sistema natureza inanimada os elementos estruturais são: partículas elementares, átomos, moléculas, campos, corpos macroscópicos, planetas e sistemas planetários, estrelas e sistemas estelares, galáxias, metagaláxias e o Universo como um todo. Assim, em animais selvagens os principais elementos são proteínas e ácidos nucléicos, células, organismos unicelulares e multicelulares, órgãos e tecidos, populações, biocenoses, matéria viva do planeta.

Ao mesmo tempo, tanto a matéria inanimada como a viva incluem vários níveis estruturais interligados. Estrutura é um conjunto de conexões entre elementos de um sistema. Portanto, qualquer sistema consiste não apenas em subsistemas e elementos, mas também em várias conexões entre eles. Dentro desses níveis, os principais são -

Existem conexões horizontais (coordenação) e entre níveis existem conexões verticais (subordinação). A combinação de conexões horizontais e verticais permite criar uma estrutura hierárquica do Universo, em que a principal característica qualificadora é o tamanho do objeto e sua massa, bem como sua relação com o homem. Com base neste critério, distinguem-se os seguintes níveis de matéria: micromundo, macromundo e megamundo.

Micromundo- a região de microobjetos materiais extremamente pequenos e diretamente inobserváveis, cuja dimensão espacial é calculada na faixa de 10 -8 a 10 -16 cm, e o tempo de vida - do infinito a 10 - 24 s. Isso inclui campos, partículas elementares, núcleos, átomos e moléculas.

Macromundo - o mundo dos objetos materiais, proporcional em escala a uma pessoa e seus parâmetros físicos. Neste nível, as grandezas espaciais são expressas em milímetros, centímetros, metros e quilômetros, e o tempo - em segundos, minutos, horas, dias e anos. Na realidade prática, o macromundo é representado por macromoléculas, substâncias em vários estados de agregação, organismos vivos, humanos e os produtos de suas atividades, ou seja, macrocorpos.

Megamundo - uma esfera de enormes escalas e velocidades cósmicas, cuja distância é medida em unidades astronômicas, anos-luz e parsecs, e a vida útil dos objetos espaciais é medida em milhões e bilhões de anos. Este nível de matéria inclui os maiores objetos materiais: estrelas, galáxias e seus aglomerados.

Cada um desses níveis tem suas próprias leis específicas que são irredutíveis entre si. Embora todas essas três esferas do mundo estejam intimamente ligadas entre si.

Estrutura do megamundo

Os principais elementos estruturais do megamundo são planetas e sistemas planetários; estrelas e sistemas estelares que formam galáxias; sistemas de galáxias que formam metagaláxias.

Planetas- corpos celestes não autoluminosos, com formato semelhante a uma bola, girando em torno das estrelas e refletindo sua luz. Devido à sua proximidade com a Terra, os planetas do Sistema Solar mais estudados são aqueles que se movem ao redor do Sol em órbitas elípticas. A nossa Terra, localizada a uma distância de 150 milhões de km do Sol, também pertence a este grupo de planetas.

Estrelas- objetos espaciais luminosos (gás) formados a partir de um ambiente de poeira gasosa (principalmente hidrogênio e hélio) como resultado da condensação gravitacional. Estrelas removidas

uns dos outros por grandes distâncias e, portanto, isolados uns dos outros. Isso significa que as estrelas praticamente não colidem entre si, embora o movimento de cada uma delas seja determinado pela força gravitacional criada por todas as estrelas da Galáxia. O número de estrelas na Galáxia é de cerca de um trilhão. Os mais numerosos deles são as anãs, cujas massas são cerca de 10 vezes menores que a massa do Sol. Dependendo da sua massa, as estrelas evoluem para anãs brancas, estrelas de nêutrons ou buracos negros.

anã brancaé uma pós-estrela de elétrons, formada quando uma estrela no último estágio de sua evolução tem massa inferior a 1,2 massas solares. O diâmetro da anã branca é igual ao diâmetro da nossa Terra, a temperatura atinge cerca de um bilhão de graus e a densidade é de 10 t/cm 3, ou seja, centenas de vezes maior que a densidade da Terra.

Estrelas de nêutrons surgem no estágio final da evolução de estrelas com massa de 1,2 a 2 massas solares. Altas temperaturas e pressões criam condições para a formação de um grande número de nêutrons. Nesse caso, ocorre uma compressão muito rápida da estrela, durante a qual começam rápidas reações nucleares em suas camadas externas. Nesse caso, é liberada tanta energia que ocorre uma explosão, espalhando a camada externa da estrela. Suas regiões internas estão diminuindo rapidamente. O objeto restante é chamado de estrela de nêutrons porque é feito de prótons e nêutrons. As estrelas de nêutrons também são chamadas de pulsares.

Buracos negros - São estrelas que estão em fase final de desenvolvimento, cuja massa ultrapassa 2 massas solares e têm diâmetro de 10 a 20 km. Cálculos teóricos mostraram que eles têm uma massa gigantesca (10 15 g) e um campo gravitacional anormalmente forte. Eles receberam esse nome porque não têm brilho, e devido ao seu campo gravitacional capturam do espaço todos os corpos cósmicos e a radiação que não pode sair deles de volta, parecem cair neles (sendo puxados para dentro, como para um buraco ). Devido à forte gravidade, nenhum corpo material capturado pode se mover além do raio gravitacional do objeto e, portanto, eles aparecem “pretos” para o observador.

Sistemas estelares (aglomerados estelares)- grupos de estrelas conectadas por forças gravitacionais, tendo origem comum, composição química semelhante e incluindo até centenas de milhares de estrelas individuais. Existem sistemas estelares dispersos, como as Plêiades na constelação de Touro. Tais sistemas não possuem o formato correto. Atualmente, mais de mil são conhecidos

sistemas estelares. Além disso, os sistemas estelares incluem aglomerados estelares globulares, que contêm centenas de milhares de estrelas. As forças gravitacionais mantêm estrelas nesses aglomerados durante bilhões de anos. Atualmente, os cientistas conhecem cerca de 150 aglomerados globulares.

Galáxias são coleções de aglomerados de estrelas. O conceito de “galáxia” em sua interpretação moderna significa enormes sistemas estelares. Este termo (do grego “leite, leitoso”) foi cunhado para se referir ao nosso sistema estelar, que é uma faixa clara com uma tonalidade leitosa que se estende por todo o céu e por isso é chamada de Via Láctea.

Convencionalmente, com base na sua aparência, as galáxias podem ser divididas em três tipos. PARA primeiro(cerca de 80%) são galáxias espirais. Nesta espécie, o núcleo e as “mangas” espirais são claramente observados. Segundo tipo(cerca de 17%) inclui galáxias elípticas, ou seja, aqueles que têm a forma de uma elipse. PARA terceiro tipo(aproximadamente 3%) são galáxias de formato irregular que não possuem um núcleo claramente definido. Além disso, as galáxias diferem em tamanho, número de estrelas que contêm e luminosidade. Todas as galáxias estão em estado de movimento e a distância entre elas aumenta constantemente, ou seja, há um afastamento mútuo (dispersão) de galáxias umas das outras.

Nosso sistema solar pertence à Via Láctea, que inclui pelo menos 100 bilhões de estrelas e, portanto, pertence à categoria das galáxias gigantes. Tem uma forma achatada, no centro do qual existe um núcleo com “mangas” espirais que dele se estendem. O diâmetro da nossa Galáxia é de cerca de 100 mil e a espessura é de 10 mil anos-luz. Nossa galáxia vizinha é a Nebulosa de Andrômeda.

Uma metagalaxia é um sistema de galáxias que inclui todos os objetos cósmicos conhecidos.

Como o megamundo lida com grandes distâncias, as seguintes unidades especiais foram desenvolvidas para medir essas distâncias:

1) ano-luz - distância que um raio de luz percorre durante um ano a uma velocidade de 300.000 km/s, ou seja, um ano-luz equivale a 10 trilhões de km;

2) unidade astronômica é a distância média da Terra ao Sol, 1 UA. igual a 8,3 minutos-luz. Isso significa que os raios solares, saindo do Sol, chegam à Terra em 8,3 minutos;

3) parsec - uma unidade de medida de distâncias cósmicas dentro de sistemas estelares e entre eles. 1 peça - 206.265 au, ou seja, aproximadamente igual a 30 trilhões de km, ou 3,3 anos-luz.