Образы физического мира Вопросы: 1. Химия как наука. Химический элемент. Атом. Элементарные частицы. 2. Физика. Понятие «физическая величина». Проблема. - презентация

1 образы физического мира Вопросы: 1. Химия как наука. Химический элемент. Атом. Элементарные частицы. 2. Физика. Понятие «физическая величина». Проблема измерения.

2 Вещество, поле, вакуум Вещество - вид материи, обладающей массой покоя. Вещество слагается из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю. Поле определяется через силы, действующие на некоторый пробный объект (заряд, массу), помещенный в данную точку пространства.

3 Структурные уровни организации материи (вещество и поле) Основные характеристики вещества я поля 1. Вещество и поле различаются по массе покоя Частицы вещества обладают массой покоя, электромагнитное и гравитационное поля - нет. Однако в микромире каждому полю сопоставляется частица (квант этого поля) и каждая частица рассматривается как квант соответствующего поля. Для ядерных полей (мезонного, нуклонного и т.д.) это различие уже неверно - кванты этих полей обладают конечной массой покоя 2. Вещество и поле различаются по закономерностям движения Скорость распространения электромагнитного и гравитационного полей всегда равна скорости света в пустоте (с), а скорость движения частиц вещества всегда меньше с. Однако наличие ядерных полей ликвидирует и эту границу. Для квантов этих полей как раз характерна невозможность движения со скоростью, равной с 3. Вещество и поле различаются по степени, проницаемости Вещество мало проницаемо, электромагнитное и гравитационное поля - наоборот. На уровне микромира и эта граница исчезнет. Для таких частиц, как нейтрино, вещество оказывается весьма проницаемым, с другой стороны, ядерные поля могут обладать очень малой проницаемостью Примечание: На макроскопическом уровне под полем понимается электромагнитное и гравитационное поля, а под веществом -обычные тела

4

5 Структурные уровни организации материи (вещество и поле; продолжение) Основные характеристики вещества и поля 4. Вещество и поле различаются по степени концентрации массы и энергии Очень большая - у частиц вещества и очень малая - у электромагнитного и гравитационного полей. В микромире и это различие стирается. Ядерные поля обладают огромной концентрацией массы и энергии, и даже кванты электромагнитного поля могут достигать концентраций энергии, значительно превосходящих таковую у частиц вещества 5. Вещество и поле различаются как корпускулярная и волновая сущности Это различие исчезает на уровне микропроцессов. Частицы вещества обладают волновыми свойствами, а непрерывное в макроскопических процессах электромагнитное поле обнаруживает на уровне микромира свой корпускулярный аспект Общий вывод: Различие вещества и поля верно характеризует реальный мир в макроскопическом приближении. Это различие не является абсолютным, и при переходе к микрообъектам ярко обнаруживается его относительность. В микромире понятия «частицы» (вещество) и «волны» (поля) выступают как дополнительные характеристики, выражающие внутренне противоречивую сущность микрообъектов

6 Вещество, поле, вакуум Вакуум - с остояние газа, когда длина пробега молекул между последовательными столкновениями становится меньше характерных размеров сосуда, то есть, возможна передача энергии не от молекулы к молекуле, а от одной стенки сосуда к другой.

7 Химия Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. Современная химия занимается получением веществ с заданными свойствами (производственная деятельность) и выявлением способов управления свойствами вещества (научно-исследовательская деятельность).

8 Д.И.Менделеев. Периодический закон П ериодический закон Д.И.Менделеева сформулирован в следующем виде: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. На базе современных данных о составе атомного ядра и о распределении электронов в атомах периодический закон формулируется таким образом: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера).

9 Химический элемент В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и различаются по своей массе.

10 Физическая картина мира Общее теоретическое знание в физике, которое включает: основополагающие философские и физические идеи; фундаментальные физические теории; основные принципы, законы и понятия; принципы и методы познания. С одной стороны, физическая картина мира есть обобщение всех ранее полученных знаний о природе и определенная ступень познания человеком материального мира и его закономерностей. С другой стороны, физическая картина мира есть процесс введения в физику новых основополагающих идей, принципов, понятий и гипотез, которые меняют основы теоретической физики; одна физическая картина заменяется другой.

11 Механистическая картина мира Формируется на основе механики Леонардо да Винчи ( гг.), гелиоцентрической системы Н. Коперника ( гг.), экспериментального естествознания Г. Галилея ( гг.), законов небесной механики И. Кеплера( гг.),механики И. Ньютона ( гг.) В рамках механистической картины мира сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя - вещественная субстанция, состоящая из атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса Концепция абсолютного пространства и времени: пространство трехмерно, постоянно и не зависит от материи; время - не зависит ни от пространства, ни от материн; пространство и время никак не связаны с движением тел, они имеют абсолютный характер Все механические процессы подчиняются принципу детерминизма. Случайность исключается из картины мира характерные особенности Движение - простое механическое перемещение. Законы движения - фундаментальные законы мироздания. Тела двигаются равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения есть действие на них внешней силы (инерции). Мерой инерции является масса. Универсальным свойством тел является сила тяготения, которая является дальнодействующей Принцип дальнодействия - взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, т.е. действия могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью Тенденция сведения закономерностей высших форы движения материи к закономерностям простейшей его формы -механическому движению На основе механистической картины мира в ХVIII - начале ХIХ вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Макромир и микромир подчинялись одним и тем же механическим законам. Это привело к абсолютизации механистической картины мира. Она стала рассматриваться в качестве универсальной.

12 Электромагнитная картина мира Формируется на основе начал электромагнетизма М. Фараде* ( гг.), теории электромагнитного поля Д. Максвелла ( гг.), электронной теории Г.А. Лоренца ( гг.), постулатов теории относительности А. Эйнштейна ( гг.) характерные особенности В рамках электромагнитной картины мира сложилась полевая, континуальная (непрерывная) модель реальности. Материя -единое непрерывное поле с точечными силовыми центрами -электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Мир - электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля В электромагнитную картину мира было введено понятие вероятности Игнорирование дискретной, атомистической природы вещества приводит максвелловскую электродинамику к целому ряду противоречий, которые снимаются с созданием Г. Лоренцом электронной теории или микроскопической электродинамики. Последняя восстанавливает в своих правах дискретные электрические заряды, но она сохраняет и поле как объективную реальность Движение - распространение колебаний в поле, которые описываются законами электродинамики Принцип близкодействия - взаимодействия любого характера передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью Реляционная (относительная) концепция пространства и времени: пространство и время связаны с процессами, происходящими в поле, т.е. они несамостоятельны и зависимы от материи А. Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени. Так появилась общая теория относительности, ставшая последней крупной теорией, созданной (1916 г.) в рамках электромагнитной картины мира

13 Атом Все разнообразие веществ возникает из сложного, но повторяющегося сочетания мельчайших составных частиц – атомов. Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пытаются свести к свойствам более простых их элементов или составных частей, называют редукционистскими.

14 Модели строения атома 1. простейшая модель атома – модель желе - смешаны положительные и отрицательные заряды, и разделить их нельзя (модель Томсона, 1904). 2. "планетарная" модель - в центре находится положительное ядро, содержащие почти всю массу атома, а вокруг ядра – электроны, число которых равно положительному заряду ядра выраженному в электронных зарядах (модель Резерфорда, 1911 год). Впоследствии эта модель модифицирована Н. Бором - электроны не могут вращаться по любым орбитам, а только по стационарным.

15 Свойства атомных систем, которые не способна описать модель Резерфорда Устойчивость. Атомы сохраняют свои специфические свойства, несмотря на сильные столкновения и возмущения, которым они подвергаются. Тождественность. Все атомы одного рода (с одинаковым числом электронов) обладают тождественными свойствами. Воспроизводимость. Способность возвращаться в исходное состояние.

16 Переход к неклассическим представлениям Кризис в физике в конце XIX – начале ХХ века - переход от старых понятий и принципов классической физики, оказавшихся неадекватными для изучения свойств материи на атомном уровне, к новым понятиям и теориям. К вантовая механика ввела принципы дуализма волны и частицы, неопределенности (неточности) и дополнительности, стала широко применять статистические законы и вероятностные методы исследования.

17 Квантово-полевая картина мира Формируется на основе квантовой гипотезы М. Планка ( гг.), волновой механики Э. Шредингера ( гг.), квантовой механики В. Гейзенберга ( гг.), квантовой теории атома Н. Бора ( гг.) и т.д. Характерные особенности В рамках квантово-полевой картины мира сложились квантово- полевые представления о материи. Материя обладает корпускулярными и волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы Картина физической реальности в квантовой механике двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта; с другой стороны - условия наблюдения (метод познания), от которых зависит определенность этих характеристик При описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные и энергетически-импульсные. Первые дают кинематическую картину движения, вторые - динамическую (причинную). Пространство-время и причинность относительны и зависимы Движение - частный случай физического взаимодействия. Фундаментальные физические взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они вступают в вероятностной форме, в виде статистических законов Фундаментальные положения квантовой теории: принцип неопределенности и принцип дополнительности

18 Дальнейшее развитие концепции атомизма Элементарными называют такие частицы, которые не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона. Наиболее известными элементарными частицами являются электрон, фотон, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны и нейтрино. Общее число элементарных частиц превышает 350.

19 Основные характеристики элементарных частиц Общими для всех элементарных частиц характеристиками являются: - Масса. В зависимости от массы элементарные частицы делятся на легкие (лептоны), средние (мезоны), тяжелые (барионы). - Время жизни. В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные: электрон (t >5*10 21 лет), протон (I > 5* лет), фотон и нейтрино; квазистабильные, распадающиеся при слабом и электромагнитном взаимодействиях, время их жизни 1 > сек (нейтрон t = 15,3 мин); резонансы (неустойчивые короткоживущие " 24 сек частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия). - Электрический заряд. Основной единицей электрического заряда в микромире является заряд электрона, 1, кулон. - Спин (англ. spin - вращение) - собственный момент импульса микрочастицы, имеющий квантовую приро, квантовая величина, отражающая вращение электрона вокруг своей оси (обозначается буквой 8 и может им только два значения: +1/2 или-1/2). Характеристики элементарных частиц, принимающие дискретные значения: - квантовые числа (спиновое, орбитальное, магнитное и др.) - внутренние квантовые числа (лептонные и барионные заряды, четность, кварковые ароматы -характеристики, определяющие тип кварка, такие, как странность, изотопический спин, «очарование», «красота», цвет).

20 Свойства элементарных частиц Способность рождаться и уничтожаться, то есть испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Например, превращение пары электрон и позитрон в два фотона: е - + е + 2γ.

21 Структурные уровни организации материи (микромир: энергия, заряд) - Материальная частица в известном смысле есть сконцентрированный и локализованный сгусток энергии. Количество энергии у покоящейся частицы пропорционально ее массе. При движении частица приобретает дополнительную энергию - кинетическую энергию. Формула Эйнштейна Е- тс 2 связывает массу частицы т с ее собственной энергией Е. Последняя пропорциональна массе. Множитель с 2 называется коэффициентом пропорциональности; он превращает единицы измерения массы в единицы измерения энергии. - Единицей измерения энергии в микромире является электронволът (электронвольт - это энергия, которую получает электрон, пройдя разность потенциалов в 1 В). Электронвольт очень маленькая величина (1 эВ = 1,60* Дж). В качестве иллюстрации: электронвольт составляет одну миллионную от одной миллионной доли эрга или 1,6' эрг (1 эрг =10 -7 Дж; 1 Дж=10 эрг). К примеру, одна калория составляет около 40 млрд. эрг (4* ), а 1 кВт"час - почти в тысячу раз больше, т.е. 3,6* эрг. Заряд: - Основной единицей электрического заряда в мире элементарных частиц является заряд электрона, 1,6 * кулон. Это меньше одной миллиардной от одной миллиардной доли кулона. Один кулон примерно соответствует количеству заряда, которое ежесекундно протекает в лампе мощностью 100 Вт. Электрические заряды частиц в микромире являются целыми кратными величины е =1,6 10~ 19 Кл (элементарного электрического заряда - заряда электрона). У известных элементарных частиц Q= 0, ±1, ±2.

22 Структурные уровни организации материи (микромир: спин) Спин: * В атоме электроны вращаются вокруг ядра со скоростью порядка 1-10% и более от скорости света. Электроны вращаются и вокруг своей собственной оси подобно волчку. Это вращение (или спин) является атрибутивным свойством многих элементарных частиц. Спин элементарной частицы является неизменным свойством частицы и всегда имеет одно и то же определенное значение * Спин измеряется в терминах момента движения, который служит одновременно мерой массы, размера и скорости вращения. В отличие от классического момента количества движения, который может в непрерывной последовательности принимать любые значения, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка (h). Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом (8). Значение 8-основных элементарных частиц могут быть целыми (0, 1, 2...) или полуцелыми (1/2, 3/2...). В этих единицах все лептоны и барионы имеют спин, равный 1/2, спин фотона равен 1, а спин гравитона равен 2. * Спин элементарных частиц обозначается буквой 8 и измеряется в единицах равных постоянной Планка: h=h(2тс)-1,0546; Дж-с

23 Структурные уровни организации материи (общая классификация элементарных частиц) Элементарные частицы Микрочастицы - это неразложимые частицы, внутренняя структура которых не является объединением других свободных частиц; они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона классификация Фотоны - квант электромагнитного поля, нейтральная элементарна! частица с нулевой массой и спином 1. Переносчик электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами Лептоны (греч. leptos - легкий) -элементарные частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии Кварки - самые малые, микроскопические частицы со спином 1/2 и электрическим зарядом, кратным 1/3, элементарные составляющие всех андронов. Это конечные бесструктурные образования, размер которых составляет > см. Кварки, группируясь по две, либо по три частицы, образуют андроны (греч. andros - сильный) - класс сильно взаимодействующих частиц Бозоны (греч. bose. - частцы) - квази- часпщы с нулевым или целочисленным спином. К ним относятся фотон, векторные бозоны, глюоны, гравитон, бозоны Хиггса, а также составные частицы из четного числа фермнонов (все мезоны, построенные из кварка и антикварка и т.п.) Андроны Бяриовы (греч. barys - тяжелый) - «тяжелые» элементарные частицы со спином 1/2 и массой, не меньшей массы протона; образуются комбинациями трех кварков Мезоны - нестабильные элементарные частицы с нулевым или целым спином и не имеющие барионного заряда. Мезоны являются переносчиками ядерных сил Примечание: У каждой частицы имеется античастица. У частицы и античастицы одинаковы массы покоя, спин и время жизни.

24 Структурные уровни организации материи (истинно элементарные частицы) Фундаментальные частицы лептоны кварки кванты полей Класс лептонов включает: электроны; мюоны; тяжелый тау-лептон; электонное нейтрино; таонное нейтрино; соответствующие античастицы (6 видов). Спин- 1/2 Гипотеза кварков М. Гелл-Манн (1964 г.): Все андроны являются комбинациями кварков. Существует 6 типов кварков по аромату (квантовое число) в каждом из которых различается три цвета (еще одно квантовое число) - красный, зеленый, синий. Смесь этих цветов дает нулевой белый цвет. Объединение кварков предполагает два условия: суммарный электрический заряд кварков в андроне должен быть целочисленным; кварки, соединяющиеся в андрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности. Спин - 1/2 Кванты полей создаются частицами вещества со спином 1 (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитоны, гравитино). Фотоны - переносчики электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами; Векторые бозоны - переносчики слабых взаимодействий между кварками и Лептонамн. Глюоны - нейтральные частицы со спином 1 и нулевой массой, обладающие цветовым зарядом; являются переносчиками сильного взаимодействия между кварками и «склеивают» их в андроны. Гравитоны (спин 2) теоретически предсказанные частицы, очень слабо взаимодействуют с веществом. Н- мезоны, гравитино (частицы Хиггса) не обнаружены экспериментально, но теоретически предсказаны

25 Структурные уровни организации материи (взаимодействие в микромире) Сильное взаимодействие - обеспечивает сильную связь протонов и нейтронов в ядрах атомов, кварков в нуклонах Электромагнитное взаимодействие - обеспечивает связь электронов с ядрами, атомов в молекулах Слабое взаимодействие - обеспечивает переход между разными типами кварков, в частности, определяет распад нейтронов, известный также как бетта-распад; вызывает взаимные переходы между различными типами лептонов. За счет слабого взаимодействия светят звезды (протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино) Гравитационное взаимодействие - в микромире при расстояниях порядка см может не учитываться, однако при расстояниях порядка см начинают проявляться особые свойства физического вакуума - виртуальные сверхтяжелые частицы окружают себя гравитационным полем, искажающим геометрию пространства взаимодействие в микромире

26 Тип взаимодействия Источник взаимодействия Относительная интенсивность взаимодействия Радиус действия силы Гравитационноемасса ~ сколь угодно далеко Слабоевсе элементарные частицы ~ < м Электромагнит- ное электрические заряды ~ сколь угодно далеко Ядерное (сильное)адроны (протоны, нейтроны, мезоны) 1~ м Взаимодействия между элементарными частицами по интенсивности

27 Кварки – мельчайшие частицы вещества Все адроны (частицы, участвующие в сильном взаимодействии) являются комбинациями кварков. Кварки – гипотетические материальные объекты, из которых состоят все адроны. Мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы (тяжелые частицы, такие как протон, нейтрон и им подобные) – из трех кварков.

28 Молекулярная структура вещества Развитие представлений о структуре молекулы: Й. Берцелиус - структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп Ш. Жерар - атомы не просто взаимодействуют, преобразуют друг друга, в результате возникает определенная целостность или система. Ф. Кекуле связал структуру с понятием валентности элемента из числа единиц его сродства. А.М. Бутлеров обращал особое внимание на степень напряжения или энергии.

29 Условия протекания химических процессов термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. кинетические факторы, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.

30 Концептуальные уровни химии Первый концептуальный уровень химических исследований - исследование различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Второй концептуальный уровень - исследование структуры, то есть способа взаимодействия элементов веществ. Третий концептуальный уровень - исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов. Четвертый концептуальный уровень - изучение природы реагентов, участвующих в химических реакциях, применения катализаторов, значительно ускоряющих скорость протекания.

31 Физика Физическая величина - особенность, свойство, общее в качественном отношении многим физическим явлениям, объектам, физическим системам, их состояниям и т.п., но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

32 Физика измерение - последовательность экспериментальных и вычислительных операций, осуществляемая с целью нахождения значения физической величины, как характеристика некоторого объекта или явления. Измерение включает несколько элементов: собственно физический объект (явление); единица этой величины; технические средства измерений, проградуированные в этих единицах; метод измерения; наблюдатель (регистрирующее устройство), воспринимающий результат измерений.

33 Единицы измерения: длина Метр - единица длины 1.определен через расстояние от Северного полюса до экватора по меридиану, проходившему через Париж (около км). 2.В 1889 году за международный эталон метра приняли расстояние между двумя штрихами на стрежне из платино- иридиевого сплава. Сравнение длины с эталонным метром проводили при помощи микроскопа с точностью до 2· В 1961 году в качестве эталона метра принята длина волны оранжевого света, испускаемого изотопом криптона ( 86 Kr). Один метр составляет ,73 длины волны этого излучения. 4.В 1983 году принято новое определение метра: "метр – это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/ долю секунды".

34 Реперная точка Температурная шкала Цельсия, ºС Температурна я шкала Фаренгейта, ºF Абсолютная шкала температур, К Тройная точка воды (равновесие льда, воды и водяного пара при нормальном давлении 760 мм рт.ст) ,15 Температура кипения воды ,15 Абсолютный нуль температуры -273, Реперная точка

35 Предел точности измерений В 1927 году В. Гейзенберг (1901 – 1976) сформулировал принцип неопределенности, утверждающий, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра масс и скорости (или импульс – произведение скорости на массу) принимают одновременно вполне определенные точные значения.

36 Отличия классической и неклассической науки Классическая наука признание абсолютно достоверных истин и абсолютно достоверного знания любая теория исчерпывающим образом описывает свойства реальности на базе строго однозначных законов (принципы лапласовского детерминизма) использование математических методов моделирования реальности и эксперимента как основных способов научного познания описываются свойства объектов вне их отношения к тем приборам, с помощью которых обнаруживаются эти свойства Неклассическая наука признание того, что истинность теорий относительна признается равноправие нескольких различающихся теоретических подходов к описанию одного и того же круга физических явлений; в квантовой механике учет условий наблюдения неотъемлем от самой теоретической постановки проблемы; принципиально вероятностный характер квантовой механики; отказ от наглядности; усложнение языка теории и все более высокая математизация физической теории.