Современные представления об устройстве Вселенной

Лекция 7: «Концепция вещества: концепция строения атома»

 

Вещество – философская категория, означающая структурность всех без исключения тел во Вселенной.

Основными структурными элементами вещества в нашей Вселенной являются атомы и молекулы.

Авторы одной из первых концепций атомизма древнегреческие ученые Левкипп (500 – 440 год до н.э.) и его ученик Демокрит Абдерский (460 – 370 год до н.э). утверждали, что мироздание состоит из двух сущностей: атомов и пустоты. Пустота бесконечное вместилище атомов. Атомы – мельчайшие, неделимые, однородные частицы, обладающие определенной формой.Они, бесчисленны и из них состоят все тела во Вселенной. Атомы вечны (неуничтожимы) и значит, вечна, состоящая из них

Вселенная.

Согласно Левкиппу и Демокриту, главным свойством атомов является вечное хаотичное движение в вечном и безграничном пространстве (пустоте).

По форме атомы достаточно разнообразны и очень малы. Они не могут восприниматься через органы чувств человека. В результате столкновений атомов возникают различные тела. При их разрушении, атомы высвобождаются и создают новые тела. Значит по Левкиппу и Демокриту, атомы никуда не деваются и не разрушаются, а лишь переходят из одних тел в другие.

Не напоминает ли это утверждение закон сохранения материи? Достаточно современно, не правда ли? Для Левкиппа и Демокрита нет сомнений в материальности, состоящей из атомов и пустоты Вселенной и ее бесконечности! Тела возникают и разрушаются только благодаря столкновениям тех или иных атомов.

Эпикур Самосский(341 - 270 год до н. э.) основал известное учение эпикуреизм, одной из основ которого был материалистический атомизм.

Эпикур принимает исходное космологическое положение: ничто не откуда не берется и никуда не девается. Иначе говоря, атомы, а значит и Вселенная, по Эпикуру, вечны и неизменны. Вселенная безгранична: бесчисленно количество атомов и бесконечна пустота, в которой они находятся и перемещаются.

Эпикур говорил, что все окружающие нас миры и небесные тела сформировались из материальных масс и со временем разложатся снова на атомы.

Дополняя Демокрита, Эпикур утверждает, что атомы различаются между собой не только по форме, но и по весу! Вспомним об этом, изучая Периодический закон Д.И.Менделеева, также первоначально расположившего в своей таблице атомы в зависимости от их весов!

Интересны представления Эпикура о характере движения атомов в пустоте. Он считал, что они способны двигаться, не только прямолинейно, но и криволинейно, колебаться в одной точке пространства. Кроме того, Эпикур, в отличие от сторонника детерминизма Демокрита, допускал случайность в направлении и характере движения частиц, что провоцирует столкновения между ними и образование тел.

Материалистические представления Демокрита и Эпикура разделял и великий древнегреческий ученыйПлатон(427 – 347 год до н. э.)(родился в Афинах) считавший, что атомы имеют форму идеальных Платоновских тел (правильных многогранников).

 

 

Современные представления о строении атома достаточно сложны.Современная концепция строения атома состоит из концепции ядра и концепции электронных орбит.

Концепция строения атомного ядра.

Ядро атома состоит из располагающихся в центре, наиболее тяжелых незаряженных частиц – нейтронов ( ). Они создают центр гравитационного притяжения ядра и всего атома, что соответствует закону всемирного тяготения: .

Вокруг нейтронов располагаются гораздо более легкие, положительно заряженные частицы – протоны ( ), придающие всему ядру положительный заряд, численно равный количеству протонов в ядре.

Протоны перемещаются на различных расстояниях от центра ядра в зависимости от их запаса энергии: чем больше кинетическая энергия протона, тем дальше он от центра ядра.

В целом, ядро атома похоже по своей организации на строение мега объектов Вселенной, например на галактики. В центре группа крупных незаряженных частиц, взаимосвязанных друг с другом. Вокруг них на разных расстояниях вращаются относительно небольшие заряженные частицы, придающие заряд всему ядру.

Концепция электронных орбит.

Электрон – небольшая, отрицательно заряженная частица, обращающаяся вокруг ядра атома по определенной орбите ( ). Общее количество электронов в атоме равно количеству протонов в ядре, так что общий заряд атома равен нулю.

В свободном состоянии в нормальных условиях электроны не существуют. Они связаны в атомах, что для них энергетически выгоднее – в атоме они практически не тратят энергию на свое перемещение.

Как и вообще в природе, в движении электронов не существует хаоса. Орбита электрона – кратчайший путь частицы вокруг ядра, обеспечивающий ей перемещение с минимальными энергетическими затратами, без столкновений с другими частицами: электронами и ядром.

Простейшая орбита электрона это шар или S - орбита. Но, на одной орбите может быть не более двух электронов. А если размер ядра и его заряд позволяет присоединять большее количество электронов?

В соответствии с принципом минимума энергии электроны стремятся находиться на минимальном расстоянии от ядра, что позволяет им тратить меньше энергии на свое движение, т.е. существование. Однако, если шарообразная орбита уже занята парой электронов, а новая шарообразная орбита будет обладать большим радиусом, т.е. электроны расположатся на большем удалении от ядра, что энергетически им не выгодно.

Для того, чтобы не удаляться далеко от ядра электроны располагаются на орбитах, позволяющих одновременно не удаляться дальше от ядра и огибать уже расположенные на прежней орбите электроны. Такая орбита называется p – орбита. Таких орбит может быть три. И на каждой из них может быть по два электрона.

А если электронов может располагаться вокруг ядра больше, да и заряд ядра позволяет. Тогда возникает d- облако. Таких облаков может быть пять, а всего электронов на них до десяти.

Для атомов элементов с очень большими размерами и зарядами ядер возможно образование f - облаков. Их количество семь, а электронов может быть до четырнадцати.

Степень сложности электронных орбит атомов определяется размерами и структурой атомных ядер: количеством в них нейтронов и протонов.

Атом, как структурная единица нашей Вселенной, кроме электронейтральности, отличается определенной устойчивостью к различным внешним процессам, общей шарообразной формой, способностью к взаимодействиям с другими элементами внешней среды: атомами, ионами, молекулами, внешними полями различной природы, при условии общей энергетической выгоды.

Бесконечное многообразие атомов объясняется бесконечным разнообразием условий во Вселенной.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение философской категории «вещество».

2. Назовите структурные элементы вещества в нашей Вселенной.

3. Какова точка зрения на мироздание Левкиппа и Демокрита Абдерского?

4. Дайте определение «атому», по Левкиппу и Демокриту.

5. В чем особенность учения Эпикура об окружающей нас Вселенной?

6. Что такое нейтроны? Какова их роль в атоме?

return false">ссылка скрыта

7. Какие частицы формируют центр тяжести атома и ядра?

8. Какими свойствами обладают протоны?

9. Какова общая структура атомного ядра?

10. За счет каких частиц ядро располагает электрическим зарядом?

11. Что такое электронная оболочка атома?

12. Дайте характеристику электрону.

13. Что такое орбита электрона?

14. Можно ли назвать движение электронов по орбитам хаотичным?

15. Что означает s,p,d,f орбиты?

Лекция 8: «Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева»

Многообразие атомов, формирующих Вселенную безгранично.

Ученые постоянно открывают все новые химические элементы (виды атомов). В ХХ и ХХ1 веке это «тяжелые» атомы, обладающие большим количеством нейтронов и протонов в ядре и, соответственно, большим количеством электронов, обращающихся вокруг него.

С начала Х1Х века проводились попытки систематизации химических элементов по различным признакам. Цель этой систематизации, как и любой другой, в попытке предсказания новых свойств, новых элементов, новых структурных признаков.

И.В. Деберейнер,предлагал на основе сходства между некоторыми элементами, располагать их триадами. Дж. А. Ньюлендс, Л. Ю. Мейер, которые также многое сделали для подготовки открытия периодического закона, но не смогли постичь его смысла до конца.

Наиболее эффективную систему химических элементов в 1869 году предложил профессор Петербургского университета Д.И. Менделеев (1834 – 1907), назвавший ее «периодической».

В ее основе, сформулированный Менделеевым, Периодический закон химических элементов. В качестве характеристических черт для атомов химических элементов, были избраны их атомная масса и химические свойства. Дмитрий Иванович заметил, что свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от их атомных масс. Это утверждение стало одной из первых формулировок Периодического закона.

Действительно, расположив химические элементы в ряд по возрастанию атомных масс, Менделеев заметил периодическую повторяемость их химических свойств. Тогда он, сохраняя последовательность возрастания масс, одновременно расположил элементы со сходными химическими свойствами друг под другом так, что получились столбцы, в которых сверху вниз возрастали массы химических элементов со сходными химическими свойствами.

Менделеев внес в периодическую систему коррективы, поставив во главу периодической системы все-таки сходство в химических свойствах. Это немного нарушило порядок расположения химических элементов по атомным массам, но позволило заметить последовательность в изменении химических свойств элементов сгруппировавшихся в рядах от металлов, до неметаллов.

Ряды горизонтально расположенных элементов были объединены в периоды, а вертикально расположенные элементы в группы.

Рассмотрите таблицу Д.И. Менделеева подробно:

Свойства химических элементов по периоду изменялись от явных металлов, например литий, бериллий, до явных неметаллов – фтор, неон. И это касается всех периодов.

Третий период открывают металлы натрий и магний, а заканчивают типичные неметаллы хлор и аргон.

Существуют более длинные, двухрядные периоды – в четвертом периоде два ряда (обозначены 4 и 5 в таблице – второй столбец слева).

Вертикальное расположение в группы видно по римским цифрам в верхнем горизонтальном ряду. Римская единица обозначает первую группу, двойка вторую и т.д.

Первая, вторая группа это металлы. Восьмая группа – типичные неметаллы. Более того, инертные газы.

Главное, что давал Периодический закон, и периодическая система элементов Д.И. Менделеева была возможность предсказания новых, еще не открытых химических элементов по возможностям их логичного расположения в еще пустующих клетках таблицы.

Так были открыты экабор, экаалюминий, экамарганец и экасилиций, достаточно корректно совпавшими по свойствам с открытыми позже элементами: скандием, галлием, технецием и германием.

Все они сначала были теоретически предсказаны и только потом получены экспериментально в результате целенаправленного поиска.

Сегодня достоверно известно 109 химических элементов, из которых только 89 встречаются в природе. Достаточно часто появляются сообщения об открытии 110, 112 и т.д. элементов. Даже дают им названия. Но достоверного подтверждения в крупнейших лабораториях мира пока нет.

Изучение принципов построения и частных закономерностей Периодического закона позволит открывать новые химические элементы.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какую цель преследовала систематизация химических элементов?

2. В чем смысл работ Деберейнера?

3. Почему закон Д.И. Менделеева назван периодическим?

4. Какой критерий был использован Менделеевым для классификации химических элементов?

5. Сколько критериев использовал Менделеев одновременно?

6. Приведите формулировку периодического закона Д.И. Менделеева.

7. Охарактеризуйте химические элементы, формирующие период в таблице Менделеева.

8. Охарактеризуйте группу таблицы Д.И. Менделеева и входящие нее элементы.

9. Дайте характеристику атомам металлов.

10. Дайте характеристику атомам неметаллов.

11. Поясните периодичность свойств химических элементов.

12. Охарактеризуйте первую и вторую группу таблицы Менделеева.

13. Охарактеризуйте восьмую группу таблицы Менделеева.

14. В чем смысл периодичности таблицы Менделеева?

15. Каково значение периодического закона Д.И. Менделеева?

Лекция 9: «Химическая связь. Молекула»

 

Химическая связь есть результат взаимодействия атомов друг с другом посредством образования общей электронной пары, вращающейся практически одновременно вокруг каждого из атомов – участников химической связи.

Очевидно, что наличие обобщенной электронной орбиты между двумя атомами создает мощные силы взаимного притяжения между ними.

Если связь образована между двумя одинаковыми атомами, например водорода, то обобщенная пара электронов будет в равной степени находиться у каждого из них. Ведь энергии атомов одного вида очень близки по абсолютным значениям. Такую связь называют ковалентной неполярной. Действительно, из-за приблизительного равенства энергий атомов на связи, электроны не могут сосредоточиться в какой-то одной точке пространства и создать заряженную зону, образовав отрицательный и положительный полюса.

Если связь образована атомами различными по природе и строению, например водород и хлор, то общая пара электронов расположится подальше от водорода и поближе к хлору. Это связано с особенностью строения атома хлора, который в соответствии с Периодическим законом Д.И. Менделеева стремиться присоединить к себе лишний сторонний электрон. Водород же способен в равной степени как присоединять, так и отдавать электрон в зависимости от того, с каким атомом он вступает во взаимодействие. Но при этом он не может полностью отдать свой единственный электрон, ведь при этом он из атома превратится в обычный протон, тратящий для своего существования значительно больше энергии. Для атома водорода это энергетически не выгодно.

Такая связь со смещением общей пары электронов к одному из атомов, т.е. образованием частичных полюсов (положительного и отрицательного) называется ковалентная полярная связь. Ясно, что у атома сместившего отрицательно заряженные электроны к себе заряд и будет частично отрицательным. А у атома, частично потерявшего электрон частично положительным.

Если между собой взаимодействуют атомы, у которых больше одного электрона, например атом натрия и атом хлора, то возможность получения лишнего электрона для хлора увеличивается. Натрий может почти полностью отдать свой электрон хлору. Ведь он у него не последний, как у водорода.

Связь, в которой один атом почти полностью отдает другому свой электрон или несколько электронов называется ионной связью. При этом на одном из атомов накапливаются и чужие электроны. И он приобретает почти полный отрицательный заряд, а противоположный атом приобретает почти полный положительный. Эти положительно и отрицательно заряженные частицы уже собственно не могут называться атомами. Ведь атом – частица не заряженная?

Такие частицы называются ионами. Ионы бывают положительно и отрицательно заряженные. Потеряв или присоединив электроны, ионы превращаются в атомы.

Наиболее прочной связью является «ковалентная неполярная», так как электроны в равной степени скрепляют оба атома. А наименее прочной является «ионная связь», в которой электроны полностью сосредоточены вокруг одного из атомов.

В результате взаимодействия атомов посредством химической связи образуется структура называемая «молекула». Наряду с атомами, молекулы это тоже структурные элементы нашей Вселенной.

Простейшей известной науке молекулой является молекула водорода. А одной из самых сложных - молекула ДНК слюнной железы мушки дрозофилы.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Что такое химическая связь?

2. Какие частицы образуют химическую связь?

3. Какую роль химическая связь играет в природе7

4. Почему происходит смещение общей пары электронов?

5. Охарактеризуйте ковалентную неполярную связь.

6. Атомы каких элементов способны создавать ковалентные полярные связи?

7. Атомы каких элементов способны создавать ионные связи?

8. В чем структурное отличие атома от иона?

9. Возможно ли возникновение молекулы без химической вязи?

10. Почему ионная связь считается наименее прочной?

11. В чем отличия ковалентной неполярной связи от ионной?

12. В чем отличие ковалентной полярной связи от ионной?

13. В больших молекулах, например ДНК количество связей больше или одна связь более прочная?

14. Что заставляет определенные атомы в определенных условиях создавать молекулы?

15. Чем, на Ваш взгляд, выгодна химическая связь для первично отдельных атомов?

Лекция 10. «Концепция агрегатного состояния вещества»

 

Агрегатное состояние вещества характеризует степень взаимодействия структурных элементов (атомов, ионов и молекул) друг с другом в физическом теле. Чем она выше, тем жестче, тверже структура сформированного ими физического тела.

Агрегатное состояние, при котором перемещения структурных элементов по объему тела сводятся, лишь к колебаниям частиц у положения равновесия, никаких дальних перемещений частиц по объему не возникает, связи между частицами очень прочные называется твердое тело.

Существуют твердые тела при относительно низких температурах. Правда надо учесть, что понятия «низкие», как и «высокие» относительны и зависят от структуры данного вещества и состояния внешней среды.

Благодаря жесткости связей, твердое тело отлично сохраняет свою форму, способно воздействовать на форму других тел, например, удар кирпичом по воде.

Примерами твердых тел могут быть слитки металлов: железо, алюминий, медь, золото и т.д. В узлах их кристаллических решеток располагаются атомы.

Металлы способны проводить электрический ток за счет свободных обобществленных электронов (электронный газ), направленно перемещающихся по кристаллу во внешнем электромагнитном поле. Эти электроны – элементы связей атомов в металлических решетках.

Твердые тела – неметаллы: пластмассы, дерево, стекло и т.д., обладают прочными, разветвленными связями между структурными элементами: атомами (иод) или молекулами (стекло), выполняют функции диэлектриков, изоляторов, устойчивых к воздействию внешнего электромагнитного поля.

Жидкости существуют при относительно более высоких, чем их твердое состояние температурах. Они характеризуются более слабыми, эластичными связями между структурными элементами: атомами и молекулами. В качестве атомарных жидкостей можно представить себе расплавы металлов, жидкий гелий и т.д. Молекулярные жидкости это вода, молоко, жидкие красители и т.д.

Структурные элементы жидкостей обладают большей свободой перемещения по объему физического тела. В связи с этим им сложнее самостоятельно сохранять стабильную форму. Вот почему вода в жидком состоянии всегда принимает форму сосуда. При этом, одни связи удлиняются, а другие укорачиваются.

Переход от твердого тела к жидкому происходит с относительным повышением температуры.

Жидкости, образованные молекулами, способными сосредоточить на определенных участках связанные электроны (отрицательные заряды) и соответственно на других участках связанные протоны (положительные заряды) называются полярными. Они способны включать в свой состав ионы различных знаков. Например, вода относится к таким полярным растворителям, спирты и т.д.

Жидкости, молекулы которых не способны сосредоточить на отдельных участках плотности зарядов любых знаков называются неполярными. К ним относятся бензол, глицерин, расплавы пластических масс и т.д.

Существует интересный принцип, первоначально обнаруженный экспериментально «Подобное растворяется в подобном». Растворение полярного вещества, например этилового спирта, в неполярном растворителе, например бензоле, скорее всего, без помощи дополнительных веществ окончится неудачей. Полярные частицы спирта стремятся использовать свои поляризованные электроны для взаимодействия. Но неполярные растворители не способны с ними взаимодействовать.

Аналогичная картина возникнет при попытке растворить пластмассовые гранулы в обычной воде. Без добавления специальных дополнительных веществ это невозможно – не возникает связей.

Эти дополнительные вещества обладают одновременно свойствами полярности и не полярности (биполярностью), позволяющими им быть буфером между полярным растворителем и неполярным веществом или наоборот. Это один из механизмов действия различных присадок к маслам, горючему и т.д.

Если же в полярные жидкости добавляется вещество способное создавать в растворенном виде положительные и отрицательные заряды, то раствор приобретает новые интересные свойства.

Представим себе, что в воде растворили поваренную соль (NaCl). Она мгновенно распадается на окруженные молекулами воды ионы и . Эти заряженные частицы, попадая во внешнее переменное электромагнитное поле, способны активно проводить электрический ток. Вот почему морская вода обладает гораздо большей электропроводностью, чем речная и, уж конечно, чем дистиллированная.

А что, если внешнее электромагнитное поле будет не переменным, а постоянным. Тогда процесс в растворе не ограничится приданием направления электромагнитному импульсу. Начнется электрохимический процесс например, взаимодействия иона с молекулой воды. В результате, на одном из электродов (катоде или аноде) начнется выделение одного из продуктов электрохимической реакции, а на другом, возможно, другого. Возможно и выделение осадка вокруг электрода, газа и т.д.

Если в растворе присутствуют ионы никеля, цинка, титана и других металлов, на одном из электродов начнется их осаждение. Эти процессы лежат в основе гальванопластики и гальваностегии. Электрохимическая реакция в растворе или расплаве называется электролиз.

Газы– физические тела, существующие объективно при относительно больших температурах, чем жидкости, способны занять любой доступный объем, их форма определяется наличием внешних препятствий.

Частицы: атомы и молекулы относительно свободно перемещаются по всему объему, обладая достаточно большой энергией и относительно небольшой массой. Ясно, что существование газов поддерживает соответствующая температура среды. Действительно, переход от твердого к жидкому и от жидкого к газообразному состоянию осуществляется с повышением температуры внешней среды (при постоянном давлении). Понижение температуры ведет к обратному переходу от газа к жидкости и, затем к твердому телу.

Есть вещества, для которых вообще на Земле не существует твердого состояния. Например, гелий. Науке известно лишь его газообразное (наиболее распространенное) и жидкое состояние.

Много сил отдал исследованию газов Роберт Бойль (1627 – 1691), как наиболее динамичных агрегатных состояний вещества.

Естественно, с позиций классической механикиРоберт Бойль (1627 – 1691), разделял материалистические представления Левкиппа и Демокрита, подхваченные Коперником, Джордано Бруно, Галилеем и конечно самим Ньютоном.

Бойль,совместно сЭдмом Мариоттомоткрыли закон, известный в последствии как законБойля-Мариотта. Он гласит: при постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объёма постоянно: . Иначе говоря, при увеличении давления соответственно уменьшается объем и наоборот.

Дальнейшее развитие описание состояния газов получило в работах Д.И. Менделеева и Бенуа Поля Эмиля Клапейрона (1799 – 1864). Ими был создан закон Менделеева – Клапейрона: , где R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура, m - масса, - масса одного моля вещества.

Дальнейшее увеличение температуры внешней среды (от 10000 градусов и выше) ведет к изменению строения частиц. При этой температуре молекулы превращаются в атомы, а атомы, в свою очередь, теряют часть электронов, превращаясь в заряженые частицы - ионы.

Возникает ионизованное состояние вещества, которое называется плазма.

Например, плазма появляется в русле грозового разряда, плазмой является шаровая молния, состояние плазмы может быть достигнуто в гигантских ускорителях.

Но конечно, ярчайший пример состояния плазмы Солнце, сходные с ним звезды Вселенной.

Представьте себе ионизованное газообразное состояние, раскаленный газовый шар, излучающий в различных спектральных диапазонах.

Для этого состояния в частных случаях характерны специфические химические реакции. Например, в плазме Солнца, состоящей, в основном, из ионов водорода и гелия, повсеместно, практически по всему объему, проходит процесс объединения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. При этом выделяется громадная по своей величине энергия. Такой процесс называется термоядерным.

Термоядерные взрывы, большой, даже для Солнца мощности, ведут к отрыву части плазмы поверхностных солнечных слоев. Эти куски с огромной скоростью летят в различных направлениях и, если проходят вблизи Земли, то взаимодействие заряженных частиц плазмы с ионосферой Земли ведет к появлению Северного сияния. Ось склонения Земли к Солнцу расположена так, что это явление, действительно, наблюдается только в северных широтах. В прочем, есть упоминание об этом явлении и в Московской области.

Но, как правило, остальная часть землян ощущает взаимодействие плазмы с ионосферой Земли как магнитные бури.

Пятое агрегатное состояние вещества тоже связано с Солнцем.

Ядро Солнца, кроме громадной: до десяти миллионов градусов) температуры, испытывает гигантское (миллионы атмосфер) внешнее давление. В этих внешних условиях газообразное состояние его ядра преобразуется в полужидкое, получившее название «конденсированная плазма».

Плотное, полужидкое, раскаленное мощнейшими термоядерными процессами ядро Солнца питает энергией всю его поверхность и, как следствие, всю Солнечную систему.

Очевидно, что количество агрегатных состояний вещества бесчисленное множество. Сегодня человечеству известно пять из них. Но познание продолжается.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Что означает термин «агрегатное состояние вещества»?

2. Охарактеризуйте твердое состояние вещества.

3. Оцените эластичность связей твердого вещества – золота.

4. Способны ли частицы твердого вещества, расположенные в узлах кристаллической решетки, свободно перемещаться по объему кристалла?

5. Что такое электронный «газ»?

6. Чем объясняется электропроводность кристаллов металлов?

7. Способны ли проводить электрический ток кристаллы неметаллов и почему?

8. Охарактеризуйте агрегатное состояние вещества «жидкости»

9. В чем отличие полярных и неполярных жидкостей?

10. Охарактеризуйте агрегатное состояние вещества «газы».

11. Приведите формулировку универсального газового закона.

12. Назовите агрегатное состояние вещества, более высокотемпературное, чем газы.

13. Плазма сформирована из атомов, молекул или иных частиц?

14. Приведите примеры состояния плазмы на Земле.

15. Что такое и где встречается конденсированная плазма.

 

Лекция 10: «Концепция поля»

 

Поле – философская категория, отражающая структурность всех без исключения энергетических проявлений материи, взаимодействий материальных тел во Вселенной.

Поле – часть пространства, частицы которого взаимодействуют с потоком излучения.

Структурной единицей поля является единичная порция энергии, поглощаемая частицей среды в которой это поле распространятся. Она называется квант.

В зависимости от структуры избранной части пространства энергия распространяется в нем с разными значениями частот колебаний.

Вывод общей формулы расчета энергии кванта для различных частот колебаний принадлежит Максу Планку: , где Е - энергия кванта, постоянная Планка, ν - частота колебаний частицы, обладающей энергией Е.

Сегодня науке известны четыре вида полей: гравитационное поле, электромагнитное поле, «слабое» и «сильное взаимодействие».

Гравитационное поле или поле тяготения известно давно.

Наиболее математически строго, его впервые описал Исаак Ньютон в своем законе всемирного тяготения. Его выражение: в котором F - сила притяжения между телами, обладающими массой и массой , находящимися на расстоянии R друг от друга.

Из закона следует, что любое тело, обладающее массой, обладает силой притяжения.

Теоретически предсказанный, но пока экспериментально не найденный квант гравитационной энергии называется гравитон.

Еще одно поле широко распространенное во Вселенной – электромагнитное. Диапазон его частот достаточно велик. Сегодня известно наиболее высокочастотное (коротковолновое) гамма ( ) излучение, чуть более длинноволновое рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение. Далее располагается видимый спектр излучения: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Красный самый длинноволновый из них.

Квант видимой части электромагнитного излучения называется фотон.

За видимым спектром располагается инфракрасное (тепловое) излучение. Следом идут радиоволны – ультракороткие, короткие, средние и самые длинные, из известных науке, «длинные радиоволны». Длинноволновое излучение используется для радиопередачи на сверхдлинные расстояния, например в качестве основного излучения для исследования радиотелескопами соседних галактик, звездных систем, звезд, планет и иных небесных тел.

«Сильное излучение» вид поля свойственный ядрам атомов тяжелых элементов в процессе их расщепления. Деление ядра атома сопровождается мощным гамма излучением, потоками альфа и бета частиц, яркой вспышкой излучения в видимом спектре, мощным тепловым полем, ударной волной. Все эти проявления наблюдаются при неуправляемой реакции ядерного взрыва.

Деление ядер в ядерном реакторе ведет также к выработке большого количества энергии «сильного взаимодействия». Управление этой реакцией достигается за счет угольных стержней, способных поглощать потоки альфа и бета частиц, инициирующих дальнейшее деление ядер. Таким образом, ядерная реакция замедляется при опускании в реакционную зону угольных стержней и ускоряется при их подъеме.

«Сильное взаимодействие» - энергия будущего. Совершенствование конструкции ядерных реакторов даст возможность увеличить объем выработки относительно дешевой электроэнергии.

Квант «сильного взаимодействия» получен экспериментально, называется «глюон».

«Слабое взаимодействие» энергия деления нейтронов. Ее мощность велика, но слабо изучена.

Квант «слабого взаимодействия» получен экспериментально, называется «мюон».

Устройство для деления нейтронов («нейтронная бомба») известно своей большой разрушительной силой, но главное, специфическими частотами излучения, способными уничтожать только полимерные молекулы: белки, ДНК, РНК, целлюлозу, сохраняя более короткие молекулы.

Иначе говоря, нейтронные устройства способны разрушать живую материю, сохраняя здания, сооружения, словом инфраструктуру. Из всех видов излучений, «слабое излучение» изучено менее всего.

 

Единая теория поля.

 

Единая теория поля была создана и первоначально развивалась Альбертом Эйнштейном в течение тридцати лет.

Ее основной смысл состоит в том, что все виды полей имеют единую природу и взаимосвязаны между собой.

Значит, численно изменяя величину частоты колебаний (ν) в формуле (E=h ), имеется возможность провести превращение одного вида поля в другой.

Работы А. Эйнштейна в этом направлении в течение последних тридцати лет его жизни, современное творческое развитие полученных им результатов позволили экспериментально, на гигантских ускорителях, доказать взаимосвязь электромагнитного поля, «сильного» и «слабого» взаимодействия. Это же одно из направлений исследований на адроном коллайдере.

Самое древнее и распространенное гравитационное поле пока стоит особняком. Его природа известна менее всего. Его взаимосвязь с другими видами полей доказана только теоретически. Экспериментального подтверждения пока нет.

Поле, как энергетический продукт существования частицы не может существовать отдельно от физического тела. Именно колебания физического тела оказывают энергетическое воздействие на окружающие частицы среды, передавая им свою энергию все дальше и дальше от одной частицы к другой. Так благодаря действию физического тела формируется его энергетическое поле.

Значит, поле не может существовать вне массы, а масса вне поля. Иллюстрирует это знаменитое уравнение А. Эйнштейна для специальной теории относительности: . В нем E - энергия, «поле»; m - масса, c - скорость света (величина постоянная, 300000 км/с).

Поле второй, после вещества вид материи. Из базового уравнения специальной теории относительности А. Эйнштейна следует, что вещество (m) не может существовать без поля (E), а поле без вещества.

Значит поле и вещество это две стороны одной медали, именуемой Вселенная.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение полю.

2. Какая частица является структурной единицей поля?

3. Приведите формулу М. Планка для расчета энергии кванта.

4. Какие виды полей известны сегодня?

5. Охарактеризуйте гравитационное поле.

6. Приведите выражение закона всемирного тяготения.

7. Как называется теоретически предсказанный квант гравитационной энергии?

8. Где мы можем почувствовать действие гравитационного поля?

9. Опишите электромагнитное поле, приведите пример наглядного действия электромагнитного поля.

10. Что такое «видимая часть спектра»?

11. Что такое фотон?

12. Дайте характеристику «сильному взаимодействию», назовите его квант.

13. Дайте характеристику «слабому взаимодействию» и назовите его квант.

14. Что такое единая теория поля? Кто ее автор?

15. В чем основная идея единой теории поля. Какие успехи достигнуты сегодня?

Лекция 11: «Концепция вакуума»

 

Вакуум – вид материи, структурная основа нашей Вселенной, состоящая из плотно расположенных друг к другу частиц: фермионов вакуума, обладающих минимальной массой и минимальной энергией.

Иначе говоря, вакуум материален.

Все известные науке структурные элементы материи: атомы, ионы и молекулы расположены в вакууме. Если из стакана с водой в безвоздушном пространстве извлечь все молекулы воды, то в нем останется вакуум.

Именно вакуум, та основа атмосферы Земли, в которой перемещаются газы: кислород, азот, углекислый газ и т.д.

Важнейшими свойствами вакуума являются переизлучение энергии, формирование и утилизация элементарных частиц.

Переизлучение энергии – одно из важнейших свойств вакуума Вселенной, обеспечивающее передачу энергии между телами с постоянной скоростью (скорость света в вакууме 300000 км/с).

Одновременно с передачей энергии осуществляется энергообмен и между структурными элементами пространства Вселенной (фермионами вакуума), обеспечивая тем самым стабильность ее структуры.

Рассмотрим этот процесс на простом примере. Солнце испускает потоки энергии в направлении Земли.

Рассмотрим судьбу одного кванта, летящего к нам от нашего светила. Непосредственно от Солнца он поглощается ближайшим к нему фермионом вакуума. Эта энергия используется частицей для обратимых позитивных преобразований своей структуры, после чего, этот квант ею переизлучается к следующей по направлению частице (фермиону вакуума).

Так этот процесс переизлучения энергии от одной частицы к другой продолжается пока квант энергии не достигнет тела, способного его на долго поглотить или переизлучить в новом направлении: обычно такое тело гораздо массивнее фермиона вакуума. Это может быть атом, молекула, микрокристаллик, состоящий из группы частиц, ну и конечно, более крупные тела, такие, как планета Земля, иные небесные объекты: планеты, кометы, астероиды, облака космической пыли.

Основная часть энергии Солнца теряется, но достаточно большой поток света достигает Земли.

Постоянство скорости света (300000 км/с) объясняется структурой самих фермионов вакуума нашей части Вселенной, позволяющей им переизлучать кванты света друг другу только с данной скоростью.

Формирование элементарных частиц.

Более сложным, является свойство вакуума создавать элементарные частицы. Представьте себе, участок вакуума во Вселенной. Пока он ничем не отличается от любого другого участка космического пространства. Но вот, рядом с ним проходит поток заряженных частиц, например, протонов ( ). Вспомним А.Эйнштейна ( ): если есть масса, значит, есть энергия. Эта энергия передается фермионам вакуума по направлению прохождения потока. Еще один поток частиц, пусть тоже протонов движется недалеко от первого участка в обратном направлении. Он тоже снабжает энергией группу фермионов вакуума нашего участка. После прохождения этих потоков частиц возникла часть космического пространства, фермионы вакуума которого по краям обогащены энергией, активно двигаются, а средняя часть участка наоборот состоит из частиц обедненных энергией. Ведь они, не получая энергии из вне, противостояли более активным частицам, снижая амплитуду их колебаний и удерживая, тем самым, данный участок вакуума от разрыва, разрушения.

В качестве примера, возьмите кусок тряпки и тяните его в разные стороны, пытаясь разорвать. При этом крайние участки ткани получат дополнительную энергию от ваших рук, в то время, как срединная часть наоборот эту энергию теряет, удерживая кусок ткани от разрушения.

Ясно, что обедненный энергией участок вакуума энергетически мало соответствует окружающему пространству. Немедленно, его фермионы вакуума начинают восполнять недостаток энергии за счет интенсивного поглощения различных потоков космических частиц, небесных тел, звездных систем и даже галактик. Все зависит от размеров объекта. Но ясно, что во Вселенной они гигантских размеров.

Громадные массы, движущиеся по спирали (в соответствии с принципом минимума энергии при движении по спирали массы меньше мешают друг другу, реже сталкиваются, т.е. теряют меньше энергии) в центр этого участка образуют за счет взаимного трения светящийся ореол вокруг центра. Этот ореол называется квазар, а рассматриваемый нами объект космоса – «черная дыра».

В центре каждой из известных науке галактик обязательно обнаруживается массивная черная дыра. Являясь центром тяготения галактики, черные дыры активно накапливают недостающую энергию.

Но вот, наступает момент, когда все фермионы вакуума черной дыры насытились энергией. Поле тяготения дыры уже с трудом сдерживает накопившуюся, резко возросшую активность частиц. Наступает момент гигантского выброса массы и значит громадного выброса энергии.

Активные фермионы вакуума, преодолев, благодаря накопленной ими энергии, поле тяготения своего исходного небесного тела («черной дыры»), получив свободу, на субсветовой скорости (около 290000 км/с) помчались в пространство, излучая на пути большое количество энергии. Ведь их масса очень мала, а энергия велика. Это неравновесное состояние очень скоро станет соответствовать известному равновесному уравнению А. Эйнштейна ( , ведь излишек энергии быстро расходуется.

Активные, свободнолетящие фермионы вакуума, чтобы не путать их с обычными, получили название «виртуальные частицы». А излучаемая ими энергия, впервые предсказанная известным американским ученым Хиггсом, получила название «энергия Хиггса». Соответственно, кванты этой энергии названы «бозоны Хиггса».

Попытки ее экспериментального обнаружения систематически предпринимаются с использованием суперсовременного, гигантского ускорителя элементарных частиц «адронного коллайдера».

Виртуальные частицы по мере своего продвижения в пространстве, теряют избыточную энергию, их самостоятельное существование становится энергетически не выгодным. У них возникает два варианта: полное разрушение или объединение с себе подобными, с целью создания более крупной, а значит более устойчивой частицы. Оба варианта имеют место быть.

Из объединения виртуальных частиц возникают большие по размеру и массе элементарные частицы: электроны ( ) и протоны ( ).

Конечно, они более устойчивы в данной внешней среде. Но и они, продвигаясь все дальше от эпицентра, вынуждены постепенно увеличивать свою массу: часть электронов объединяется с частью протонов, создавая гораздо более тяжелые частицы – нейтроны( ).

В свою очередь, нейтроны объединяются с протонами, создавая уже ядра атомов (см. концепцию строения ядра). Ядра атомов присоединяют свободные электроны, формируя атомы относительно легких элементов: водород, гелий.

Так вакуумом осуществляется функция формирования элементарных частиц, вплоть до атомов и их ядер.

 

Функция утилизации элементарных частиц.

Во Вселенной функции создания всегда идут рука об руку с функциями разрушения. Иначе возникнет переизбыток нефункциональных элементов, создающих хаос, что для Вселенной энергетически не выгодно.

Так, элементарные частицы, израсходовавшие свою энергию, необходимую для существования в данных условиях внешней среды, не сумевшие объединиться, чтобы увеличить свою массу и прийти в соответствие с внешней средой, уничтожаются ее энергетическим воздействием.

Аналогично, например, астероид в космическом пространстве: если он не располагает достаточной энергией, чтобы противостоять полю тяготения ближайшей планеты, т.е.существовать самостоятельно не может, будет уничтожен в результате падения на ее поверхность.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение понятию «вакуум»

2. Вакуум это пустота? Ведь мы говорим, что вакуум это вид материи, значит состоит из чего-то?

3. Назовите и охарактеризуйте частицы вакуума.

4. Перечислите основные орим, что вакуум это вид материи, значит состоит из чего-то?

3. Назовите и охарактеризуйте частицы вакуума.

4. Перечислите основные свойства вакуума.

5. В чем состоит функция переилучения вакуума?

6. Каково значение этой функции для Вселенной?

7. В чем состоит функция»формирование элементарных частиц»?

8. Опишите механизм формирования «черной дыры».

9. В чем причина активного поглощения ей всех видом масс и энергий из окружающего пространства?

10. Что такое «белая дыра»?

11. Опишите процесс Большого взрыва – формирования элементарных частиц.

12. В чем философский смысл функции утилизации элементарных частиц?

13. При каких условиях по отношению к внешней среде происходит утилизациячастиц?

14. Какова роль вакуума в существовании Вселенной?

15. Как Вы думаете, исчерпывается ли функционирование вакуума приведенными тремя функциями?