Беломестных В.Н., Теслева Е.П., Чинахов Д.А. Основы современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

становке 46 – 48 секунд, незадолго до наблюдения покушавшихся на

самоубийство, уменьшается до 20 секунд.

Таблица 3

Основные религии

Религия

Годы воз-

никновения

Пророки

(посвященные)

Имя Бога

Древние

книги

1. Индуизм

3000 лет до

н.э.

Кришна, Рама

Единый бог

– Брахман

Веды, Брах-

ман, Бхага-

ват-Гита

2. Иудаизм

1400 лет до

н.э.

Моисей, Авраам Яхва

Библия (То-

ра, книга

пророков,

книга Писа-

ний, книга

Бытия)

3. Зороаст-

ризм

1000 лет до

н.э.

Зороастр

Агурамазда

великий дух,

единый гос-

подь, свет и

истина

Авеста

4. Буддизм

500 лет до

н.э.

Будда – просве-

щенный, муд-

рый, знающий

Трипитака

(три корзи-

ны мудро-

сти), Винья

Питака (кор-

зина дисци-

плины), Са-

та Питака

(правила

Будды)

5.Христианс

тво

1 век до н.э. Христос

Единый бог

– святой дух

Библия,

Евангелие

6. Ислам

6–7 век до

н.э.

Магомет

Аллах – еди-

ный и веч-

ный

Коран

7. Баби 19 век до н.э. Баб

8. Бахаи 19 век до н.э. Бахаулла

Обратимые процессы во времени (циклы можно точно рассчитать:

периоды вращения Земли вокруг своей оси (сутки) или Солнца (год),

частота колебательного контура, частота колебаний атомов и молекул в

кристалле). В этих процессах нет различия между прошлым и будущим

(какое было и какое будет положение Луны можно предсказать на

большие промежутки времени).

Существуют и необратимые во времени процессы (существование

живого организма, ландшафт Земли, явление радиоактивности).

Радиоактивность приводит к фундаментальному выводу:

Земля не

могла существовать вечно. Если бы возраст Земли был больше 10

лет, то мы не могли бы обнаружить на ней радиоактивных веществ, та-

ких как рубидий, уран, калий. Значит, “возраст” материала, из которого

состоит Земля, не может превышать несколько миллиардов лет. Самая

древняя порода, обнаруженная на Земле (в Антарктиде), имеет возраст

3900 ± 300 млн. лет.

Таким же способом оценивают время существования Солнечной

системы. Для этого измеряют содержание радиоактивных элементов в

метеоритах. Оказалось, что все метеориты имеют примерно одинаковый

возраст – 4 ÷ 5 млрд. лет. Следовательно, используя такое необратимое

физическое явление, как радиоактивный распад, можно оценить проме-

жутки времени космического масштаба. Но как оценить возраст Все-

ленной? Единственная возможность – изучать излучение звезд, звезд-

ных скоплений, галактик

. По спектрам излучения оценивают скорости

их движения и химический состав.

Одна из последних оценок возраста Вселенной – 16 ± 2 млрд. лет.

Метод нуклеокосмохронологии (определение относительного содержа-

ния радиоактивных долгоживущих элементов или соотношения двух

элементов и сравнения с содержанием в других звездах, в частности – в

Солнце) показал, что возраст одной из самых старых

звезд CS22892 –

052 составляет от 13 до 21 млрд. лет. Таким образом, мы видим, что су-

ществуют физические явления и процессы, определяющие направление

течения времени (стрелу времени, понятие введено в 30-х гг. XX в.,

английский астрофизик А.С. Эддингтон).

Необратимые процессы столь же реальны, как и обратимые. Более

того, обратимость процессов в природе является

приближенной – для

законов, обратимых во времени, приходится вводить дополнительные

ограничения и оговорки. Так, маятник будет колебаться сколь угодно

долго, если нет трения в точке подвеса, сопротивления воздуха, других

причин. Приведем некоторые классы явлений, характеризующие на-

правление времени.

Излучение. Волна (упругая, электромагнитная) всегда испускается

источником и является расходящейся, затухающей по прошествии вре-

мени (уходящей в будущее).

Термодинамика. Второе начало термодинамики, знаменитый закон

возрастания энтропии в системе, не обменивающейся с внешним миром

ни энергией, ни веществом, выражает увеличение молекулярного хаоса

до тех пор, пока система не достигнет термодинамического равновесия

Напомним, что энтропия позволяет отличать, в случае изолированных

систем, обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от

необратимых (энтропия возрастает). Л. Больцман и М. Планк сформу-

лировали один из важнейших законов природы, связывающий энтропию

S и вероятность состояния p

системы:

−

lnp

. k=1,38⋅10

–23

Дж/K –

постоянная Больцмана. Чем более вероятно состояние системы (чем

ближе p

к единице), тем больше энтропия. Пример перехода системы к

наиболее вероятному состоянию – растекание капли чернил в стакане с

водой.

Эволюция. Динамическая самоорганизация материи, наблюдаемая

в биологической эволюции и эволюции общества, противоречит второ-

му закону термодинамики – закону возрастания энтропии (ведь эволю-

ция – это возрастание порядка в системе). Однако мы должны учесть

что в этих случаях рассматриваемые системы не являются замкнутыми.

В них имеется производство энтропии, необратимые процессы, напри-

мер химические явления, диффузия, теплопроводность и т. п.

Радиоактивный распад. При этом происходит необратимое пре-

образование одних атомов в иные, обратного процесса не наблюдается.

Сравним представления о времени в механике Ньютона и Эйн

штейна.

В механике Ньютона для описания движения тела необходимо вве-

сти три координаты и некоторый параметр – время. Пространство трех-

мерно, время одномерно, и то и другое – бесконечны. Течение времени

абсолютно. Уравнения механики не изменяются при обращении време-

ни – замена t на –t не меняет уравнений. Время неравноправно с про-

странственными координатами.

По теории относительности Эйнштейна время такая же полноправ-

ная координата, как и пространственные. Здесь уже нужно говорить не

о трехмерном пространстве и времени, а о четырехмерном пространст-

ве-времени.

Определяя время, мы выбираем отрезок между событиями (год, су-

тки…) и считаем, что отрезки времени между одними и теми же собы-

тиями

одинаковы для всех наблюдателей, события, одновременные для

одного наблюдателя, одновременны и для любого другого.

По теории Эйнштейна, из-за конечности скорости света, два собы-

тия, одновременные в одной системе отсчета, не одновременны в раз-

ных. Это следует как следствие из преобразований Лоренца:

1 х

tt,

⎛⎞

′

=−

⎜⎟

⎝⎠

−

()

ххt

′

−υ

−

События, одновременные для одного наблюдателя (t=0), будут не-

одновременными для другого (t≠0). Понятие одновременности относи-

тельно!

Замедление времени может быть измерено. Пример с μ-мезонами,

образующимися в атмосфере на высоте около 10 км. Время полураспада

(жизни) μ-мезонов ≈ 1,5⋅10

–6

с. Даже, если их скорость равна скорости

света в вакууме, то они могут пройти 450 м, но регистрируются на по-

верхности Земли. Дело в том, что время “течет” для μ-мезона иначе, чем

для внешнего наблюдателя. При скорости частицы υ=0,9с “собственное

время” возрастает примерно в 2 раза.

Другой эксперимент провели в 1971

г и при этом скорости движе-

ния были совсем небольшие. Одни цезиевые часы поместили на само-

лет, который летал в течение месяца. Другие оставили в лаборатории.

По теории относительности летавший эталон времени должен был от-

стать на (184 ± 23) нс. Эксперимент дал результат (203 ± 10) нс.

Один из самых известных парадоксов специальной теории

относи-

тельности – парадокс близнецов. Пусть два брата – близнеца разлуча-

ются, и один из них улетает со скоростью, близкой к скорости света,

допустим меньше ее на 1%. Тогда, если на Земле прошло 30 лет, то на

космическом корабле – около 5 лет (в 6 раз меньше). Значит близнец с

корабля будет заметно моложе. Однако мы

можем стать на точку зрения

космонавта: он покоится, а Земля движется. Тогда все будет наоборот. В

этом и состоит парадокс близнецов. Только инерциальные системы от-

счета эквивалентны.

В 1918 г. Э. Нетер, немецкий математик, доказала теорему, по ко-

торой из физических представлений об однородности и изотропности

пространства-времени следует, что в замкнутых

системах должны вы-

полняться законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

Эта теорема связала пространство, время, движение, массу и энергию в

единый узел, в котором определяющую роль играет симметрия про-

странства – времени.

Свойства пространства и времени определяет тяготение, источни-

ком которого являются материальные тела.

Лекция №8. ВЕЩЕСТВО. ФИЗИКА МИКРОМИРА

Самым непонятным в нашем мире является то, что он все-таки понятен

А. Эйнштейн

Перейдем к рассмотрению некоторых основополагающих пред-

ставлений о мире атомов и молекул, микромире, веществе и поле.

Именно законы микромира определяют существование гигантских

звезд, планет, биологических объектов, человека. Итак, вещество – вид

материи, обладающей массой покоя.

Термин “химия” происходит (по Плутарху) от одного из древних

названий Египта, “Хеми” (“черная земля”). Позже химия

определялась

как искусство делания золота и серебра. Существует и другая точка зре-

ния, связанная с греческим hymia – искусство литья. Наука о веществах

и их взаимодействиях, химия, считалась в Египте “божественной нау-

кой”. Именно на арабском Востоке появился термин “алхимия”.

Точной наукой наука о веществах стала после того, как в середине

XVIII в

. был сформулирован Закон сохранения массы: масса всех ве-

ществ, вступающих в реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Открытие этого закона приписывают М. В. Ломоносову. Позже ус-

тановлен Закон постоянства состава: каждое химическое соедине-

ние имеет вполне определенный состав, (то есть состав химического

соединения не зависит от способа его получения). Это

дало возмож-

ность Дж. Дальтону в 1803 г. сформулировать Закон кратных отно-

шений, утверждающий, что элементы входят в соединение некоторыми

порциями, и сделать вывод о дискретном строении вещества. Именно

Дальтон ввел в современную науку представления об атомах, как мель-

чайших частицах, из которых образованы все вещества, и понятие

“атомный вес”.

Когда мы говорим о веществе, то подразумеваем вещества двух ти-

пов: элементы и соединения.

Сегодня известно 92 стабильных элемента (всего химических эле-

ментов к 1998 г. открыто 114) и многие сотни тысяч чистых веществ,

построенных из них. Существуют тысячи минералов, десятки тысяч не-

органических и особенно органических соединений, неисчислимое ко-

личество сплавов. Все разнообразие

веществ возникает из сложного, но

повторяющегося сочетания мельчайших составных частиц – атомов.

Попытки создания систематики химических элементов начались

сразу после освоения наукой понятия об атомах. Однако только Д. И.

Менделееву удалось открыть периодический закон, позволивший не

только систематизировать все известные на тот момент (1869) химиче-

ские элементы, но и предсказать существование новых. В 1870 г. по-

добную систему создал немецкий ученый Ю. Л. Майер.

Созданная систематика позволила предсказать свойства элементов

с вероятными атомными весами 44, 68 и 72. В 1875 г. был открыт гал-

лий (ат. вес 69,7), в 1879 – скандий (ат. вес 45,1), в 1886 – германий (ат.

вес 72,6). В 1893 г. был открыт аргон, которому

не было места в перио-

дической системе элементов. После обнаружения на Солнце (спек-

тральный анализ), а затем и на Земле гелия, открытия криптона, неона,

ксенона стало ясно, что “благородные” (инертные) газы образуют но-

вую группу периодической системы. Это еще раз подтвердило стро-

гость периодического закона Менделеева.

В то же время

все атомы имеют примерно одинаковый размер (∼10

–

м). Но что мы знаем о внутреннем строении атома? Из опыта извест-

ны “положительные” и “отрицательные” электрические заряды. Неза-

ряженное тело просто содержит в себе равные количества разно-

именных зарядов. В этом состоит одно из величайших открытий физи-

ки.

Электрические заряды могут перемещаться в проводниках. За про-

водимость металлов ответственны

электроны. Еще в Древней Греции

было замечено, что если потереть янтарь кусочком ткани, то он приоб-

ретает свойство притягивать шерстинки. Элементарная частица, назы-

ваемая сегодня электроном, открыта Дж. Томсоном в 1897 г. Итак, к

концу XIX в стало известно, что вещество содержит в себе положитель-

ные и отрицательные электрические заряды. Минимальная “порция”

вещества – атом. Следовательно, и атом должен состоять из положи-

тельных и отрицательных зарядов. Тогда простейшая модель атома –

модель желе (пудинга с изюмом), в котором смешаны положительные и

отрицательные заряды, и разделить их нельзя (модель Томсона, 1904).

Решающий эксперимент по проверке этой модели был проделан в

1910 г. Э. Резерфордом, Х. Гейгером, З.

Марсденом: α-частицы (ядра

гелия), возникающие при радиоактивном распаде, направляли на тон-

кую золотую фольгу и наблюдали, как изменится направление их дви-

жения после прохождения через металлы. Если верна модель “желе”, то

α-частицы не должны отклоняться от первоначального направления.

Если же электрический заряд по атому расположен неравномерно, то α-

частицы

должны были бы по-разному отклоняться неоднородностями

электрического заряда. Было обнаружено совершенно неожиданное яв-

ление – некоторые α-частицы отклонялись от первоначального направ-

ления настолько сильно, что почти возвращались к источнику.

В таблице 4 приведены результаты одного из экспериментов. Заме-

тим, что все эти эксперименты проведены с помощью глаза – экспери-

ментатор в темной комнате наблюдал вспышки на экране из вещества,

светящегося при попадании на него α-частиц. (При адаптации к темноте

человеческий глаз способен различать отдельные фотоны).

Резерфорд следующим образом вспоминал свою первую

реакцию

на эти результаты: “…Я помню,… ко мне пришел взволнованный Гей-

гер и сказал: “Мы, кажется, получили несколько случаев рассеивания α-

частиц назад…” Это самое невероятное событие, которое было в моей

жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-

дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись,

попал бы

в вас. При анализе я понял, что такое рассеяние должно быть результа-

том однократного столкновения, и, произведя расчеты, увидел, что это

никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая

часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда у

меня и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром

, в

котором сосредоточен заряд.”

Таблица 4

Результаты одного из экспериментов по наблюдению рассеивания α-

частиц

Угол откло-

нения

15 38 45 60 75 105 120 135 150

Число на-

блюдаемых

α-частиц

132000 7800 1435 477 211 70 52 43 33

% от общего

числа на-

блюдаемых

частиц

92,87 5,5 1,0 0,3 0,1 0,03 0,025 0,02 0,015

Следует заметить, что еще в 1887 г., за 10 лет до открытия электро-

на и почти за 30 лет до работ Резерфорда, выдающийся русский физик

Петр Николаевич Лебедев в своем дневнике писал: ”…Каждый атом

всякого нашего периодического элемента (Н, О, Ва…) представляет со-

бой полную Солнечную систему, то есть состоит из различных атомо-

планет, вращающихся с разными скоростями вокруг центральной пла-

неты или каким-либо другим образом двигающихся характерно перио-

дически. Периоды движения весьма кратковременны…” По сути дела

П.Н. Лебедев предвосхитил “планетарную” модель атома, предложен-

ную Резерфордом в 1911 г.

Итак, по современным представлениям считается, что атом состоит

из массивного положительного заряда – ядра, окруженного отрицатель-

но заряженными “легкими” электронами. Таким образом, размер ядра

составляет около 10

–15

м, размер атома примерно 10

–10

м, разница в раз-

мерах – пять порядков (сто тысяч).

После исследований Резерфорда стала ясной “геометрия” атома и

удалось качественную разницу между атомами свести к количествен-

ной. Так в водороде имеется один электрон и ядро с положительным за-

рядом, численно равным заряду электрона. В периодической системе

Менделеева атомы расположены в определенном

порядке в соответст-

вии с их номерами. Каждому номеру от 1 до 92 (кроме технеция – 43 и

прометия – 61) соответствует элемент, обнаруженный в природе. Выше

92 номера существуют трансурановые элементы с малыми временами

жизни, которые в природе при естественных условиях не встречаются.

Отметим особо свойства атомных систем, которые не способна

описать модель Резерфорда.

1. Устойчивость.

Атомы сохраняют свои специфические

свойства, несмотря на сильное столкновение и возмущения, которым

они подвергаются.

2. Тождественность. Все атомы одного рода (с одинаковым

числом электронов) обладают тождественными свойствами. Они испус-

кают и поглощают излучение с одними и теми же частотами, имеют

равные размеры, свойства.

3. Воспроизводимость. Способность возвращаться в исходное

состояние

. Если форма атома была искажена, и его электронные орбиты

изменили свой вид в результате внешнего воздействия (высокого давле-

ния, соседства других атомов и т. п.), то после устранения причины ис-

кажения атом и электронные орбиты вновь приобретут исходную фор-

му.

Эти противоречия показывают, что планетарная модель, так же как

ее предшественники, – только некоторое приближение к действую-

щему строению атома. Опыты показывают, что атом как планетарная

модель не может обладать всеми перечисленными свойствами, а это

значит, что данная модель приближенная. Нужен новый взгляд на при-

роду атома. Некоторые представления об этом связаны с кварк-

глюонной плазмой.

Лекция №9. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. КВАНТЫ.

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Бог управляет электромагнетизмом с помощью

волновой теории по понедельникам, средам и

пятницам, а дьявол делает то же самое с помо-

щью квантовой теории по вторникам, четвергам

и субботам.

Электродинамика по Уильяму Брэггу

Любые нагретые тела, т. е. тела с температурой Т>0, испускают

электромагнитное излучение, микроскопические механизмы которого

различны в разных интервалах температур. Если тепло – единственный

источник энергии, обеспечивающий излучение, и излучающее тело

можно характеризовать определенной температурой, то излучение на-

зывается тепловым (или температурным).

В конце XIX в. помимо изучения строения вещества естествоиспы-

тателей

волновал вопрос излучения энергии нагретыми телами, так как

именно поэтому излучению мы знаем о Вселенной. Была придумана

модель – “абсолютно черное тело” (АЧТ), объект, полностью погло-

щающий весь падающий на него поток излучения (рис. 8). Такой объект

может иметь только черный цвет (коэффициент поглощения

погл

а 1

). Существовавшая в то время классическая теория не объяс-

няла экспериментальную кривую излучения. Это была катастрофа клас-

сических представлений – ультрафиолетовая катастрофа (УФ катастро-

фа) (рис.9).

Рис.8. Модель абсолютно черного тела

В 1900г. Макс Планк выдвинул идею, что АЧТ излучает энергию

не сплошным “потоком”, а порциями. Этой мельчайшей порции Планк

дал название квант. Квантовая теория совершила революцию в физике,

создав совершенно новые представления о веществе и энергии. Дейст-

вительно, то, что считалось ранее непрерывным, по новым представле-

ниям стало дискретным. Это

противоречило всему обыденному опыту.

Квант электромагнитного поля назвали фотоном.

Однако было совершенно непонятно, дискретность излучения есть

результат взаимодействия с дискретным веществом или свойство, при-

сущее самому излучению. Через пять лет после появления понятия

кванта Эйнштейн применил идею дискретности излучения к объясне-

нию явления фотоэффекта (появление электрического тока в вакууме

вследствие выбивания электронов из металлов под действием излуче-

ния). Именно за объяснение природы фотоэффекта в 1921г. он был удо-

стоен Нобелевской премии (“…за успехи в теоретической

физике, осо-

бенно за открытие законов фотоэффектов”).

Рис. 9. Распределение энергии в спектре АЧТ

Позже, в 1913 г., Дж. Франк и Г. Герц провели ряд экспериментов,

в которых они пытались измерить орбиты электронов в атомах. Мы мо-

жем измерить скорость электронов в пучке до взаимодействия с атома-

ми и после него и по изменению этой скорости сделать заключение о

тех процессах, которые произошли при взаимодействии

пучка электро-

нов с атомами. Это сделать достаточно просто, выявив зависимость то-

ка, протекающего через трубку с газом (парами металла), от ускоряю-

щей разности потенциалов.

Из обычных, классических, представлений следует, что электрон

пучка должен изменять орбиты электронов атома, их энергия (скорость)

должна уменьшиться, причем часть электронов должны просто всю

свою энергию

отдать атому. Этот эффект должен наблюдаться при лю-

бых энергиях пучка электронов. Поэтому зависимость тока от разности

потенциалов должна быть монотонной. Но эксперимент дал совершенно

иной результат. На рис. 10 показана зависимость тока, протекающего

через трубку с парами ртути, от разности потенциалов. Вместо моно-

тонной кривой – кривая с максимумами! Причем расстояние

между

максимумами не зависело ни от плотности пара, ни от внешних взаимо-

действий, но имело непосредственное отношение к оптическому спек-

r (ν,Т)

классическая теория

эксперимент

(квантовая теория Планка)