при наблюдении и описании явлений микромира мы не можем абстрагироваться от явлений, относящихся к макромиру наблюдателя, и средств наблюдения.

3) при наблюдении и описании явлений микромира мы не можем абстрагироваться от явлений, относящихся к макромиру наблюдателя, и средств наблюдения.

Нильс Бор утверждал, что «принцип дополнительности» подходит как для исследования микромира, так и для исследования в других науках (в частности, в психологии).

Таким образом, предметы, окружающие нас, а также само тело человека не являются единым целым. Все это состоит из «частей», т. е. молекул. Молекулы, в свою очередь, также делятся на более мелкие составляющие части – атомы. Атомы тоже, в свою очередь, делятся на еще более мелкие составляющие части, которые именуются элементарными частицами.

Структура атома.

Идеи античных атомистов были возрождены в научном естествознании в XVIII в. английским ученым Дальтоном(1766 – 1844). К XIX в. стало ясно, что мельчайшая частица химического элемента «атом» (с греческого - «неделимый») обладает внутренней структурой, и, будучи в целом электрически нейтральной, включает компоненты с противоположным знаком электрического заряда. Отрицательно заряженная частица, входящая в состав атома - электрон, открыта в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном (1856 – 1940). В начале XX в. английский физик Э. Резерфорд экспериментально исследовал внутреннее строение атома, используя радиоактивные α - частицы. Оказалось, что положительный заряд и основная масса атома сосредоточены в очень малом объеме - ядре (~10^-15 м), в то время как размеры атома (~10^-10 м) определяются электронной оболочкой. Заряды в микромире принято выражать в единицах элементарного заряда (заряда электрона) - . Заряд электрона в такой системе равен (-1), протона - (+1). Исследования показали, что выраженный в таких единицах заряд ядра, а следовательно, и количество электронов в оболочке атома равны порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева. Периодический закон Менделеева отражает периодичность строения электронных оболочек атома и обусловленных ими химических свойств. При этом оказалось, что существуют атомы (ядра) одного элемента, обладающие разной массой. Они получили название изотопы («топ» – место). Указанное в таблице Менделеева массовое число определено для природной смеси изотопов данного элемента.

Отрицательно заряженные электроны оболочки атома движутся в электромагнитном поле, создаваемом положительно заряженным ядром и другими электронами. Учет волновых свойств электронов позволяет определить их возможные состояния и соответствующие им волновые функции. При этом, как уже отмечалось, для электрона в атоме понятие траектории неприменимо, можно говорить только о вероятности его нахождения на разных расстояниях от ядра. Энергия электрона в атоме принимает определенный набор разрешенных значений. Состояние с наименьшей энергией называется основным, остальные – возбужденными. Атом может переходить в возбужденное состояние поглощая энергию электромагнитного излучения, если величина кванта соответствует разнице между разрешенными значениями энергии, т.е. если фотон имеет определенное значение частоты. Возвращаясь в основное состояние, атом испускает фотон той же частоты. Для каждого химического элемента существует свой набор (спектр) частот, испускаемых (или поглощаемых) атомами. Это позволяет, исследуя спектральный состав излучения, испускаемого веществом в атомарном состоянии, сделать выводы о его химическом составе. Спектральный анализ широко используется как в технике, так и в научных исследованиях, в частности в астрономии.

Структура атомного ядра. Структура атомных ядер была определена в 30-е годы ХХ в. Частицы, из которых состоит ядро, имеют общее название – нуклоны. Масса нуклона почти в 2000 раз больше массы электрона, и ее приближенное значение принято за атомную единицу массы (а. е. м.). В а. е. м. измеряется масса ядер . Существуют два типа нуклонов – протон и нейтрон. Протон несет положительный электрический заряд, величина которого равна элементарному, и совершенно стабилен. Нейтрон несколько тяжелее протона, электрически нейтрален и в свободном состоянии способен самопроизвольно превращаться в протон с образованием электрона и антинейтрино. Таким образом, становится ясным, что изотопы элемента, имеющие разные массы, различаются количеством нейтронов, а количество протонов для всех изотопов данного химического элемента постоянно.

Между нуклонами в ядре осуществляется электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Электростатическое отталкивание одноименно заряженных протонов компенсируется не зависящим от заряда сильным (ядерным) взаимодействием между всеми нуклонами – и протонами, и нейтронами.

Чтобы разложить ядро на составляющие его нуклоны, надо затратить энергию, называемую энергией связи ядра. При образовании же ядра из нуклонов выделяется энергия, равная энергии связи. Данный процесс сопровождается уменьшением суммарной массы системы на величину, называемую дефектом массы (m).

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, закономерно изменяется в зависимости от массового числа, причем максимальное её значение соответствует ядрам со средними значениями атомной массы. Это делает энергетически выгодными два типа процессов – слияние легких ядер (реакции синтеза) и деление тяжелых ядер (реакции распада). В настоящее время считается, что именно реакции первого типа – слияние ядер водорода (Z = 1) с образованием ядер гелия (Z=2), протекающие в недрах звезд, являются источником их энергии, поддерживающим температуру в десятки миллионов кельвинов. Процессы деления тяжелых ядер, в частности урана и плутония, позволяют получать энергию в атомных реакторах. Исторически сложилось так, что, хотя в обоих случаях речь идет о ядерной энергии, энергию, выделяющуюся при расщеплении атомных ядер принято называть атомной энергией, а при слиянии – термоядерной. Данные процессы являются примером превращения одних изотопов в другие. До XX в. такие процессы считались невозможными, а с открытием радиоактивности их исследование стало одним из важнейших направлений в физике микромира.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение одних изотопов в другие, сопровождающееся испусканием излучения. Это явление открыто французским ученым А. Беккерелем (1852 – 1908) в 1896 г. при изучении люминесценции солей урана. Исследование состава радиоактивного излучения, его природы, различных радиоактивных веществ проводились Пьером Кюри (1859 – 1906)и Марией Кюри-Склодовской (1867 – 1934), а также Резерфордом. Из встречающихся в природе минералов радиоактивны соединения изотопов урана, тория, радия и др. Характеристикой устойчивости изотопа относительно распада является период полураспада – время, за которое распадается половина первоначального количества ядер. Ни физические, ни химические условия не влияют на радиоактивный распад, поэтому данное явление является источником наших знаний о геологической шкале времени. Определяя процентное содержание исходных и образовавшихся ядер, можно достаточно точно определить возраст, например, горных хребтов.

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒