Основные характеристики некоторых элементарных частиц

Физика

Основные этапы развития физики

В древние века понятие «физика» подразумевало космос (греч.) – «порядок», отражение совершенного порядка на Земле.

Первое впечатление о Земле – что она плоская; первое понятие о космосе – эгоцентризм.

В V веке до н.э. Анаксимандр говорил, что Земля шар и ни на что не опирается, это был уже геоцентризм.

В I веке до н.э. Птолемей математически рассчитал геоцентрическую модель.

В VI веке до н.э. Аристотель сказал, что вокруг Земли расположен хрустальный небосвод со звёздами.

Гелиоцентризм

В начале XVII века – 17 февраля 1600 года сожжен на костре Джордано Бруно.

Коперник (1473-1543 гг.) утверждал, что Земля – не центр мироздания, его учение было признано только в 1835- ом году.

Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) создал дифференциальную и интегральную систему. 1687 г. – «Математические начала натуральной философии». XIX век – открытие поля (альтернативного вида материи).

В 1837 году Майкл Фарадей (1791-1867 гг.) открыл электромагнитное поле.

В 1877 году Максвелл создал первую объединенную теорию – объединил электричество, магнетизм и оптику.

Современная физика – конец XIX века – открытие рентгеновских лучей (Конрад Рентген), микромира.

О возникновении квантовой механики впервые доложил 14 декабря 1900 года Макс Планк: – энергия излучения не постоянна, а дифференцирована – излучается квантами: E = hn (уравнение Планка)

В 1905 году Альберт Эйнштейн получает Нобелевскую премию (СТО).

Концепции материи и движения

Фундаментом естественнонаучной картины мира (ЕНКМ) являются следующие общие понятия:

· Материя

· Движение

· Время

· Пространство

· Взаимодействие

Материя_(физ.) – это все то, что прямо или косвенно (опосредованно) воздействует на органы чувств человека.

Материя_{(философ.)} – это реальность, данная нам в ощущениях и независимая от человека.

Движение – это любое изменение, которое происходит с материальными объектами в результате их взаимодействий. Материя не существует без движения (абсолютного покоя нет!).

Движение – это необъемлемое свойство материи. Материя не существует без форменного состояния, она дискретна.

Тело® молекулы® атомы® протоны, нейтроны, электроны® кварки

В современной физике различают три вида материи:

1. Вещество

2. Поле

3. Физический вакуум (экспериментально обнаружен в ускорителях в 50-х гг. XX вв.)

Вещество – это любые материальные объекты, имеющие массу. Кроме массы может быть электрический заряд. Элементарные частицы имеют массу.

У вещества есть четыре агрегатных состояния:

1. Твердое

2. Жидкое

3. Газообразное

4. Плазма

Состояние материального объекта характеризуется физическими величинами, или параметрами состояния: координаты, энергия, температура, масса, спин, энтропия, состав.

Переход от одного состояния к другому есть движение материи.

Виды движения:

1. Механическое

2. Колебательное и волновое

3. Тепловое

4. Процессы переноса (диффузия, теплопроводность)

5. Фазовые переходы

6. Радиоактивный распад

7. Химические и ядерные реакции

8. Эволюция живых организмов

9. Метаболизм (обмен веществ)

Поле – особое состояние среды, в каждой точке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества и которые непрерывно и плавно меняются от точки к точке.

Поле является материальным фактором, который приводит к взаимодействию тел.

В макромире поле противоположно веществу (не имеет массы, непрерывно и т.п.).

В микромире нет раздельно поля и вещества, там присутствует корпускулярно-волновой дуализм.

Физический вакуум – самое низшее энергетическое состояние квантового поля. Среднее число частиц в вакууме равно нулю. Там существуют виртуальные частицы со временем жизни t £ 10^-18 с. Вакуум «кипит» этими частицами, но они обладают низкой энергией.

Физический вакуум проявляется только при достаточно большой энергии - виртуальные частицы начинают взаимодействовать с реальными частицами, например:

e^- + e⁺ «2g + Q

где e^- - электрон; e⁺ - позитрон; g - гамма-кванты

Современный тезис: Физический вакуум является основой Вселенной (1990-е гг.).

Концепции времени и пространства

Время и пространство – это формы существования и движения материи. Самые первые представления относятся к древним векам, это субъективные понятия.

Время выражает порядок смены физических состояний материальных тел, поэтому время универсально и объективно вне зависимости от человека.

Субъективно то, что можно измерить с помощью часов. В качестве отсчета может быть принят любой циклический процесс, например вращение Земли.

Постулат времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Эталон точности на данный момент составляет 10^-11 с.

В классической механике Ньютон создал понятие истинного (абсолютного) времени, или математического времени - это время, которое течёт равномерно и не зависит от каких-либо физических процессов.

По Эйнштейну, время относительно, абсолютного времени нет. Согласно теории относительности:

1. Существует релятивистское замедление времени при скоростях, близких к скорости света.

2. Гравитационное замедление времени (внутри чёрной дыры время останавливается).

По Ньютону время является обратимым. Согласно современным представлениям время необратимо, относительно и одномерно.

В пространстве физические тела занимают объем и движутся друг относительно друга.

Пространство выражает порядок сосуществования физических тел.

Пространство_(быт.) – это некая протяженная пустота, в которой могут находиться материальные тела.

Первая концепция пространства – III век до н.э. – Евклид создал свою геометрию (главный постулат: две параллельные прямые никогда не пересекутся). Его концепция не связана ни со временем, ни с физическими явлениями – она чисто математическая. Была дополнена в XVIII веке Декартом, который ввел трехмерную систему координат (стереометрия) и определил пространство как однородное и изотропное.

Однородность – это свойство материальной системы, которое не зависит от ее перемещения в пространстве.

Изотропность – это свойство материальной системы, которые одинаково при её движении во всех направлениях. Ньютон ввел в классическую механику понятие абсолютного пространства, то есть, существующего независимо оттого, находятся там материальные тела или нет. Реального абсолютного пространства нет! В современной физике пространство так же относительно, как и время.

Вторая концепция пространства появилась в начале XIX века. Я. Бальяй, К. Гаусс (сер. XIX), Н. И. Лобачевский (сер. XIX) независимо друг от друга пришли к разработке неевклидовой геометрии. В отличие от евклидовой, здесь не соблюдается постулат о параллельных прямых. Евклидовой геометрии было отведено место частного случая.

В 60-е гг. XIX века Риман создал сферическую геометрию. Геометрии Лобачевского было отведено место частного случая.

Евклидова геометрия применима для макромира, неевклидова для мегамира, для искривленного пространства – римановская.

В классической геометрии пространство, время и материя не связаны друг с другом.

В релятивистской механике пространство и время объединены в пространственно-временной континуум. Эйнштейн ввел временную координату. Эйнштейн отчасти заимствовал наработки Минковского в области создания четырехмерного мира. Но Минковский не смог объяснить происхождение искривленного пространства. Четырехмерный мир неощутим для людей.

Специальная теория относительности (СТО)

В классической механике при переходе от одной системы к другой время течёт одинаково для обеих систем, и события происходят одновременно. Для макромира это правильно, для мегамира нельзя пренебрегать задержкой времени. Между Москвой и Санкт-Петербургом световой сигнал идет 0,002 секунды. Эйнштейн все свои вычисления основывает на постоянстве скорости света в вакууме с ≈ 3∙10⁸ м/с. Поэтому время в СТО относительно какой-то системы отсчета.

Постулаты СТО (Энштейн, 1905 г):

1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга;

2. Все законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Ни одно материальное тело, имеющее массу покоя, не может двигаться быстрее скорости света. СТО допускает существование частиц, двигающихся со скоростью света.

Связь энергии покоя и массы (уравнение Энштейна)

E=mc² E₀=m₀c² → DE=Dmc²

(нет энергии без массы и нет массы без энергии, и они пропорциональны друг другу).

Взаимосвязь массы и скорости

СТО изменила представления о характере взаимодействий. Скорость передачи взаимодействий не может превышать скорость света в вакууме. Классическая механика (Ньютон) опиралась на принципдальнодействия – взаимодействие между предметами происходит мгновенно. Это возможно, так как в классической механике скорость света была бесконечной величиной.

По Эйнштейну два тела взаимодействуют друг с другом по принципу близкодействия (взаимодействие передается полем, через частицы-посред-ники). Частицы, предположительно несущие гравитационное взаимодействие называют гравитонами.

СТО совместима не с субстанциальной, а релятивистской концепцией пространства и времени. Замедление хода времени и укорочение длин не иллюзорны, а действительны.

В случае, если скорости движения рассматриваемых частиц много меньше скорости света, формулы СТО преобразуются в уравнения механики Ньютона.

Общая теория относительности (ОТО, 1915 г)

В СТО говорится об одинаковости законов только для инерциальных систем отсчета. Энштейн хотел обнаружить законы физики, которые были бы одинаковы не только для инерциальных (специальных), но и всех возможных систем отсчета (неинерциальных). Он стремился к созданию ОТО. Руководящая идея заключена в постулатах:

Постулаты ОТО:

1. Эквивалентность инертной и гравитационной масс. У Ньютона в уравнении F = ma (II закон динамики) представлена инертная масса, в уравнении F = gпредставлены гравитационные массы. Ньютон эти массы, очевидно, не различал. Ньютон полагал, что его закон тяготения прекрасно совместим с абсолютностью пространства и времени. Энштейн знал, что при движении тел близких к скорости света, закон тяготения не подтверждается. Надо было непротиворечиво согласовать представления о тяготении с общим принципом относительности (законы природы во всех системах отсчета одинаковы) и с конечностью скорости света.

2. Все системы отсчета, инерциальные и неинерциальные, равноценны для описания движения материальных объектов, т.е. все законы физики одинаковы как для областей тяготения, так и для всех возможных систем отсчета (инерциальная система – движущаяся равномерно и прямолинейно; неинерциальная – движущаяся с ускорением).

Эйнштейн разработал полевую теорию тяготения, предположив существование гравитационного поля.

Согласно ОТО в сильном поле тяготения происходит искривление пространственно-временного континуума. Чем больше масса, тем сильнее искривление пространства. Вблизи массивных тел время замедляется.

ОТО подтверждается значительно точнее, чем закон всемирного тяготения Ньютона. Так наблюдения за прохождением света от звезд вблизи Солнца (во время полных солнечных затмений) показали, что подтверждается именно ОТО, которая предсказывает вдвое больший эффект искривления траектории движения света, чем теория тяготения Ньютона.

Гравитационный радиус – радиус, который нужен, чтобы масса стала «черной дырой».

Для каждой массы существует свой определенный радиус, при сжатии до которого сила тяготения стремилась к бесконечности. Такой радиус в теории был назван гравитационным радиусом. Гравитационный радиус тем больше, чем больше масса тела. Но даже для астрономических масс он очень мал: для массы Земли это всего один сантиметр. В «черной дыре» время останавливается.

Дискретность материи

Аристотель в III веке до н.э. говорил, что вещество можно делить на все более мелкие части сколько угодно (Гипотеза непрерывности вещества).

Левкипп (V век до н.э.), Демокрит, Эпикур говорили, что все вещества состоят из мельчайших частичек – атомов (греч.) – «неделимый». (Гипотеза прерывности вещества). Термин «атом» введен Демокритом.

Понятие о молекуле, как о мельчайшей частице вещества ввел Ломоносов, назвав их корпускулами.

Молекула – наименьшая электронейтральная частица вещества, сохраняющая его физико-химические свойства и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями.

Атом – наименьшая электронейтральная химически неделимая частица элемента, сохраняющая его химические свойства.

В свою очередь в состав атома входят элементарные частицы: электрон (Томсон, 1898 г), протон (Резерфорд, 1913 г), нейтрон (Чедвик, 1932 г).

Основные характеристики данных элементарных частиц приведены в табл. 1.

Таблица 1

Частица	Символ	Масса покоя	Заряд
абсолют-ная, кг	относи-тельная, а.е.м.	электричес-кий, Кл	относитель-ный
протон	р	1,673×10^-27	1,007276	1,602×10^-19	+1
нейтрон	n	1,675×10^-27	1,008665
электрон	e	9,109×10^-31	0,000549	1,602×10^-19	-1

Сер. 1960-х гг. коллектив учёных открыл сложную структуру нейтронов и протонов. Частицы, их образующие, были названы кварками. Кварк – в переводе «непонятный».

На данный момент предела делимости материи нет.

Считается, что все виды материи имеют дискретную (зернистую) структуру, в том числе поле и физический вакуум.

Дискретность полей доказана экспериментально, например, электромагнитное поле распространяется фотонами.

Даже пространство и время по квантовой теории имеют дискретную структуру (это пространственно-временная хаотически движущаяся «пена», состоящая из ячеек размером 10^{-35 м и 10-43} с).

Непрерывность материи и её дискретные свойства неразделимы.

Волновая концепция в естествознании

Волны звука, на воде, механические колебания, колебания струны, колебания в земной коре, электромагнитные волны.

Основные свойства волн:

1. Все волны обладают конечной скоростью. Скорость распространения волн зависит от среды, например:

· Скорость света в вакууме – 300000 км/с

· Скорость звука при 0°С, Р = 1 атм – 330 м/с

2. Все виды волн обладают импульсом.

3. Движение волн подчиняется принципу суперпозиции.

4. Все волны переносят энергию.

Любая колеблющаяся система, независимо от её физической природы, называется осциллятор.

· Существуют колебания с постоянной амплитудой – незатухающие.

· С точки зрения кинематики бывают периодические и непериодические колебания.

· По способу возбуждения бывают собственные и вынужденные.

· По направлению распространения – продольные и поперечные.

Продольные волны – сжатие и растяжение пружины, забивание гвоздя, распространение звука, кроме распространения в твердых телах. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания от 16 до 20000 Гц.

Поперечные волны – частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Например, колебание струны, в твердых телах даже звук распространяется поперечно (все волны в твердых телах поперечны), электромагнитные волны.

Электромагнитная концепция

Уравнения Максвелла. В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал первый трактат, в котором впервые систематизировал все фундаментальные уравнения по электричеству и магнетизму. Но он был чистым теоретиком, и никогда не участвовал в экспериментах. В своей работе он обобщил закон Кулона по электростатике, теорему Гаусса (Постоянное магнитное поле не возбуждает электрическое поле, так как магнитных зарядов не существует), закон электромагнитной индукции Фарадея (Переменное магнитное поле порождает электрическое поле), уравнение Лапласа (Проводник с током создает вокруг себя магнитное поле).

Выводы из теории Максвелла:

1. Источник электрического поля – это постоянные электрические заряды, переменные магнитные поля (изменяющиеся во времени).

2. Источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды и переменные электрические поля.

3. Переменное магнитное поле возбуждает электрическое, а переменное электрическое поле возбуждает магнитное.

Переменные электрические и магнитные поля – это проявление единого электромагнитного поля, которое нужно рассматривать как вид материи. Электромагнитное поле обладает импульсом, энергией, а значит, должно обладать и массой, вывод о чем был сделан Максвеллом, а доказано это было гораздо позже. Электромагнитное поле способно существовать в отсутствии электрических зарядов, и изменение его состояния носит волновой характер. То есть, электромагнитное поле – это электромагнитная волна, и для нее Максвелл вывел константу – скорость света в вакууме, скорость распространения электромагнитной волны в вакууме. Был сделан вывод, что свет – это электромагнитная волна. Позже, в 1887 году Герц доказал это экспериментально.

Исходя из уравнения Максвелла, электромагнитные волны могут распространяться в любой среде (в отличие от классической механики) – жидкой, твердой, кристаллической, газообразной, вакууме.

Свет – это электромагнитная плоская поперечная волна. Свет проявляет следующие волновые свойства: дифракция, интерференция, дисперсия (зависимость показателя преломления от частоты света), поляризация.

Максвелл предположил, что свет имеет массу (корпускулярные свойства света), так как есть импульс. Экспериментально это доказал в 1902 году русский учёных Лебедев, подтвердивший и обосновавший явление давления света. Он же обосновал космическое давление света (изменение направления хвостов комет под действием солнечного ветра).

Макс Планк доказал, что энергия кванта связана с частотой (цветом):

E = hn

где постоянная Планка h = 6,62∙10^-34 Дж∙с

Эйнштейн назвал квант света фотоном:

так как E = mc² и E= hn тогда mc²= hn ®

где m - масса фотона, движущегося со скоростью света; p = mc – импульс фотона.

Фотон – это и частица и волна, он обладает корпускулярно-волновым дуализмом, или корпускулярно-волновой двойственностью. Фотон проявляет одновременно два основных свойства материи. Позже было доказано, что это свойство присуще всем микрочастицам (на данный момент их открыто более 350).

Модель атома

Согласно ядерной модели Резерфорда (1911 г.), атом – электронейтральная частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра вокруг которого двигаются отрицательно заряженные электроны. Ядро атома состоит из двух типов частиц (нуклонов) – протонов и нейтронов.

Изучение радиоактивности подтвердило сложность состава атомов. Линейные размеры атома составляют ~ 10^{-8 см, а ядер ~ 10-13} ¸ 10^{-12 см}. Основная масса атома сосредоточена в ядре и характеризуется массовым числом А, которое определяют по формуле

А = Z + N

где Z – число протонов, которое равно заряду ядра; N – число нейтронов.

Заряд ядра – главная характеристика атома, которая определяется чис-лом протонов, находящихся в ядре и совпадает с порядковым номером эле-мента в периодической системе Д.И. Менделеева. Из электронейтральности атома следует, что число вращающихся вокруг ядра электронов также равно порядковому номеру элемента. Атомы с одинаковыми значениями Z, но различными значениями А и N называются изотопами. Например, известны следующие изотопы кислорода: , , . Атомы, обладающие одинаковыми N, но различными Z и А, являются изотонами (например: , , ). Если же атомы имеют одинаковые значения А, но различаются числами Z и N, то их называют изобарами (например: ,,).

Относительная атомная масса элемента является средней величиной массовых чисел его природных изотопов с учетом их распространенности в природе.

Модель Резерфорда была крупным шагом в познании строения атома, однако в некоторых случаях она противоречила установленным фактам (н-р: не могла объяснить устойчивость атома (При вращении электрон излучает энергию и должен упасть на ядро. Вывод: атом является неустойчивым, а на самом деле в настоящее время атом является самой устойчивой из известных систем. В этом и есть первое и главное противоречие, если рассматривать атом с точки зрения классической механики), а также приводила к неправильным выводам о характере атомных спектров).

Существенный шаг в развитии ядерной модели сделал Нильс Бор (1913 г), предложивший теорию, объединяющую ядерную модель атома с кван-товой теорией света.

Основные положения (постулаты) теории Бора:

а) Электрон вращается вокруг ядра не по любым, а только по некоторым определенным круговым орбитам (т.н. стационарные или боровские орбиты);

б) Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает электромагнитной энергии;

в) Излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую (с поглощением или выделением кванта энергии).

hn = E₂ - E₁

E₁ – стационарное энергетическое состояние электрона

E₂ – энергия электрона в возбужденном состоянии.

Теория Бора не была лишена недостатков (например, не могла объяснить, где находится электрон в процессе перехода с одной орбиты на другую?) но она показала, что нельзя автоматически распространять законы природы, справедливые для больших тел (объекты макромира) на ничтожно малые объекты микромира - атомы, электроны и т.д. Теория Бора является промежуточным звеном между классической и квантовой механикой.

Поэтому возникла задача создания новой теории пригодной для описания свойств и поведения объектов микромира – квантовой (или волновой) механики (20-е гг. ХХ в).

Современная теория строения атома основана на законах квантовой механики, согласно которым движущимся микрообъектам (электронам) присуща двойственная природа: они являются частицами, но имеют волновой характер движения.

Из волновых свойств микрообъектов следует принцип неопределенности Гейзенберга (1926 г):

Микрочастица (н-р, электрон) так же как и волна, не имеет одно-временно точных значений координат положения в пространстве и импульса ее движения.

Из принципа Гейзенберга вытекает, что чем точнее определяется координата микрочастицы (электрона), тем неопределеннее становится информация о скорости ее движения, и наоборот (чем точнее определяется координата, тем менее точно можно определить импульс). Одновременное изменение энергии и среднее время жизни возбужденной частицы также нельзя измерить одновременно.

Критерии применимости законов микро-, макро- и мегамира

1. Макромир: Законы классической механики. Главный критерий: v<<c.

2. Мегамир: v ® c. Релятивистская механика.

3. Микромир: Квантовая механика – постоянная Планка.

Квантовые числа

Для полной характеристики состояния каждого электрона в атоме необходимо указать для него значения четырех квантовых чисел (параметров): главного n, орбитального l, магнитного m_l и спинового s.

I. Главное квантовое числоn характеризует основной запас энергии электрона и размер электронного облака. Оно может принимать только положительные целочисленные значения от 1 до ¥. Чем больше значение n, тем больше размер электронного облака. Совокупность электронных состояний, имеющих одинаковое значение n, называется электронным слоем (оболочкой) или энергетическим уровнем.

При n = 1 энергия электрона имеет минимальное значение Е ₁ = -13,6 эВ. Такое состояние электрона называется основным или нормальным. С увеличением n энергия электрона возрастает, состояния с n = 2, 3, 4… называются возбужденными. Энергии, соответствующие им, связаны с Е ₁ выражением:

II. Форма электронного облака, как и его энергия, также не может быть произвольной. Она определяется орбитальным (его называют также побоч-ным или азимутальным) квантовым числом l, которое может принимать все целочисленные значения от 0 до (n - 1). Каждому значению l соответствует своя форма электронного облака: при l = 0 – сферическая; l = 1 – гантелевид-ная; l = 2 – две пересекающиеся под прямым углом гантели.

Электроны одного энергетического уровня, имеющие одинаковые значения l, образуют энергетические подуровни, которые имеют следующие буквенные обозначения:

Орбитальное квантовое число
Обозначение подуровня	s	p	d	f	g

Число подуровней, на которые расщепляется энергетический уровень, равно номеру уровня, то есть значению n.

В соответствии с этими обозначениями говорят об s - подуровне, p - подуровне, d -подуровне, f -подуровне и т.д. Электроны, характеризующиеся значениями l равным 0, 1, 2, 3, называют, соответственно, s - электронами, p - электронами, d -электронами и f -электронами. Значения энергий в подуровнях каждого уровня несколько различаются: при данном значении главного квантового числа n наименьшей энергией обладают s - электроны, затем p -, d - и f - электроны.

Состояние электрона, соответствующее определенным значениям n и l, записывается в виде сочетания цифрового значения n и буквенного l (например, при n = 2 и l = 0 записывают 2 s; при n = 3 и l = 1 записывают 3 p).

III. Из уравнения Шредингера следует, что ориентация электронного облака в пространстве также не может быть произвольной: она определяется магнитным квантовым числом m_{l ,}которое характеризует пространствен-ную ориентацию электронного облака. Принимает все целочисленные зна-чения от – l до + l, всего в каждом подуровне (2 l + 1) значений. Число значений, принимаемых m_l, указывает число возможных положений электронного облака данного типа в пространстве, то есть число орбиталей в подуровне. Так, любой s -подуровень состоит из одной орбитали, p -подуровень – из 3, d -подуровень – из 5, а f -подуровень – из 7. Все орбитали одного подуровня обладают одинаковой энергией и называются вырожденными.

Состояние электрона в атоме, охарактеризованное значениями квантовых чисел n, l и m_l, т.е. определенными размерами, формой и ориентацией электронного облака в пространстве, называется атомной орбиталью (АО).

IV. Исследование атомных спектров привели к выводу, что помимо квантовых чисел n, l и m_l, электрон характеризуется еще одной квантованной характеристикой, не связанной с движением электрона вокруг ядра, а определяющей его способность вращаться вокруг своей оси. Спиновое квантовое число s характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси. Оно может принимать только два значения s = +1/2 и s = – 1/2 (по часовой и против часовой стрелки).

В соответствии с принципом (запретом) Паули в атоме не может быть двух и более электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы; т.е. по другому говоря, на одной АО может находиться не более двух электронов, отличающихся друг от друга значением s. Таким образом, максимальная электронная емкость любого s -подуровня равна 2 е, p -под-уровня – 6 е, d -подуровня – 10 е, а f -подуровня – 14 е.

Периодическая система и электронное строение атомов элементов

Заряд атомного ядра является той основной величиной, от которой зависят свойства элемента и его положение в ПСЭ. Поэтому периодический закон Менделеева можно сформулировать следующим образом:

Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атомов элементов.

Химический элемент - это набор атомов с одинаковым зарядом ядра.

Как уже было сказано выше, наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимальному возможному значению его энергии. Поэтому в невозбужденном атоме водорода (заряд ядра Z = 1) единственный электрон находится в самом низком энергетическом состоянии, т.е. на 1s-подуровне. Электронную структуру атома водорода можно записать так: 1s¹. В атоме гелия (Z = 2) второй электрон также находится в состоянии 1s. Его электронная структура - 1s². У этого элемента заканчивается заполнение K - слоя и тем самым, завершается построение I периода системы элементов.

У элементов II периода начинает заполняться электронами второй энергетический уровень (L - слой, n = 2), так как размещение новых электро-нов на K – слое противоречило бы принципу Паули. L – слой делится на 2 подуровня: 2s и 2p. В соответствии с первым правилом Клечковского сначала будет заполняться 2s- подуровень (до 2е), а затем 2p-подуровень (до 6е). У атома Li (Z = 3) электронная структура запишется формулой: 1s² 2s¹ (2p-подуровень пока остается пустым и поэтому не записывается). У атома Be (Z = 4) электронная структура запишется формулой: 1s² 2s². Таким образом, как и в первом периоде, построение второго периода начинается с s- элементов, у которых впервые появляются s - электроны нового слоя. Элементы, в атомах которых происходит заполнение s -орбиталей, относятся к семейству s -элементов. Электронная схема атома B (Z = 5) имеет вид: 1s² 2s²2p¹. При переходе к углероду С (Z = 6) число электронов на 2p-подуровне возрастает до двух (1s² 2s²2p²), при этом они будут распределяться в соответствии с правилом Хунда (у каждого своя орбиталь, а спины направлены одинаково). Для азота N (Z = 7) - 1s² 2s²2p³. Теперь, когда каждая из 2p-орбиталей занята одним электроном, начинается попарное размещение электронов на 2p-орбиталях. Поэтому атому кислорода О (Z = 8) соот-ветствует формула 1s² 2s²2p⁴, атому фтора F (Z = 9) - 1s² 2s²2p⁵. Наконец, у атома неона Ne (Z = 10) заканчивается заполнение 2p- подуровня, а тем самым заполнение второго энергетического уровня (L – слоя) и построение второго периода системы элементов - 1s² 2s²2p⁶. Элементы, в атомах которых происходит заполнение p -подуровня, относятся к семейству p -элементо

Фундаментальные взаимодействия

Естествознание объясняет огромное разнообразие природных систем взаимодействием материальных объектов, то есть, воздействием их друг на друга. Взаимодействие – это основная причина, определяющая движение в природе, поэтому взаимодействие, как и движение, носит универсальный характер. Причинами взаимодействия учёные считают существование в природе массы и различных зарядов.

В классической механике Ньютона взаимодействие определяется силой, с которой одно тело действует на другое, и при этом, по концепции дальнодействия, считается, что все действия тел друг на друга передаются через пустое пространство на любое расстояние мгновенно, так как скорость света в классической механике принята за бесконечность.

В специальной теории относительности представления о мгновенном взаимодействии не соответствуют действительности. Никакое действие, никакая информация, никакие передвижения тел в пространстве не могут происходить со скоростью, превышающей скорость света (концепция близкодействия). Взаимодействия передаются посредством физических полей и с конечной скоростью.

Квантовая теорию дополнила концепцию близкодействия тем, что она показала, что при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами (переносчиками взаимодействия, или квантами соответствующего поля).

Основные характеристики взаимодействия – это энергия и импульс.

Существует четыре основных взаимодействия:

1. Гравитационное взаимодействие, или тяготение, проявляется в притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно действует на любых расстояниях между объектами, поэтому считается, что радиус гравитационного взаимодействия равен бесконечности, но оно слабее всех других взаимодействий. Оно подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона.

Это взаимодействие является доминирующим в мегамире, так как звезды и галактики имеют очень большие массы. В современном понятии существует поле тяготения с гравитационными волнами, скорость распространения которых приблизительно равна скорости распространения света в вакууме. Переносчиками тяготения являются гравитоны, которые пока не открыты и не будут открыты, пока в нашем распоряжении не будет весов с точностью не менее 10^{-11 г, так как все гравитационное взаимодействие связано с массами. Гравитоны малы по массе, а само гравитационное взаимодействие слабое.}

2. Электромагнитное взаимодействие обусловлено существование в природе электрических зарядов. Из-за этого взаимодействия существуют атомы и молекулы (притяжение электронов и протонов, химические связи), силы трения, упругости, поверхностного натяжения жидкости и т.д. Они действуют на любом расстоянии, но они во много раз сильнее гравитационных сил. Переносчиками являются фотоны, имеющие нулевую массу покоя и приобретающие ее при движении со скоростью света. Они фиксируются приборами, как и электромагнитные волны, причем, различаются длиной волны и частотой.

3. Сильное взаимодействие обеспечивает существование нуклонов и вообще существование атомных ядер, поэтому расстояние, на котором они проявляются, очень мало – не более 10^{-15 м}. Переносчиком взаимодействия (склеивание кварков в нуклоны) являются глюоны, которые были открыты с появлением ускорителей. Это взаимодействие связано с ядерными силами. Сильные взаимодействия являются самыми сильными среди всех фундаментальных взаимодействий. Благодаря им, ядро атома чрезвычайно устойчиво.

4. Слабое взаимодействие проявляется в процесса распада нестабильных атомных ядер (в основном – в β-распадах). Переносчиками этого взаимодействия являются вионы, обнаруженные в 1983 году. Вионы имеют массу в 100 раз больше протона и нейтрона, а радиус действия этих сил составляет примерно 10^{-18 м. Действуют они в центре атомного ядра. Благодаря этому взаимодействию возможны термоядерные реакции и образование атомных ядер в недрах звезд (звездный нуклеосинтез). Взаимопревращение нейтронов и протонов, переход между кварками в нуклонах.}

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Вид взаимодействия	Относительная энергия взаимодействия	Радиус действия	Переносчики взаимодействия
1. Сильное		10^-15 м	Глюоны
2. Электромагнитное	10^-2	∞	Фотоны
3. Слабое	10^-5	10^-18 м	Вионы
4. Гравитационное	10^-39	∞	Гравитоны

I закон термодинамики

Термодинамическая система – это система, состоящая из большого числа частиц, взаимодействующих между собой. Системы по характеру обмена веществом и энергией с окружающей средой подразделяются на 3 типа:

а) Изолированная система – это система, которая не обменивается со средой ни веществом, ни энергией (Dm = 0, D U = 0);

б) Закрытая система – это система, которая не обменивается со средой веществом, но может обмениваться энергией (Dm = 0, D U ¹ 0);

в) Открытая система – это система, которая может обмениваться со средой как веществом, так и энергией (Dm ¹ 0, DU ¹ 0).

Для изолированных систем можно было применить наиболее простые расчётные уравнения, которые в некотором приближении подходили к описанию работы двигателей и тепловых машин. Параметры термодинамической системы: объем (V), работа (A), давление (P), температура (T), теплота (Q), внутренняя энергия тела (U).

Энергия – это мера способности системы совершать работу; общая качественная мера движения и взаимодействия материи. Различают потенциальную энергию, обусловленную положением тела в поле некоторых сил, и кинетическую энергию, обусловленную изменением положения тела в пространстве.

Теплота Q – это форма передачи энергии путем неупорядоченного движения молекул (частиц).

Работа А - это форма передачи энергии путем упорядоченного движения молекул (частиц).

Внутренняя энергия U системы представляет собой сумму энергий теплового движения молекул и энергии взаимодействия между ними. Абсолютную величину внутренней энергии определить невозможно (в этом нет практической необходимости), так на практике имеет место только изменение энергии при переходе системы из одного состояния к другому. Поэтому можно судить лишь об изменении внутренней энергии системы по количеству энергии, отдаваемой или принимаемой системой от окружающей среды. При этом объем системы должен оставаться неизменным. Обмен энергии может осуществляться передачей теплоты или совершением работы.

Первый закон термодинамики имеет несколько формулировок, но все они выражают одну идею:

Неуничтожимость и эквивалентность различных видов энергии при их взаимных переходах;

В изолированной системе сумма всех видов энергии есть величина постоянная.

Из этого закона вытекает: Невозможно получить работу без затрат энергии, то есть, невозможен вечный двигатель I рода. Универсальный закон природы, справедливый для живых и неживых объектов.

При скоростях близких к скорости света закон сохранения энергии не работает.

II Закон термодинамики

Большинство реакций, которые проходят самопроизвольно, сопровождаются выделением тепла, т.е уменьшением энтальпии.

Процесс называется самопроизвольным, если он осуществляется без каких-либо воздействий, когда система предоставлена самой себе.

Около 95% всех неорганических веществ образуется при стандартных условиях и температуре с выделением тепла и уменьшением энтальпии, т.е. эти вещества обладают меньшим запасом энергии по сравнению с простыми веществами, из которых они образуются.

Однако, известно много случаев самопроизвольного протекания процессов, при которых тепло поглощается, н-р:

- растворение нитратов в воде;

- получение водяного газа С_к + Н₂О _г = СО _г + Н_{2 г} . Процесс смешения двух газов протекает самопроизвольно без изменения энергии. Обратный процесс - разделение СО и Н₂ – самопроизвольно не идет и требует затрат энергии. Следовательно, сведений об энергетических изменениях в системе недостаточно для предсказания направления и самопроизвольности реакции.

Исторически существует несколько формулировок II закона термодинамики, но все они выражают существование само- и несамопроизвольных процессов и различие между ними, н-р:

Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому;

Невозможен вечный двигатель II рода, т.е. машины, которая позволяла бы получать работу только за счёт охлаждения источника теплоты.Обязательно КПД < 100%.

Обратить внимание! Если процесс не может протекать самопроизвольно, он может протекать при определенных условиях с компенсацией, н-р переход от менее нагретого тела к более нагретому телу протекает при работе домашних холодильников только с затратой электрической энергии.

В изолированнойсистеме критерием, указывающим направление течения процесса, является функция состояния системы, которая называется энтропией (ввел Р. Клаузиус, 1865 г) и обозначается S.

Энтропия, S – количественная мера неупорядоченности (хаотичности) частиц в системе.

С точки зрения классической термодинамики Энтропия представляет собой функцию состояния, изменение которой DS равно теплоте Q, подведенной к системе в обратимом изотермическом процессе, деленной на абсолютную температуру Т (К), при которой осуществляется процесс:

DS =

Размерность энтропии (СИ) – .

Любой самопроизвольный процесс может протекать в изолированной системе лишь в случае увеличения энтропии системы; в равновесии энтропия системы максимальна и постоянна:

DS ³ 0

(Формулировка 2-го закона термодинамики).

Концепции космологии

Космология – это наука о свойствах и эволюции Вселенной.

Вселенная – это совокупность всех форм материи и наблюдаемых явлений.

Метагалактика – это часть Вселенной, которая доступна нашим наблюдениям. Расширение границ идёт за счет усовершенствования приборов. Сужающая часть – это время прихода света от отдалённых частей.

Галактика (Туманность) – это скопление звезд и планет. Есть гигантские галактики, включающие 10¹³-10¹⁵ звезд.

Четыре эры развития Вселенной:

1. Адронная (τ = 10^-4 с). Эта эра образования тяжелых частиц (барионов, или адронов) из кварков. Вселенная состояла из барионов и антибарионов, происходили реакции аннигиляции. Потом стали распадаться на нейтроны и протоны (их больше). Эти протоны существуют до сих пор, положительный барионный заряд – тоже.

2. Лептонная (τ = 0,2 с). Лептонная – эра лёгких частиц (электронов, фотонов, позитронов). Реликтовое нейтрино (ν) образовали в эту эру, но обнаружить их пока не удалось. В конце лептонной эры протонов и нейтронов стало примерно одинаковое количество.

3. Фотонная эра, или эра излучения (τ = 1 млн. лет). Энергия фотонов уменьшается по сравнению с первыми двумя эрами, длина волны увеличиваются, и они переходят в рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. В фотонную эру вещество отделяется от антивещества, и фотоны отделились от вещества в виде различных электромагнитных излучений (ЭМИ) – рентгеновского, ультрафиолетового (УФ), светового, инфракрасного… Вселенная становится прозрачной для излучения, появляется свет. В этой же эре произошел первичный нуклеосинтез. Начинают образовываться ядра:

4. Звездная (продолжается до сих пор) Звездная эра начинается после фотонной с появлением атомов H и He.

Происхождение и эволюция солнечной системы и Земли

По современным представлениям Солнце (как звезда) образовалось значительно раньше, чем планеты, примерно 5 миллиардов лет назад из газопылевой туманности (1500⁰С) звезды первого поколения.

Механизм образования планетной системы включает не только гравитацию, но и электромагнитные силы и плазменные процессы. Молодое Солнце, поскольку оно образовалось из очень горячей туманности, доходило почти до орбиты Меркурия и имело огромную корону: протуберанцы доходили до орбиты Плутона, и токи там были в сотни миллионов Ампер.

Гипотеза Шмидта (1922 г, русс.) – Солнце, возможно, захватило часть другой туманности или что-либо еще. На это указывает дифференциация по химическому составу в трех «дисках» вокруг Солнца: более тяжёлые элементы ближе к Солнцу (планеты земной группы), далее легкие – Сатурн и Юпитер, еще дальше – совсем другие, не похожие ни на что планеты. Первыми образовались планеты земной группы, а через несколько сотен миллионов лет – Сатурн и Юпитер. Круговая скорость Солнца – 2 км/с. Суммарная масса всех планет составляет 1/700 массы Солнца.

Происхождение Земли

К Солнцу магнитным полем были притянуты огромные массы железа и азота. Сутки были заметно короче, но с увеличением массы вращение замедляется. В самой Земле из-за вращения шло распределение химических элементов: более тяжёлые – в мантии и ядре, более легкие – в земной коре, а самые лёгкие образовали гидросферу и атмосферу. По исследованиям грунта радиолокационными методами возраст земли составляет 4,55 миллиардов лет (4550 ± 50 млн. лет). Земля стала разогреваться за счет вулканической деятельности, первопричиной которой является естественная радиоактивность (Процесс радиоактивного разогрева). За год Земля теряет 7,94·10²⁰ Дж энергии, но это намного меньше тепла, выделяющегося при радиоактивном распаде в недрах Земли. Первичная атмосфера Земли образовалась из-за вулканической деятельности и была восстановительной: CO₂, NH₃, HCN, CH₄. Резкое качественное изменение атмосферы Земли произошло около 2 миллиардов лет назад – появился кислород, так как произошло зарождение жизни: микроорганизмы стали, фотосинтезируя, производить его. За последние 200 миллионов лет состав атмосферы практически не изменился (воздух: N₂ ≈ 78%; O₂≈21%; инертные газы ≈ 0,98% (Ar ≈ 0,9%); CO₂ ≈ 0,032%).

По одной из теорий, Земля на определенной стадии захватила очень много льда, в частности, из хвостов комет и, возможно, Нептун, Плутон и Уран, закручиваясь, выбрасывали огромные глыбы льда.

Спектральный анализ химического состава Солнца, планет солнечной системы, метеоритов и астероидов, показал, что все они имеют единое происхождение.

Все тела солнечной системы построены в основном из небольшого числа химических элементов. После 28-го элемента таблицы Менделеева распространенность резко падает.

Дата добавления: 2014-01-20