Микро-, макро- и мегамир

Вселенную и ее составные части обозначают обычно словом «мегамир». Молекулы, атомы и элементарные частицы составляют микромир. Тела, соизмеримые с размером человека, – это макромир.

Согласно современным представлениям материя имеет две формы существования: вещество (одна частица или их совокупность) и поле. Обе формы характеризуются пространственно-временной протяженностью, инерцией, движением, энергией. Однако в отличие от вещества полем нельзя пользоваться как объектом, с которым связана определенная система отсчета. Каждая частица создает силовое поле. Это поле действует и на ту частицу, которая это поле создает, и на поля других частиц. Это гравитационное, электромагнитное поля, а также поля слабого и сильного взаимодействий.

Поля взаимосвязаны и взаимно превращаемы. Непосредственными наблюдениями подтвержден факт отклонения света гравитационным полем Солнца. В сильных гравитационных полях, существующих вблизи далеких массивных звезд, кванты энергии гравитационного поля могут образовывать пары противоположно заряженных частиц, и наоборот, пары заряженных частиц могут образовывать гравитоны.

Взаимодействие частиц возможно представить и иначе – как процесс обмена частицами, которые существуют очень короткое время. Это время столь мало, что зафиксировать частицы невозможно, поэтому их называют виртуальными. Если виртуальной частице передать достаточную энергию, она приобретает способность существовать самостоятельно, быть обнаруженной в эксперименте. Такими переносчиками взаимодействий являются гравитоны, фотоны, промежуточные бозоны, пионы и глюоны.

Микромир.В настоящее время известны частицы, которые не делятся на более мелкие. Такие частицы называются элементарными. Их более 300 типов. Есть предположение, что истинно элементарными являются лишь некоторые из них: это лептоны, кварки, глюоны, фотоны, промежуточные бозоны и, возможно, гравитоны. Кварки в свободном состоянии не обнаружены, из кварков состоят тяжелые частицы (адроны).

Элементарные частицы можно разделить на пары, в каждой паре частица и античастица. Многие свойства членов пары одинаковы. Например, электрон и его античастица (позитрон) отличаются лишь знаками электрического заряда.

Самым характерным свойством пары является способность аннигилировать – при встрече превращаться в частицы другого рода. В частности, при встрече электрона и позитрона возникает два фотона. Предполагается, что рождаются элементарные частицы тоже парами – частица–античастица. Однако наш мир состоит из частиц, а до сих пор макрообласти, состоящие из античастиц, не обнаружены.

В современных учебниках приводится большой перечень свойств элементарных частиц. Обратите внимание на такие характеристики, как время жизни, масса и электрический заряд. Неограниченно долго живут в свободном состоянии протон, электрон, фотон и нейтрино. Масса равна нулю у фотонов, глюонов, а также, возможно, у всех типов нейтрино и гравитонов. Масса электрона кг, масса протона , примерно такова же масса нейтрона. Заряд элементарной частицы (фотона, гравитона, нейтрона, нейтрино и т. д.) ноль либо равен по абсолютной величине заряду электрона Кл. В свободном состоянии частицы с дробным электрическим зарядом не наблюдались. У кварков заряд кратен .

Атомное ядро – это система, состоящая из нуклонов (нейтронов и протонов). Известны ядра с числом нуклонов от 1 до 260. Заряды этих ядер изменяются от +1е до +107е. Электрический заряд ядра строго равен сумме зарядов всех протонов, входящих в ядро. Масса ядра всегда несколько меньше суммы масс свободных нуклонов, составляющих ядро. Плотность вещества в ядре порядка 10¹⁷ кг/м³. Размер ядра примерно 10^–15 м. Ядра могут быть устойчивыми (стабильными) и неустойчивыми (нестабильными). Периоды полураспадов известных ядер изменяются в пределах от 10¹⁸ лет до 10^–10 с.

Атом – это нейтральное образование, которое состоит из ядра и роя электронов. Атом – наименьшая структурная единица химического элемента. Электроны, наиболее удаленные от ядра, определяют химические свойства атома. Размер атома примерно 10^–10 м.

Молекула.Многие виды атомов способны объединяться в молекулы. Молекула – наименьшая структурная единица химического соединения.

Макромир.Молекулы и отдельные атомы могут объединяться в макроскопическое тело (макротело). При достаточно низких температурах макротела являются кристаллами (за исключением гелия, который вплоть до 0 K остается жидким при давлениях, меньших 25 атм). При повышении температуры кристалл плавится, превращается в жидкость. У каждого кристалла своя температура плавления.

Твердое тело и жидкость испаряются. Появляется газ.

Повышение температуры среды до 10⁴…10⁵ K ведет к ионизации атомов, образованию плазмы. Плазма состоит из ионов и свободных электронов.

Мегамир.По современным данным доступная наблюдению Вселенная имеет размер (10…20) миллиардов световых лет. Она состоит из скоплений галактик. Скопление галактик, в свою очередь, состоит из отдельных галактик и межгалактического газа. Галактика – это звездная система. Число звезд в галактике около 100 миллиардов.
Известная нам часть Вселенной содержит около 100 миллиардов галактик.

До начала XX в. мир, окружающий Землю, считался неизменным. В XX в. было обнаружено, что Вселенная расширяется. В связи с этим возникают вопросы:

Какой была Вселенная в прошлом?

Каково будущее Вселенной?

Имеющиеся данные наблюдений позволяют предположить, что около 20 миллиардов лет назад размер Вселенной не превышал размера атомного ядра. Затем произошел взрыв, началось расширение Вселенной. На вопросы о том, какой была Вселенная до взрыва и какова ее будущность (будет ли она расширяться вечно или расширение сменится сжатием), однозначного ответа нет. Но и те сведения, которыми мы располагаем сегодня, поражают воображение: ученые имеют возможность описать развитие Вселенной на протяжении 20 миллиардов лет.

В первые мгновения после взрыва температура Вселенной бы-
ла более 10¹³ K, плотность более 10²² кг/м³ (в настоящее время
3·10^–28 кг/м³), состояла Вселенная в основном из фотонов и нейтрино. В дальнейшем появились лептоны и кварки. При остывании Вселенной образовались последовательно адроны, затем через 10⁶ лет – ядра атомов водорода и гелия, из которых впоследствии сформировались холодные звезды. Под действием гравитационных сил размер звезды уменьшается, при этом температура газа увеличивается. При температуре 10⁷ K в водородной среде могут начаться ядерные реакции взаимодействия протонов, в ходе которых появляются фотоны, нейтрино и протоны с большой кинетической энергией, а также ядра гелия (₂Не⁴). Температура газа повышается до 10⁸ K. В центре звезды водород со временем выгорает, там образуется ядро из быстрых электронов и ядер гелия.

Оболочка звезды сильно расширяется и со временем рассеивается, а ядро изменяется так или иначе в зависимости от его массы и размеров. Если масса звезды примерно равна массе Солнца, возникает «белый карлик», который остывает до 0 K приблизительно за 10⁸ лет.

Если масса белого карлика очень велика (более 1,4 массы Солнца), то давление электронного газа не может противостоять силам тяготения, звезда сжимается. При плотностях 10¹²…10¹³ кг/м³ электроны «вдавливаются» в ядра, при этом протоны превращаются в нейтроны. Ядра становятся нестабильными и разваливаются, образуя нейтронный газ. Плотность нейтронной звезды 5·10¹⁷ кг/м³. Нейтронная звезда создает магнитное поле и вращается, поэтому имеет место излучение электромагнитной энергии. Так как наблюдатель на Земле фиксирует лишь отдельные импульсы излучения от такой звезды, ее называют пульсаром. Примерно за 10⁶ лет вся энергия вращения пульсара переходит в энергию излучения.

Эволюция красного гиганта может пойти и по иному пути. В его ядре температура настолько велика (Т > 10⁸ K), что начинаются ядерные реакции превращения гелия в ядра других элементов вплоть до . При этом ядро звезды сильно уплотняется, под действием гравитационного поля звезда сжимается, давление газа в звезде резко возрастает, происходит взрыв. Кинетические энергии частиц увеличиваются, начинаются ядерные реакции с выделением большого количества быстрых нейтронов. Они вступают в реакции с ядрами, возникают ядра самых тяжелых элементов. Большое количество различных ядер и электромагнитное излучение распространяются по Вселенной. Это взрыв сверхновой звезды.

Продукты взрыва служат исходным материалом для формирования звезд следующих поколений, а также планет и межзвездного газа и пыли.

Укажите названия силовых полей, которые создают микрочастицы.

При взаимодействии частиц поле одной частицы действует на поле другой частицы. Какова иная модель взаимодействия микрочастиц?

Укажите особенности кварков, отличающие их от других микрочастиц.

Укажите основное свойство пары микрочастиц «частица и ее античастица».

Сопоставьте атом и многоатомную молекулу. Укажите сходные и различные признаки.

Сопоставьте свойства газа и жидкости.

Сопоставьте свойства газа и твердого тела.

Предполагается, что 20 миллиардов лет назад Вселенная имела бль-шую плотность, высокую температуру, очень малый размер, состояла в основном из фотонов и нейтрино. Откуда же появились водород, а затем гелий?

На Земле имеются не только водород и гелий, но и многие другие атомы. Каково их происхождение?

Является ли стационарной Вселенная в настоящее время? Приведите обоснованный ответ.

литература

Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982. – 448 с.

Горбачев В.В., Безденежных В.М. Концепции современного естествознания. – М.: Экономистъ. – 2004. – 446 с.

Ефименко В.Ф. Физическая картина мира и мировоззрение. – Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 1997. – 158 с.

Мороз О.П. Свет озарений. – М.: Знание, 1980. – 208 с.

Тема 3. Строение вещества: основы
термодинамического и статистического описания

Основное достижение современного естествознания в области строения вещества формулируется так: «Все вещества состоят из атомов и молекул». Атомы – это мельчайшие частицы вещества, определяющие его свойства. Молекулы – это устойчивые соединения атомов.

1. Возникновение и развитие атомистики
в древнем мире

Идеи атомистики возникли еще в Древней Греции. Основателями атомистики считаются Левкипп и Демокрит (около 460–370 гг. до н. э.). Основные положения атомистики Демокрита заключаются в следующем.

Из ничего не происходит ничего. Ничто существующее не может быть разрушено. Все изменения происходят благодаря соединению и разложению частей.

Ничто не совершается случайно, но все совершается по какому-нибудь основанию и с необходимостью.

Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все другое только воззрение.

Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме. В вечном падении через бесконечное пространство большие, которые падают скорее, ударяются о меньшие; возникающие из этого боковые движения и вихри служат началом образования мира. Бесчисленные миры образуются и снова исчезают одни рядом с другими и одни после других.

Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами не существует. В атоме нет никаких «внутренних состояний»; они действуют друг на друга только путем давления и удара.

Душа состоит из тонких, гладких и круглых атомов, подобных атомам огня. Эти атомы наиболее подвижны, и движения их, проникающие в тело, производят все жизненные явления1.

Учение Демокрита продолжил афинский философ Эпикур (341–270 гг. до н. э.), взгляды которого описал римский философ и поэт Лукреций Кар (около 99–55 гг. до н. э.) в поэме «О природе вещей». Эпикур принял учение Демокрита об атомах, но дополнил его идеи положением о том, что беспорядочное движение атомов происходит из-за небольших случайных отклонений атомов от прямолинейного пути в некоторые моменты времени. Таким образом, Эпикур отвергает строгий детерминизм Демокрита и вводит случайность в научный анализ. Эпикур и Лукреций считали, что это необходимо для объяснения поведения животных и людей, обладающих свободой воли. Вот как Лукреций представляет движение атомов:

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает

В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,

Множество маленьких тел в пустоте ты увидишь, которые

Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света;

Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах,

В схватке бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя.

Или сходясь, или врозь беспрерывно опять разлетаясь.

Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно

Первоначала вещей2 в пустоте необъятной мятутся.

Так о великих вещах помогают составить понятие

Малые вещи, пути намечая для их постиженья.

(Цитируется по П.С. Кудрявцев. Курс истории физики. М.: Просвещение, 1982. с. 27).

Однако далеко не все философы в Древнем мире принимали учение об атомах. Многие ученые мужи отрицали существование атомов, а Платон прямо приказывал своим ученикам истреблять сочинения Демокрита. Сегодня взгляды Демокрита – Эпикура являются основой так называемой молеклярно-кинетической теории.

2. Основные положения
молекулярно-кинетической теории

Молекулярно-кинетическая теория – это основа современного учения о строении и свойствах вещества. Она базируется на трех основных положениях.

Все вещества состоят из атомов и молекул. Хотя эта идея возникла еще в Древней Греции, она не была общепринятой вплоть до XX в. Так, в начале XX в. венский физик и философ Эрнст Мах (1838–1916) на заседаниях своего философского кружка, объединявшего физиков и философов, останавливал всякие дискуссии об атомах вопросом: «Вы видели хотя бы один атом?» Он считал, что представления об атомах являются продуктами чистой фантазии подобно привидениям. При этом Э. Мах вовсе не был реакционером в физике. Известны понятия числа Маха и конуса Маха в аэродинамике. Идеи Маха в области механики высоко ценили А. Эйнштейн и Г. Герц.

Первые экспериментальные доказательства этого положения молекулярно-кинетической теории были обнаружены средневековыми химиками. Это законы равных и кратных отношений.

Закон равных отношений заключается в том, что для получения какого-либо вещества из двух других необходимо брать определенное отношение масс этих исходных веществ. Если какого-либо вещества будет больше, то оно останется неиспользованным. Например, чтобы получить воду из водорода и кислорода, надо взять кислорода в восемь раз больше (по массе), чем водорода: 2H₂ + O₂ = 2H₂O.

Закон кратных отношений заключается в следующем. Допустим, из двух веществ можно получить несколько различных веществ. Например, из азота и кислорода можно получить пять различных соединений. В современных обозначениях они запишутся так: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅. Если взять некоторое количество азота, то чтобы получить из него только одно из этих пяти веществ, надо брать кратные количества кислорода. Например, возьмем 7 г азота. Тогда

7 г N₂ + 4 г O₂ = 11 г N₂O,

7 г N₂ + 8 г O₂ = 15 г NO,

7 г N₂ + 12 г O₂ = 19 г N₂O₃,

7 г N₂ + 16 г O₂ = 23 г NO₂,

7 г N₂ + 20 г O₂ = 27 г N₂O₅.

Рис. 3.1. Электронограммы высокого разрешения
для межфазной границы BaF₂ на InP

(Нараянамурти В. Кристаллические полупроводниковые гетероструктуры. Физика за рубежом. – М.: Мир,
1986. – С. 119).

Эти законы указывают на то, что вещества состоят из атомов, которые, соединяясь друг с другом, образуют молекулы. Возможность увидеть атомы и молекулы появилась только в последнее время с развитием современных физических методов и особенно электронной микроскопии. Сейчас мы смело можем ответить на вопрос Э. Маха: «Да, мы не только видели атомы, но даже сфотографировали их» (рис. 3.1).

Атомы и молекулы находятся в постоянном хаотическом движении. Это положение объясняет распространение одних веществ в среде других (распространение запахов в воздухе, красок в воде и др.) Впервые наиболее яркое доказательство этого положения обнаружил английский биолог Р. Броун в 1827 г. Он наблюдал под микроскопом частицы цветочной пыльцы, взвешенной в воде. Он обнаружил, что мелкие частицы постоянно совершают беспорядочное движение. Это явление было названо броуновским движением. Оказалось, что не только частицы пыльцы, но и любые другие мелкие частицы совершают броуновское движение в любой жидкости. Сам Броун считал, что он открыл природу жизни, что все вещества являются живыми. Теорию этого явления поняли и объяснили в 1905–1906 гг. А. Эйнштейн и польский физик М. Смолуховский. Они предположили, что в результате хаотического движения молекул жидкости возникают флуктуации давления жидкости на поверхность броуновской частицы. Это давление создает силу, которая может быть направлена в любую сторону и постоянно меняет свои величину и направление. В результате броуновская частица совершает хаотическое движение. А. Эйнштейн создал теорию этого явления, которая оказалась настолько плодотворной, что дала возможность из экспериментов по броуновскому движению определить постоянную Авогадро (число атомов в одном моле любого вещества N_A = 6·10²³ моль^–1).

Атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом: на малых расстояниях отталкиваются, на больших – притягиваются.Это положение доказывается упругими свойствами твердых тел, которые сопротивляются как их сжатию, так и растяжению.

Рис. 3.2. Типичная зависимость потенциальной энергии взаимодействия атомов от расстояния
между ними

Современные физические методы позволяют измерять силы взаимодействия между молекулами и атомами, а современные физические теории – вычислять эти силы. Сила взаимодействия между атомами считается положительной, если атомы отталкиваются друг от друга, и отрицательной – если притягиваются. Взаимодействие между молекулами и атомами в веществе характеризуется потенциальной энергией. Если потенциальная энергия возрастает при увеличении расстояния между атомами, то атомы притягиваются друг к другу, а если убывает, то отталкиваются друг от друга. Если потенциальная энергия имеет минимум, то в нем уравновешиваются силы притяжения и отталкивания между атомами, т. е. на этом расстоянии атомы находятся в равновесии. Типичная зависимость потенциальной энергии взаимодействия и силы взаимодействия между двумя атомами от расстояния между ними приведена на рис. 3.2.