Тема 4. Уровни организации систем. Микро-, макро-, мегамир

Системы микромира

Микромир включает в себя объекты доатомного и атомного уровня организации. Первичными структурами микромира современная наука считает субъядерный уровень, на котором существуют мельчайшие частицы — кварки. Эти структуры не обнаруживаются в свободном состоянии, и все знание о них — знание косвенное, выводное. Изучение микромира включает в себя исследование элементов этих систем — субъядерных частиц, элементарных частиц (электронов, протонов, позитронов и др.) и атомов, а также процессов их взаимодействия и превращения.

Среди элементарных частиц выделяют несколько групп, которые зависят от массы покоя частицы. Фотоны — единственные элементарные частицы, не имеющие массы покоя. Остальные частицы делятся на лептоны —легкие частицы с массой, сравнимой или меньшей массы электрона (помимо самого электрона, лептонами являются позитрон и нейтрино), мезоны —средние частицы с массой до тысячи масс электрона, и барионы —частицы, чья масса покоя превосходит массу электрона более чем в тысячу раз (протоны, нейтроны).

Силы, действующие в микромире, определяются слабым, сильным и электромагнитным взаимодействием частиц. Количественно микромир оценивается на уровне размеров атома водорода — величинами – 10 порядка 10 м. Слабое взаимодействие характерно для процессов взаимопревращения частиц. Радиус действия этих сил очень мал.

Сильное взаимодействие проявляется в процессах образования атомных ядер. Его радиус действия так же очень невелик.

Электромагнитное взаимодействие характерно только для заряженных частиц. Радиус действия электромагнитного взаимодействия определяется величиной заряда частицы и свойствами среды, в которой она находится. Носителем электромагнитного взаимодействия является фотон — квант электромагнитного поля.

Рождение науки о явлениях микромира относят обычно к 1900 году, когда немецкий физик М. Планк сформулировал положение, гласящее, что энергия может распространяться не непрерывным потоком, а только лишь определенными порциями, которые Планк назвал квантами. Не может существовать энергии в виде излучения, которая количественно была бы меньше одного кванта. Планк опубликовал формулу, подчеркивающую зависимость энергии от частоты излучения:

E = hy,

где Е — суммарная величина энергии излучения

y — частота излучения

h — числовая константа, получившая название постоянной Планка.

Идея о квантовом характере излучения помогла преодолеть некоторые парадоксы ядерной физики, считавшиеся неразрешимыми. Например, на основании гипотезы о квантах Н. Бор создал свою модель атома, объяснив некоторые до того необъяснимые явления. В частности, речь шла о планетарной модели атома Э. Резерфорда. Резерфорд в 1911 г. предположил, что атом построен по принципу планетной системы, где роль Солнца играет ядро, а электроны выступают в качестве планет. Однако такая модель требовала существенной доработки из-за одного противоречия. Известно, что атомы не обладают зарядом, поскольку число положительных элементарных частиц, находящихся в ядре — протонов — равно числу отрицательно заряженных электронов, находящихся на орбитах. Однако в этом случае электроны должны были бы упасть на ядро в силу притяжения разноименных зарядов. Резерфорд сделал вывод, что электроны должны находиться в постоянном движении, для того, чтобы атом был устойчивым. Однако при движении заряженной частицы неизбежно возникает электромагнитное поле, которое должно отнимать у частицы энергию для своего поддержания. Таким образом, электрон в атоме очень быстро должен был исчерпать свою энергию и опять-таки упасть на ядро.

При приближении к ядру такой «падающий» электрон должен был бы менять частоту своего излучения, т.к. изменялась бы частота обращения электрона. Опыты же показывали, что атомы излучают свет только определенных частот, которые не меняются. Планетарная модель атома, таким образом, входила в противоречие с опытом.

Для того, чтобы разрешить эти противоречия, Бору пришлось сделать два допущения, которые принципиально отличались от классических представлений о мире, и в результате которых появились постулаты, отражающие характерные особенности микромира от других уровней организации систем. Первое допущение гласило, что на определенных орбитах электрон может двигаться вокруг ядра без потери энергии, т.е. не излучая. Такие орбиты были названы стационарными. С точки зрения классической физики подобное невозможно, однако Бор имел дело с микромиром, в котором часто невозможное становиться возможным. Второе предположение гласило, что при переходе с одной стационарной орбиты на другую электрон поглощает или излучает квант света.

Постулаты Бора не только дали возможность описать поведение электронов в атоме, но и зафиксировали некоторые характерные особенности поведения систем в микромире. Впоследствии эти постулаты привели к появлению двух принципов, которые сейчас считаются основополагающими для понимания процессов микромира. Первый из них получил название принципа неопределенности. Его автором является немецкий физик В. Гейзенберг.

Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что невозможно установить точное положение и скорость электрона на атомарной орбите. С повышением точности измерения одной характеристики точность измерения других будет снижаться.

Принцип неопределенности фактически установил ряд отличий систем микромира от привычных нам механических, термодинамических и других макросистем. В микромире невозможно описание движения электрона по принципам классической механики. Это объясняется тем, что электрон не является материальной точкой, к которой сводит движущиеся объекты механика Ньютона. Он сам по себе представляет сложную систему, структура и характеристики которой нам до конца неизвестны, к тому же эта структура может при движении изменяться. Корпускулярно-волновой дуализм применительно к электрону означает, что он представляет собой движущийся объект, в котором размер совпадает с длиной волны излучения электрона. Классическая же механика может оперировать системами, длина волны излучения которых пренебрежимо мала по сравнению с размерами системы. Только в этом случае можно сводить систему к механической точке.

Отсюда следует, что описать движение электрона по атомарной орбите с механистических позиций в принципе невозможно, поскольку нет самого объекта описания. Электрон — не твердое тело, к которому приложимы понятия «скорость» и «местоположение». Фактически принцип неопределенности утверждает, что электрон одновременно находится во всех точках своей орбиты, именно поэтому сейчас говорят не об электроне, а об электронном облаке. Электрон как бы размазан по орбите, он не существует в какой-то одной точке. О его местоположении можно говорить лишь с той или иной степенью вероятности.

Такой подход подчеркнул уникальность свойств материи микромира. Применительно к макросистемам принцип неопределенности означал бы, что тело может находиться одновременно в нескольких точках пространства, однако следует четко понимать, что к таким системам он не применим.

Принцип неопределенности подчеркивал волновую природу электрона, однако, как известно, электрон обладает и свойствами элементарной частицы. Корпускулярно-волновой дуализм был выражен в принципе дополнительности, автором которого является Бор.

Принцип дополнительности Бора утверждает, что свойства частицы и волны в электроне являются дополняющими друг друга, поэтому невозможно описание электрона одновременно с точки зрения волновой и корпускулярной природы.Бор остроумно заметил, что волна и частица — это проекция физической реальности на экспериментальную ситуацию. Разумеется, невозможно сказать, что в одни моменты времени и в определенных условиях электрон ведет себя как волна, а в другое время и в других условиях — как частица. И волновые, и корпускулярные свойства присутствуют у него постоянно, но при физических исследованиях в силу несоответствия макроприборов измерения и микросистемы электрона (и любой другой элементарной частицы) мы можем фиксировать данные либо волновых, либо корпускулярных характеристик.

Квантовая теория, возникшая при исследовании света, оказала влияние на развитие ядерной физики в целом. Понимание корпускулярно-волновой природы элементарных частиц позволило сделать предположение о волновых свойствах материи как таковой. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль опубликовал книгу «Свет и материя», в которой утверждал, что волновые свойства присущи фотонам и элементарным частицам, но и атомным ядрам, атомам в целом, молекулам и даже макроскопическим телам. В 1926 г. Э. Шредингер математически подтвердил правоту де Бройля, а в 1927 г. К. Дэвидсон и Л. Джермер опытным путем доказали существование такого волнового свойства как дифракция у атомов и молекул. Присутствие волновых свойств у любых материальных объектов было доказано, однако следует помнить, что «волны материи» описываются формулой:

λ = h : (mv)

где λ — длина волны

h — постоянная

Планка, m — масса тела, v — скорость его движения. Макроскопические объекты обладают массой, многократно превосходящей постоянную Планка, следовательно, в результате деления получается пренебрежимо малая величина. Именно поэтому проявление волновых свойств макрообъектов не наблюдается в нормальных условиях.

На уровне микромира единственной наукой, осуществляющей исследования, является физика. Однако такие формы организации вещества, как соединения атомов, изучаются и другими естественнонаучными дисциплинами. Молекулярное строение вещества и его превращения и взаимодействия на молекулярном уровне изучаются химической наукой.

Химия — наука, изучающая свойства и превращения вещества, сопровождающиеся изменением его состава и строения. Исторически химия возникла при получении человеком различных веществ, необходимых для его нужд. При превращении одного вещества в другое происходит его качественное изменение, следовательно, химия — наука о качественном и количественном превращении.

Зачатки химии возникли задолго до возникновения самого названия этой науки. Развитие металлургии и использование различных сплавов для практических повседневных нужд привело к необходимости исследовать свойства металлов, применяемых для изготовления различных предметов. Древняя химия обладала некоторыми весьма значительными достижениями. Так, в Индии был открыт метод порошковой металлургии, позволявший получить железо очень высокой чистоты, не окисляемое на воздухе. Повторное открытие этого метода произошло только в ХХ веке. В эпоху Средневековья появляется алхимия. Алхимики имели вполне конкретную цель — превращение неблагородных металлов в золото. Предполагалось, что должно существовать особое вещество — философский камень, которое позволит осуществить эту реакцию[5]. При всей наивности такого подхода можно проследить некоторые предположения алхимии, которые оказались верными, в частности — гипотеза о существовании веществ, ускоряющих протекание химической реакции. Сейчас такие вещества называют катализаторами. Явления катализа является одним из самых загадочных в химии.

Научная химия ведет официальную историю с 1860 г., когда в германском городе Карлсруэ состоялся первый Международный съезд химиков. На нем были приняты основные постулаты атомно-молекулярной теории:

— все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом движении.

— все молекулы состоят из атомов.

— атомы, как и молекулы, находятся в непрерывном движении.

— атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Как оказалось, три из четырех постулатов являются верными и с точки зрения современной науки. Однако четвертый постулат не мог быть подтвержден или опровергнут с точки зрения науки того времени, поскольку сложную структуру атома открыли намного позже. Именно открытие ядра и электронной оболочки атома позволило объяснить процесс связи атомов друг с другом.

Силы, связывающие атомы в молекулы, получили название химической связи. В ее образовании участвуют электроны, находящиеся на внешней орбите и связанные с ядром связями, менее прочными, чем остальные. Такие электроны получили название валентных. В зависимости от взаимодействия валентных электронов различных атомов разделяют три вида химической связи — ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь осуществляется за счет пары электронов, в одинаковой степени принадлежащих обоим атомам. Ковалентная связь является достаточно прочной.

Ионная связь — связь между ионами, образуемыми за счет перераспределения пары электронов. Ионная связь возникает в результате притяжения пары электронов к ядру одного из атомов, входящих в соединение. Этот атом получает отрицательный заряд, в то время как второй атом, лишившийся электрона, оказывается положительно заряженным. Ионная связь, следовательно, представляет собой силу электростатического взаимодействия, возникающего между противоположно заряженными частицами. Ионная связь так же является очень прочной, такой связью, например, связаны между собой атомы кислорода и водорода в молекуле воды.

Металлическая связь — связь ионов металла, возникающая за счет свободного перемещения в нем электронов.Металлическая связь — самая слабая из всех видов химической связи.

Природа химической связи определяется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, участвующих в химическом соединении.

Взаимодействие атомов различных веществ, приводящее к образованию нового вещества, называется химической реакцией. Следует четко представлять, что во взаимодействии могут принимать участие как различные атомы, так и атомы одного вещества, но при этом возникает новое вещество. Например, при химическом взаимодействии атомов водорода и кислорода образуется вода, молекула которой состоит из различных атомов, а при взаимодействии атомов кислорода образуется молекула кислорода, которая состоит из атомов одного вещества. Однако свойства атомарного и молекулярного кислорода отличаются. Атомарный кислород, например, является гораздо более сильным окислителем. Также в определенных условиях может образоваться молекула озона, содержащая три атома кислорода, которая имеет иные свойства, нежели молекула кислорода. Свойства химического вещества, следовательно, определяются не только составам входящих в его молекулу атомов, но и способом связи этих атомов.

Современная химия представляет собой широко разветвленную науку, состоящую из нескольких дисциплин. Разделяют неорганическую и органическую химию, аналитическую химию, физическую, коллоидную и другие.

Химические свойства элементов зависят от их строения. Эта закономерность была сформулирована в виде закона великим русским химиком Д.И. Менделеевым. Его формулировка периодического закона звучала так: свойства простых тел, а также и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. С развитием представлений о сложной структуре атома и о распределении электронов по орбитам периодический закон был уточнен и дополнен, сейчас его формулировка выглядит так: свойства простых элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома.

Сейчас существуют четыре основных проблемы, решением которых занимается химия. Это изучение состава вещества, изучение его структуры, изучение химических процессов и изучение эволюции химических веществ. Несмотря на такую «ограниченность», химические науки представляют собой систему знаний о самых разнообразных системах окружающего мира. Открытие спектра различных веществ позволило дать заключение о химическом составе небесных тел; подобные данные невозможно получить никаким другим путем. Рассмотрение природы биологических объектов позволило установить особый характер молекул, их составляющих, этими проблемами занимается биохимия. Различные технологические процессы, в которых происходит синтез веществ, используемых человеком, невозможны без химических знаний. Учение о свойствах и структуре вещества, а также о взаимопревращении веществ занимает достойное место в ряду естественных наук и служит «мостиком», соединяющим два уровня организации систем — микро— и макромир.