Микро-, макро-, мегамиры

Вселенная в разных масштабах: микро-, макро- и мегамир

Критерий разделения: соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир)

Любой объект материального мира – сложное образование. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы. Система – совокупность элементов и связей между объектами. Целостность сист означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегративными свойствами.

Структурность и системная организация материи выражают упорядоченность существования материи.

Микромир - частицы элементарные и ядра атомов, атомы и молекулы.

Макромир – макроскопические тела.

Мегамир – космические системы и неограниченные масштабы.

Каждая из сфер действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Системный подход предполагает возможность понимания рассматриваемых систем более высокого уровня. Для системы обычно характерна иерархичность строения. Неживая природа: элементарные частицы, атомы, молекулы, объекты мегамира.

Живая природа: химический, биологический и социальный уровни.

На определенном этапе развития биосферы возникают особые популяции живых существ, кот благодаря своей способности к труду образовали социальный уровень . Т. о. любая из трех областей материальной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той, или иной области действительности. Структурная организация, т е системность, является способом существования материи.

Основные структуры микромира: молекулы, атомы, атомные ядра, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов.

Элементарные частицы – простейшие объекты микромира, взаимодействующие как единое целое. Известно более 300 разновидностей. В первой половине ХХ в. были открыты фотон, протон, нейтрон, позднее – нейтрино, мезоны и другие. Основные характеристики элементарных частиц: масса, заряд, среднее время жизни, квантовые числа. Все элементарные частицы, абсолютно нейтральны, имеют свои античастицы - При столкновении частиц происходит их уничтожение (аннигиляция).

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса и структура которого определяет химический элемент, к которому относится атом. Масса ядер примерно в 4000 раз больше массы входящих в атом электронов и сильно зависит от количества входящих в него частиц и энергии их связи. Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, часто называется нуклидом.

Атом — наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. Атомы различного вида в различных количествах связанные межатомными связями образуют молекулы.

Молекула — наименьшая частица вещества, несущая его химические свойства.

Молекула состоит из двух или более атомов, характеризуется количеством входящих в неё атомных ядер и электронов, а также определённой структурой.

Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами. Молекулы, образованные сотнями или тысячами атомов называются макромолекулами.

Основные структуры мегамира: планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоро­стей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и мил­лиардами лет.

Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной веще­ство в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами. На завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы.

Звезда — небесное тело, в котором происходят, происходили или будут происходить ядерные реакции. Солнце — типичная звезда спектрального класса G. Звёзды представляют собой массивные светящиеся газовые (плазменные) шары. Образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами градусов Кельвина (К), а на их поверхности — тысячами К. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. Звезды имеют отрицательную теплоемкость.

Планета — небесное тело достаточно массивное, движущееся по орбите вокруг звезды, в котором не протекают термоядерные реакции.

Планеты Солнечной системы делятся на две группы — планеты земной группы и планеты-гиганты. Для планет земной группы характерна большая средняя плотность. Можно предположить, что у Меркурия есть плотное железное ядро, в котором содержится около 60 % массы планеты; Венера имеет в своём центре ядро, более богатое железом, чем Земля; Земля же имеет сложную структурную оболочку (мантию), а ниже находится ядро, по-видимому металлическое (железное), на границе с мантией — жидкое, а у центра — твёрдое; у Марса, если и есть железное ядро, то оно невелико.У планет-гигантов очень низкая средняя плотность и специфический химический состав атмосфер. Это свидетельствуют о том, что они состоят из вещества, подобного солнечному, главным образом из водорода и гелия.

Пространственные масштабы Вселенной

Галактикой называется большая система из звёзд, межзвёздного газа, пыли и тёмной материи, связанная силами гравитационного взаимодействия. Обычно галактики содержат от 10 миллионов до нескольких триллионов звёзд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Как правило, диаметр галактик составляет от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет, а расстояния между ними исчисляются миллионами световых лет. Хотя около 90% массы галактик приходится на долю тёмной материи, природа этого невидимого компонента пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих (если не всех) галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры.

Межгалактическое пространство является практически чистым вакуумом. Существует три основных вида галактик: эллиптические, спиральные и неправильные.

Метагалактикой называется вся система скоплений галактик, из которых нам пока известна лишь часть. Галактики удаляются от нас во все стороны и тем быстрее, чем они от нас дальше..

Вселенная — обычно определяется как совокупность всего, что существует физически. Это совокупность пространства и времени, всех форм материи, физических законов и констант, которые управляют ими. Вселенная может трактоваться и иначе, как космос, мир или природа. Учение о Вселенной в целом называется космологией.

Теоретически допустимо, что при определенной средней плотности вещества и однородности свойств по всем направлениям Вселенная может быть конечной, хотя и безграничной. По-видимому, Метагалактика расширяется с замедлением.

Итоги

Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономическая единица (в Солнечной системе), световой год, парсек (межзвёздные и межгалактические расстояния)

Звезда как небесное тело, в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить реакции термоядерного синтеза

Атрибуты планеты:

- не звезда

- обращается вокруг звезды (например, Солнца)

- достаточно массивно, чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным

- достаточно массивно, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Галактики — системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением

Наша Галактика, её основные характеристики:

- гигантская (более 100 млрд. звёзд)

- спиральная

- диаметр около 100 тыс. световых лет

Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет

Вселенная, Метагалактика, разница между этими понятиями

Структуры микромира

Элементарные частицы. Фундаментальные частицы. Принцип Паули.

Элементарные частицы – мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами; иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Все элементарные частицы разделяют на три основные группы. Первую составляют так называемые промежуточные бозоны - переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения.

Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующее нейтрино. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего не состоят. Многочисленные эксперименты показали, что все фундаментальные частицы ведут себя как безразмерные точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по крайней мере до наименьших, изученных сейчас расстояний. Среди бесчисленных и разнообразных процессов взаимодействия между частицами имеются четыре основных или фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитационное.

В природе существуют две группы частиц: адроны, которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, и лептоны, не участвующие только в сильном взаимодействии.

Принцип Паули был сформулирован для электронов Вольфгангом Паули в 1925 г.

Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной квантовой системы в данном квантовом состоянии может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым числом. Принцип Паули помогает объяснить разнообразные физические явления. Следствием принципа является наличие электронных оболочек в структуре атома, из чего в свою очередь следует разнообразие химических элементов и их соединений.

Классификация элементарных частиц. Физическое поле. Физический вакуум.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они могут быть отнесены к двум основным группам. К первой группе относятся адроны, которые особенно активно участвуют в сильном взаимодействии, но могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях. Адроны, в свою очередь, делятся на барионы и мезоны. К барионам (от греч. — тяжелый) относятся элементарные частицы, обладающие полуцелым спином, масса которых не меньше массы протона. К мезонам (от греч. — средний, промежуточный) относят нестабильные адроны, обладающие целочисленным или нулевым спином. Ко второй группе элементарных частиц принадлежат лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К этой группе относится электрон, мюон, фотон, нейтрино и открытый в 1975 г. тяжелый τ-лептон. По массе они делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы.

Физическое поле (Фарадей и Максвелл).

Под этим термином понимают некоторого посредника, благодаря которому действие от одного тела передается к другому на расстоянии. Основоположники электромагнетизма скорее понимали под полем некую среду, которая подвержена динамике, может перетекать и вращаться, откуда и появились такие понятия теории поля как дивергенция и ротор. Другая школа, опирающаяся на математический формализм, была более склонна рассматривать поле как заданную в пространстве и времени математическую функцию.

Физический вакуум

Вакуум (по-латински vacuum) – пустота, т.е. пространство без материи и энергии. Физический вакуум – пространство, не содержащее реальных частиц и энергии, поддающейся непосредственному измерению. Согласно современным физическим представлениям, это наиболее низкое энергетическое состояние любых квантованных полей, характеризующееся отсутствием реальных частиц. Физический вакуум представляет собой множество всевозможных виртуальных частиц и античастиц, которые в отсутствии внешних полей не могут превратиться в реальные. Вакуум может быть представлен, как особый, виртуальный тип среды. Виртуальность среды проявляется, в частности, в невозможности выявить факт движения относительно неё никакими экспериментальными методами.

Взаимопревращения элементарных частиц. Естественная радиоактивность.

Наиболее характерным свойством элементарных частиц является их способность взаимодействовать друг с другом, в процессе которого они превращаются в иные частицы

Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным, и именно оно обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах.

Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно по своему характеру и определяет специфику связи между электронами и ядрами в атоме, а также между атомами в молекуле.

Слабое взаимодействие — наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в частности распад так называемых квазичастиц.

Гравитационное взаимодействие осуществляется на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает весьма малые эффекты.

Радиоактивность — это процесс самопроизвольного выделения энергии с постоянной скоростью, присущей данному виду ядер.

Термин «радиоактивность» был предложен Марией Кюри, одной из первых начавших исследования этого природного явления

В конце 19-го века было установлено, что соли урана самопроизвольно, без предварительного воздействия на них света, испускают лучи неизвестного происхождения. Эти лучи способны разряжать электроскоп, превращая окружающий воздух в проводник электричества. Содержащее уран вещество, положенное на фотографическую пластинку, обернутую в черную бумагу, воздействует на пластинку и на бумагу. А. Беккерель убедился, что эти свойства урана не зависят от предварительного облучения, а неизменно проявляются даже тогда, когда урансодержащее вещество долго выдерживают в темноте. Именно он открыл то явление, которое впоследствии от Марии Кюри получит название «радиоактивность».