Реферат: Структурные уровни организации материи концепции микро- макро- и мегамиров

• Вещество и поле различаются по степени проницаемо­сти: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, пол­ностью проницаемо.

• Скорость распространения поля равна скорости спета, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

В результате революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий обнаружилось, что физи­ ческая реальность едина и нет пропасти между веществом и по­ лем : поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свой­ствами, а частицы вещества, подобно полю, — волновыми.

.

3.МИКРОМИР : концепции современной физики.

1)Фундаментальные открытия в области физики конца 19-начала 20 вв.

В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого кон­цептуальные построения классической физики оказались непригодными.

В результате научных открытий были опровергнуты пред­ставления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж.Дж. Томсоном электрона — отрица­тельно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположе­ние о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существу­ют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10~¹² см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10~⁸ см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.

Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивно­сти, впервые открытой французским физиком А. А. Беккерелем Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее пред­ставление о неделимости и непревращаемости атома, заключа­ется в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер ато­мов радиоактивных элементов в результате ядерных излучений.

Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри . Ими были открыты новые элементы — полоний и радий, а также установ­лено, что в результате радиоактивного излучения атом радиоак­тивного элемента превращается в атом другого элемента Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим со­бытием в физике, поскольку оказались опровергнутыми пред­ставления классической физики об атомах как твердых и неде­лимых структурных единицах вещества.

2)Рождение и развитие представлений о квантах.

При переходе к исследованию микромира оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадок­сальной, с точки зрения классической науки, ситуацией, одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпуску­лярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физи­ком М. Плавком . В процессе работы по исследова­нию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тя­желой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях — квантах . Сумма энергий этих мельчайших порций энергии — квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универ­сальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h . E = Ну, ставшим впоследствии знамени­тым (где hy — квант энергии, у — частота).

Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был зало­жен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элемен­тарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн . В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излуче­ние вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на гос­подствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускуляр­ ную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория А.Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем свето­вая энергия, чтобы быть физически действенной, концентриру­ется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерыв­ную структуру.

Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Экспери­менты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта оп­ределяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота достаточно велика для преодоления сил связи электро­на с веществом.

Правильность такого толкования фотоэлектрического эф­фекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Откры­тое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило кванто­вую теорию света.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его вол­новые свойства, а при фотоэффекте — корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности — присущая ему порция энергии — вычислялась через чисто волновую характе­ристику — частоту у (Е=Ну).

Как и все великие естественно-научные открытия, новое уче­ние о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных про­цессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн "отбросил" в гораздо более обширной области фи­зических явлений.

Представление о квантах электромагнитного поля — фото­нах — один из наиболее фундаментальных вкладов в разработку квантовой теории. Уже поэтому А. Эйнштейн должен рас­сматриваться как один из величайших ее создателей. Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору разработать модель атома.

3)Теория атома Н.Бора.

В1913 г. великий датский физик Н. Бор применил прин­цип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при планетарной модели атома Э. Резерфорда. Модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него но своим орбитам движутся электроны. Ядро имеетположительный заряд, а электроны — отрицательный. Вместо сил тяготения, действующего в Сол­нечной системе, в атоме действуют электрические силы. Элек­трический заряд ядра атома, численно равный порядковому номе­ру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов — атом электрически нейтрален.

Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромаг­нитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излуче­ния электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказа­лась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

Модель атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состоя­ния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находя­щиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание ато­ма водорода, состоящего из одного протона и одного электро­на трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспе­риментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были свя­заны с волновыми свойствами электрона. Т.е., следует учиты­вать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимо­сти от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.

Следовательно, точно описать структуру атома на основа­нии представления об орбитах точечных электронов принципи­ально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномер­но, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других — меньше.

Теория Н.Бора представляет собой как бы пограничную по­лосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предпо­ложений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что клас­сическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома . Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.