Шпаргалка по "Концепции современного естествознания"

Все вз_действия подразделяется на 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Они имеют обменную природу, т.е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами–переносчиками. Любое вз_действийе характеризуется своей константой, которая определяет его сравнительную интенсивность, временем протекания и радиусом действия.

Сильное вз_действие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия равна приблизительно 10⁰, радиус действия порядка 10^-15, время протекания t»10^-23с. Частицы–переносчики p-мезоны.

Эл_магнитное вз_действие: константа порядка 10^-2, радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t»10^-20с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица–переносчик фотон.

Слабое  вз_действие связано со всеми видами b-распада, многие распады элем. частиц и вз_действие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10^-13, t»10^-10с. Это вз_действие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r»10^-18м. Частица–переносчик векторный бозон.

Гравитационное  вз_действие является универсальным, однако в микромире учитывается, так как его константа равна 10^-38, т.е. из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица гравитон пока не обнаружена.

Элементарные  частицы – частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома+частица, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц. Наиболее известные: электрон, фотон, π-мезон, мюон, нейтрино. В строгом смысле слова они не должны содержать в себе какие-либо другие частицы. Однако совр. исследования подтверждают существовании еще «более элем.» частиц – кварков.

Фундаментальные частицы - микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.

Во всех вз_действиях элем. частицы ведут себя как единое целое. Характеристики элем. частиц - масса покоя, эл. заряд, спин и специфические характеристики (квантовые числа, барионный заряд, гиперзаряд, странность).

Элем. частицы делятся на два больших класса: Фермионы (составляют вещество) и бозоны (переносят взаимодействие). Фермионы делятся на кварки и лептоны. Кварки входят в состав адронов. Лептоны могут иметь эл. заряд, могут быть нейтральными. Заряженные лептоны могут, как и электроны вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда могут проходить беспрепятственно через вещество (хоть через всю Землю) не вз_действуя с ним. У каждой частицы есть античастица, отличающаяся только зарядом.

Между частицами существует четыре типа вз_действия, каждое из которых переносится своим типом бозонов. Фотон, или квант света переносит эл_магн. вз_действие. Глюоны осуществляют перенос сильных ядерных вз_действий, связывающих кварки. Векторные бозоны переносят слабые вз_действия, ответственные за некоторые распады частиц.

Теория  великого объединения. Согласно современным представлениям, при очень высоких температурах (и, соответственно, энергиях) все четыре вз_действия объединяются в одно. Так, при энергии 100 ГэВ объединяются эл_магн. и слабое вз_действия, при энергии порядка 10¹⁵ ГэВ произойдет объединение эл_магн., слабого и сильного вз_действий, а при 10¹⁹ ГэВ к ним присоединится и гравитационное.

Хим. связи можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при создании молекулы ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то она может существовать, т.е. ее связь устойчива. Устойчивым считается состояние, в котором потенциальная энергия минимальна, поэтому при образовании молекулы атомы находятся в потенциальной яме, совершая небольшие тепловые колебания около положения равновесия. Расстояние от вертикальной оси до дна ямы соответствует равновесию – на этом расстоянии находились бы молекулы, если бы прекратилось тепловое движение. Точки левее дна соответствуют отталкиванию, правые – притяжению. Крутизна кривой выражает силу взаимодействия между атомами: чем круче кривая, тем больше сила взаимодействия. Для того, чтобы выбраться из ямы, нужна энергия, соответствующая глубине ямы. Поэтому глубину ямы можно назвать энергией связи частиц, или энергией ассоциации. Энергия, необходимая для разложения молекулы на атомы, называется энергией диссоциации. Она равна энергии ассоциации. Насыщаемость молекул, т.е. способность присоединять атомы, определяет их постоянный состав для данного вещества и связана с валентностью – свойством атомов (или группы атомов) соединяться с некоторым числом других атомов.

Хим. реакции – это основа химии. Одни реакции идут в обе стороны (обратимые), другие только в одну, третьи – вообще не идут. Рассмотрим условия самопроизвольного развития хим. реакции и условия ее возникновения. Допустим, вы прижгли ранку перекисью водорода (неустойчивое соединение): 2Н₂О₂®2Н₂О+О₂, но обратной реакции не будет. Термодинамика объясняет это так: реакция пойдет только при уменьшении энергии веществ и увеличении энтропии. В самом деле, энтропия растет, так как в малой молекуле воды (она меньше, чем молекула перекиси водорода) расположение атомов менее упорядочено, чем в большой. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины свободной энергии F=E–TS. В хим. реакциях обязателен и учет изменения энтропии, так как возможность реакции еще не означает, что она самопроизвольно пойдет.

Вещество может  находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном

В газах обычно расстояние между атомами и молекулами значительно больше размеров молекул и силы вз_действия между частицами практически отсутствуют. Это приводит к тому, что газы легко сжимаются и обладают свойством ∞ расширяться, что равносильно отсутствию сил притяжения. Газ, в котором можно не учитывать силы вз_действия между частицами и собственный объем частиц, называется идеальным.

В твердом теле молекулы и атомы совершают беспорядочные колебания относительно положений равновесия, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешиваются, т.е. результирующая сила равна нулю. Твердые тела можно разделить на аморфные и кристаллические. В аморфных телах физические свойства одинаковы во всех направлениях, т.к. атомы и молекулы в таких телах расположены беспорядочно. В кристаллических телах атомы и молекулы расположены в определенном порядке, поэтому физические свойства таких тел неодинаковы в различных направлениях, т.е. кристаллические тела анизотропны.

Жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Молекулы жидкости некоторое время (т.н. время оседлой жизни) колеблются около положений равновесия. Через некоторое время они перескакивают в новые положения равновесия и колеблются относительно них. Именно эти перескоки молекул и являются причиной текучести жидкости. Взаимное расположение соседних молекул в жидкости в определенной степени упорядочено, но на расстоянии 3..4d, где d – диаметр молекулы, этот порядок нарушается.

Различие между  жидким, твердым и газообразным состоянием объясняют и с энергетической точки зрения, используя зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул вещества от расстояния между ними. 1) Если ср. кинетич. энергия теплового движения во много раз меньше максимальной потенц. энергии вз_действия (E<<Е_вз), то частицы не могут ее преодолеть и будут совершать колебания около положения равновесия. Тело будет находиться в твердом состоянии. Если E≈Е_вз, то молекулы будут совершать колебания с большой амплитудой и флуктуации энергии могут привести к выходу их за пределы макс. потенц. энергии. Молекулы будут совершать колебания относительно новых положений равновесия. Это соответствует жидкому состоянию вещества. Если E>>Е_вз, то молекулы будут свободно выходить за пределы макс. потенц. энергии, почти не «ощущая» на себе ее влияния, что соответствует газу.

Переходы вещества из одного состояния в другое называются фазовыми переходами I рода. Фазовые переходы определяются внешними условиями: температурой и давлением. При высокой температуре и низком давлении мы имеем газ, при низкой температуре и высоком давлении – твердое тело. Промежуточные условия соответствуют жидкому состоянию.

В хим. системе имеют место как прямые, так и обратные реакции, причем большинство хим. реакций не идут до конца. Здесь важно понятие равновесия между прямой и обратной реакциями. В какой-то момент их скорости сравняются, и в данной системе при данных условиях установится динамическое равновесие. Вывести систему из равновесия можно, только согласно принципу, предложенному в 1984 г. Ле Шателье: внешнее воздействие, которое выводит систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого воздействия (совр. трактовка).

Ле Шателье применял этот закон в промышленных условиях для оптимизации синтеза аммиака, производства стекла и цемента, выплавки металлов, получения взрывчатых веществ. Как оказалось, катализаторы не влияют на положение равновесия: они одинаково влияют на прямую и обратную реакции, ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его.

В настоящее время  принцип Ле Шателье рассматривается как общий принцип стабильности, согласующий взаимосвязи между элементами Вселенной.

Характерной чертой материи  является ее структура, поэтому одной из важнейших задач естествознания является исследование этой структуры.

Признаки структуры  материи - размер объекта на данном уровне и его масса. В соответствии с этими представлениями выделяются следующие уровни: «микромир» - фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы. Макромир - макромолекули, вещества в различных агрегатных состояниях, живые организми(клетки, человек и продукты его деятельности, т.е. макротела). Наиболее крупные объекты (планеты, звезды, галактики и их скопления) образуют мегамир.

Между мегамиром и  макромиром нет строгой границы. Обычно полагают, что он начинается с расстояний около 10⁷ и масс 10²⁰ кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28×10⁺⁷ м, масса 6×10⁺²¹ кг. Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для их измерения вводят специальные единицы:

Астрономическая единица (а.е.)– среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5×10¹¹м. Световой год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46×10¹⁵м. Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е.=3,08×10¹⁶ м=3,26 св.г.

Небесные тела во Вселенной  образуют системы различной сложности. Так Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Все планеты – остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом. В ясную ночь мы видим множество звезд, которые составляют лишь ничтожную часть звезд, входящих в нашу Галактику. Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, видимом с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу – Млечного Пути. Возраст Вселенной равен 15…20 млрд. лет (иногда указывают среднее число – 18 млрд. лет). Возраст Солнечной системы оценивается в 5 млрд. лет, Земли – 4,5 млрд лет.