Модуль 3 фундаментальные законы и принципы

1. Физика – фундаментальная отрасль естествознания. Физика – это наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Термин «физика» в переводе с древнегреческого означает «природа». Физика зародилась в недрах натурфилософии и является основой естественно-научного познания. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения физика подразделяется на механику, термодинамику, электродинамику, физику элементарных частиц, ядерную физику, физику плазмы и т. д. На стыке физики с другими естественными науками возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и др. Физика тесно связано с философией. Такие крупные открытия как закон сохранения и превращения энергии, второе начало термодинамики, соотношение неопределенностей по сей день являются ареной острой борьбы между сторонниками разных философских течений.

Всю историю развития физики можно разделить на три этапа:

1. Этап доклассической физики охватывает период от античности до конца XVI века. В этот период наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов. Открывает этап доклассической физики геоцентрическая система мировых сфер Аристотеля: система идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой для земных и небесных тел. Завершил создание этой системы древнегреческий астроном Клавдий Птолемей. На этом же этапе через полторы тысячи лет польский математик и астроном Н. Коперник предложил новую достаточно совершенную систему гелиоцентрическую. Вершиной гелиоцентрической системы стали законы движения планет, открытые немецким астрономом Иоганном Кеплером. Наиболее значимый вклад натурфилософии была концепция атомизма – дискретного строения материи. Отцами этой концепции были Левкипп (V век до н. э.) (выдвинул эту гипотезу), Демокрит и Эпикур (развили ее). Согласно концепции атомизма все тела состоят из атомов – мельчайших неделимых частиц. Демокрит говорил, что в природе существуют только атомы и пустота.

2. Начало этапа классической физики связывают с работами итальянского ученого Г. Галилея и с трудами английского математика, механика, астронома и физика И. Ньютона, основоположника классической физики. Второй этап длился около трех веков – до конца XIX века. Галилей заложил основу первой в истории науки физической картины мира – механистическую. Он обосновал гелиоцентрическую систему Коперника, открыл закон инерции, разработал методологию нового способа описания природы – научно-теоретического. Суть метода заключался в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механистическая система. Этап классической физики характеризуется крупными достижениями не только в классической механике, но и в других отраслях: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме. Важнейшие из этих открытий:

· Установлены опытные газовые законы;

· Предложено уравнение кинетической теории газов;

· Сформулированы принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики;

· Открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции;

· Разработана электромагнитная теория;

· Явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование;

· Сформулированы законы поглощения и рассеивания света;

· Разработана электромагнитная теория;

· В физику введена квантовая концепция.

С введением квантовой концепции начинается третий этап развития физики.

3. Характерной особенностью третьего этапа развития физики – этапа современной физики, является то, что наряду с классическими представлениями развиваются представления квантовые. На основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц. В формировании квантово-механистических представлений важную роль сыграла квантовая теория фотоэффекта, предложенная А. Эйнштейном в 1905 году. В развитие современной физики существенный вклад внесли многие выдающиеся ученые, среди которых следует назвать датского физика Нильса Бора, создавшего квантовую теорию атома; немецкого физика-теоретика Вернера Гейзенберга, сформулировавшего принцип неопределенности и предложившего матричный вариант квантовой механики; австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, разработавшего волновую механику и предложившего ее основное уравнение; английского физика Поля Дирака, разработавшего релятивистскую теорию движения электрона и на ее основе предсказавшего существование позитрона; английского физика Эрнста Резерфорда, создавшего учение о радиоактивности и строении атома. Одно из крупнейших достижений физики XX века – это создание транзистора американскими физиками Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли (1956г.). С этого открытия начала свое развитие новая отрасль естествознания - микроэлектроника. В 1958 году была собрана первая интегральная схема. В 1954 году российскими учеными Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом был разработан квантовый генератор на молекулах аммиака – источник электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне (мазер). В настоящее время существует много модификаций квантовых генераторов, в том числе оптические квантовые генераторы – лазеры. В 1986 году немецким физиком Г. Беднорцем и швейцарским физиком А. Мюллером открыта высокотемпературная сверхпроводимость.

2. Материя и ее свойства. Материя – бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и форм движения. Она включает в себя не только непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны человеку в его ощущениях.

Неотъемлемым свойством материи является движение, непрерывность и дискретность. Движение материи представляет собой любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействия. В природе наблюдаются различные виды движения материи: механическое, колебательное и волновое, тепловое движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы, радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы. Все виды материи дискретны, то есть состоят из частиц, и непрерывны.

На современном этапе развития естествознания исследователи различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество представляет собой вид материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относят: элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул.

Физическое поле представляет собой особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям относят: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля.

Физический вакуум – это низшее энергетическое состояние квантового поля.

Всеобщими универсальными формами существования и движения материи принято считать время и пространство.

Время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого процесса и явления.

Пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Теория пространства – геометрия Евклида – создана более 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории.

3. Фундаментальные взаимодействия. Основной причиной движения материи является взаимодействие. Взаимодействие универсально, то есть присуще всем материальным объектам вне зависимости от их природы происхождения и системной организации. В классической физике взаимодействие определяется силой, с которой один объект действует на другой. Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом – основными характеристиками их движения. Вплоть до конца XIX века в науке господствовала концепция дальнодействия - предложена Р. Декартом. Ее суть в том, что взаимодействие передается через пустое пространство мгновенно даже на большом расстоянии. В дальнейшем, экспериментальные исследования показали несостоятельность данной концепции. В результате была сформулирована концепция близкодействия, которая говорит о том, что взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Как показали физические исследования, все известные взаимодействия относятся к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.

► Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя материальными точками массой m₁ и m₂, расположенными на расстоянии r друг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними

F = G [(m₁*m₂): r²], где G – гравитационная постоянная. Законом всемирного тяготения описывается падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. д. В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.

► Электромагнитное взаимодействие обуславливается электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение и упругость определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики, такими как закон Кулона, закон Ампера, и – в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.

► Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер: чем сильнее взаимодействие нуклонов, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается, и ядро может распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева. Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

►В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно проявляется главным образом в процессах β-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы – частицы с массой примерно в 100 раз больше массы протонов и нейтронов.

Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют константу взаимодействия и радиус действия.

Таблица 1. Характеристики фундаментальных взаимодействий

Вид взаимодействия	Константа взаимодействия	Радиус действия, м	Источник
Гравитационное	10-39	∞	Масса
Электромагнитное	10-2	∞	Электрически заряженные частицы
Сильное		10-15 м	Частицы, входящие в состав ядер (протоны, нейтроны)
Слабое	10-14	10-18 м	Элементарные частицы

Предполагается, что при относительно больших энергиях взаимодействия частиц или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, то есть представляют собой одно взаимодействие. Такие экстремальные условия существовали в начальный момент зарождения Вселенной. Поэтому одной их важнейших задач современного естествознания является создание единой теории фундаментальных взаимодействий, которая объединит все виды выше перечисленных взаимодействий.

4. Структурные уровни организации материи. В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в единое целое.

Система представляет собой совокупность элементов и связей между ними. Понятие «элемент» означает минимальный, далее неделимый компонент в рамках системы. Неделимым он является лишь по отношению к данной системе, в других же отношениях он сам может быть системой.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы. Существуют два типа связей между элементами системы: по «горизонтали» и по «вертикали».

Связи по «горизонтали – это связи координации между однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие части.

Связи по «вертикали» - это связи субординации, то есть соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает уровни организации системы, а также их иерархию.

Исходным пунктом всякого системного исследования является представление о целостности изучаемой системы.

Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми свойствами. Свойства системы не является суммой свойств элементов ее составляющих. Свойства системы определяются взаимодействием ее элементов.

Согласно современным научным взглядам, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Все системы делятся на закрытые, в которых отсутствуют связи с внешней средой, и открытые, связанные с внешней окружающей средой. Закрытой система может быть только теоретически. Реальные природные системы открытые, так как обмениваются с внешней средой информацией, энергией и веществом. В естественных науках выделяют два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют физический вакуум, элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетарные системы, звезды и звездные системы – галактики, системы галактик – метагалактику.

В живой природе к структурным уровням организации материи относят системы доклеточного уровня – нуклеиновые кислоты и белки; клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы; биосферу как всю массу живого вещества.

В природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы – биогеоценозы.

В науке выделяют три уровня строения материи:

1. Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах и годах.

2. Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^{-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24} с.

3. Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

5. Элементарные частицы. Элементарные частицы – основные структурные элементы микромира. Элементарные частицы могут быть составными (протон, нейтрон) и несоставными (электрон, нейтрино, фотон). К настоящему времени обнаружено более 400 частиц и их античастиц. Элементарные частицы классифицируют по следующим признакам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимодействия, времени жизни частиц, спину. В зависимости от массы покоя частицы (масса покоя определяется по отношению к массе покоя электрона, которая считается самой малой) выделяют:

· Фотоны – частицы, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света;

· Лептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино);

· Мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона (пи-мезон, ка-мезон);

· Барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтрино).

В зависимости от электрического заряда выделяют:

· Частицы с отрицательным зарядом (электроны);

· Частицы с положительным зарядом (протон, позитрон);

· Частицы с нулевым зарядом (нейтрино);

· Частицы с дробным зарядом (кварки).

С учетом типа фундаментального взаимодействия, в котором участвуют частицы, среди них выделяют:

· Адроны, участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

· Лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

· Частицы – переносчики взаимодействий (фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, гравитоны – переносчики гравитационного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, промежуточные векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия).

По времени жизни частицы делятся на стабильные (до 10^-10 с), квазистабильные
(10^-24-10^-26 с) и нестабильные (10^-10-10^-24 с).

6. Тепловое излучение. Рождение квантовых представлений. В конце XX века волновая теория не могла объяснить и описать тепловое излучение во всем диапазоне частот электромагнитных волн. А то, что тепловое излучение, и в частности свет, является электромагнитными волнами, стало научным фактом. Дать точное описание теплового излучения удалось немецкому физику М. Планку в 1900 году. Планк установил, что тепловое излучение (электромагнитная волна) испускается не сплошным потоком, а порциями (квантами). Согласно формуле Планка энергия каждого кванта пропорциональная частоте электромагнитной волны: E=hν, где h – постоянная Планка, равная 6,62 x 10^-34 Дж^. с. На основе квантовых представлений А. Эйнштейн в 1905 году разработал теорию фотоэффекта, который гласит: свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, он излучается, распространяется и поглощается квантами. Кванты света стали называть фотонами.

7. Гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств частиц. Французский ученый Луи де Бройль в 1924 году выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма: поскольку свет ведет себя в одних случаях как волна, а в других – как частица, то и материальные частицы в силу общности законов природы должны обладать волновыми свойствами. В 1927 году эту гипотезу экспериментально подтвердили физики К. Дэвиссон и Л. Джермер, получив дифракционную картину электронов.

8. Опыты Резерфорда. Модель атома Резерфорда. В 1911 году Резерфорд провел исключительные по своему значению эксперименты, доказавшие существование ядра атома. Для исследования атома Резерфорд применил его бомбардировку с помощью ά- частиц, которые возникают при распаде полония и радия, имеют положительный заряд и являются ядрами атомов гелия. Полоний помещался внутрь свинцового футляра, вдоль которого высверлен узкий канал. Пучок ά-частиц, пройдя канал и диафрагму, падал на золотую фольгу. После фольги ά-частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение частиц с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), обусловленной флуоресценцией, которая наблюдалась в микроскоп. При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок из сцинтилляций, вызываемых тонким пучком ά-частиц. Когда на пути пучка помещалась фольга, то подавляющее большинство ά-частиц все равно не отклонялось от своего первоначального направления, то есть проходило сквозь фольгу, как если бы она представляла собой пустое пространство. Однако имелись ά-частицы, которые изменяли свой путь и даже отскакивали назад. При подсчете выяснилось, что одна из 2 тысяч ά-частиц отклонялись на углы, большие 90⁰, а одна из 8 тысяч – на 180⁰. Объяснить этот результат на основе других моделей атома, в частности Томпсона, было нельзя. Резерфорд теоретически рассмотрел задачу о рассеянии ά-частиц в кулоновском электрическом поле ядра и получил формулу, позволяющую определить число N элементарных положительных зарядов, содержащихся в ядре атомов данной рассеивающей фольги. Опыты показали, что число N равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева, то есть N = Z. Таким образом, гипотеза Резерфорда о сосредоточении положительного заряда в ядре атома позволила установить физический смысл порядкового номера элемента в периодической системе элементов.

Обобщая результаты опытов по рассеиванию ά-частиц золотой фольгой, Резерфорд установил: 1) атомы по своей природе в значительной мере прозрачны для ά-частиц; 2) отклонения ά-частиц на большие углы возможны только в том случае, если внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, создаваемое положительным зарядом, связанным с большой и сконцентрированной в очень малом объеме массой. Для объяснения этих опытов Резерфорд предложил следующую ядерную модель атома: в ядре атома сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса атома. Частицы, составляющие ядро автор назвал протонами. Вокруг ядра движутся по замкнутым орбитам отрицательно заряженные электроны. По мнению Резерфорда, электроны не падают на ядро потому, что электрические силы притяжения между ядром и электронами уравновешиваются центробежными силами, обусловленными вращением электронов вокруг ядра. Основная часть атома составляет пустое пространство. Так как ядерная модель атома Резерфорда напоминает солнечную систему, то ее назвали «планетарной».

Недостатки «планетарной» модели атома заключаются в двух противоречиях. Первое 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 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 Максвелла.

9. Сущность электромагнитной теории Максвелла. В 1860-ые годы Дж. Максвелл, развивая представления М. Фарадея об электромагнитном поле, создал теорию электромагнитного поля. Согласно закону Фарадея, любое изменение магнитного потока приводит к возникновению электромагнитной индукции, которая характеризуется электродвижущей силой. Электромагнитная индукция возникает только тогда, когда на носители электрического тока действуют сторонние силы, то есть силы неэлектростатического происхождения. Тогда возникает вопрос: какова же природа сторонних сил? Максвелл предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое обуславливает индукционный ток в контуре. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым. Согласно Максвеллу, если переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то возможно и обратное: изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Электрическое и магнитное поля неразрывно взаимосвязаны и образуют единое электромагнитное поле.

10. Теория Н. Бора. Постулаты Н. Бора. Преодоление возникших трудностей с планетарной моделью атома было совершено Нильсом Бором в 1913 году путем создания качественно новой – квантовой теории атома, которая связала эмпирические закономерности спектров водорода, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. Модель атома Бора базировалась на планетарной модели атома Резерфорда и на разработанной им квантовой теории, в основу которой он положил три постулата:

· Постулат стационарных состояний: в атоме электроны могут двигаться только по определенным, так называемым «разрешенным», или стационарным, круговым орбитам, на которых они, не смотря на наличия у них ускорения, не излучают электромагнитных волн.

· Правило частот: атом излучает или поглощает квант электромагнитной энергии при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.

· Правило квантования: на стационарных орбитах момент импульса электрона кратен величине, которая называется постоянной Планка.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, и хорошо согласовалась с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы столкнулось с трудностями. Необходимо было учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. Описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, так как таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы неравномерно размазаны по атому, таким образом, что в некоторых точках усреднения по времени электронная плотность заряда больше, а в других – меньше. Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного заряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой (оболочкой) электрона. Чтобы определить местоположение электрона на орбите (оболочке) необходимо воспользоваться уравнением Шредингера, которое описывает движение электрона в атоме. Волновую функцию, введенную Э. Шредингером в 1926 году, физически интерпретировал Макс Борн: квадрат волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме. Полное описание состояния электрона в атоме связано с энергией и квантовыми числами (n,l,m_l,m_s). Квантовые числа n и l характеризуют размер и форму электронного «облака», квантовое число m_l– ориентацию этого «облака» в пространстве, а m_s - собственное внутреннее движение электрона. Последнее квантовое число – спиновое число – определяет симметрию или антисимметрию волновой функции: если при перестановке частиц местами волновая функция не меняет знака, то она называется симметричной, если меняет – антисимметричной.

11. Многоэлектронный атом. Принцип Паули. В многоэлектронном атоме, заряд которого равен Ze, электроны будут занимать различные оболочки. При движении вокруг ядра Z-электроны располагаются в соответствии с квантово-механистическим законом, который называется принципом Паули:

1. В любом атоме не может быть двух одинаковых электронов, определяемых набором четырех квантовых чисел: главного n, орбитального l, магнитного m_l и магнитного спинового m_s.

2. В состояниях с определенным значением могут находиться в атоме не более 2n² электронов.

Значит, на первой оболочке могут находиться только 2 электрона, на второй – 8, на третьей – 18 и т. д. Таким образом, совокупность электронов в многоэлектронном атоме, имеющих одно и то же главное квантовое число n, называют электронной оболочкой. Принцип Паули дал возможность теоретически обосновать периодическую систему элементов Менделеева, создать квантовую статистику и современную теорию твердых тел.

12. Основные понятия ядерной физики. Радиоактивность. Ядра всех атомов можно разделить на два больших класса: стабильные и радиоактивные. Стабильные ядра можно преобразовать путем взаимодействия их друг с другом или с различными микрочастицами, а нестабильные ядра распадаются самопроизвольно. Любое ядро заряжено положительно, и величина заряда определяется количеством протонов в ядре. Количество протонов и нейтронов в ядре определяет массовое число ядра. В то время как заряд ядра равен сумме зарядов входящих в него протонов, масса ядра не равна сумме масс отдельных свободных протонов и нейтронов. Она несколько меньше этой суммы. Это объясняется тем, что для связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре требуется энергия связи. Каждый нуклон, попадая в ядро, выделяет часть своей массы для формирования внутриядерного сильного взаимодействия, которое «склеивает» нуклоны в ядре, что приводит к уменьшению массы ядра на так называемый дефект массы. Наиболее устойчивы средние ядра, так как они имеют большую энергию связи. Менее устойчивы тяжелые и легкие ядра. Из одного тяжелого ядра можно получить два средних ядра, при этом выделяется энергия. Так, при бомбардировке ядра урана свободными нейтронами образуется огромная энергия, два средних ядра и два новых свободных нейтрона. Последние вызывают деление других ядер урана – в результате образуется цепная реакция. Этот способ получения энергии используется в ядерных боеприпасах и управляемых ядерных энергетических установках на электростанциях и на транспортных объектах с атомной энергетикой.

Кроме этого способа получения атомной энергии есть и другой – слияние двух легких ядер в более тяжелое ядро. Процесс объединения идет при сверхвысоких температурах и поэтому называется термоядерной реакцией. Термоядерные реакции идут на звездах и на Солнце.

Радиоактивностью называется самопроизвольное преобразование одних ядер в другие. Спонтанный распад изотопов ядер в условиях природной среды называют естественной, а в условиях лабораторий в результате деятельности человека – искусственной радиоактивностью. Естественную радиоактивность открыл французский физик Анри Беккерель в 1896 году. Продолжили изучение естественной радиоактивности Мария и Пьер Кюри. Искусственная радиоактивность открыта и исследована супругами Ирен и Фредериком Жолио-Кюри. Необходимо отметить, что принципиального отличия между этими двумя типами радиоактивности нет.

Известны три основных вида радиоактивного излучения: ά-, β- и γ-излучение.

1. ά-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и слабой проникающей способностью. Оно представляет собой поток ядер гелия. Заряд ά-частиц положителен и по модулю равен двойному заряду электрона.

2. β-излучение также отклоняется электрическим и магнитным полями. Оно характеризуется сравнительно слабой ионизирующей способностью и относительно высокой проникающей способностью. Одна из разновидностей β-излучения – поток быстрых электронов.

3. γ-излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным полем. Обладает сравнительно слабой ионизирующей способностью и очень высокой проникающей способностью. γ-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны, что и обуславливает его высокую проникающую способность.

12. Пространство, время, принципы относительности. Вопросы пространства и времени всегда интересовали человеческое общество. Одна из концепций этих понятий идет от древних атомистов – Демокрита и Эпикура. Они ввели в научный оборот понятие пустого пространства и рассматривали его как однородное и бесконечное.

В процессе создания общей картины мироздания И. Ньютон также занимался вопросом понятия пространства и времени. По Ньютону, мир состоит из материи, пространства и времени, которые независимы друг от друга. Материя у Ньютона размещается в бесконечном пространстве, а ее движение происходит в пространстве и времени. Ньютон разделял пространство на абсолютное и относительное. Абсолютное пространство неподвижно и бесконечно. Относительное пространство – это часть абсолютного. Так же он классифицировал и время. Под абсолютным, истинным (математическим) временем автор понимал время, которое течет всегда и везде равномерно, безотносительно к каким-либо событиям, а относительное время, с его точки зрения, есть мера продолжительности, которая существует в реальной жизни. Абсолютное пространство и абсолютное время, по мнению автора, представляют собой вместилище всех материальных тел и пространств и не зависят ни от этих тел, ни от этих процессов, ни друг от друга.

Изучив и выявив закономерности движения, Ньютон сформулировал законы движения:

1. Всякое материальное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или прямолинейного равномерного движения называется инертностью.

2. Ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела.

3. Силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению.

Систему, в которой выполняется первый закон Ньютона, Галилей назвал инерциальной. Инерциальные системы – это такие системы, в которых справедлив закон инерции (1-ый закон Ньютона). Опытным путем доказано, что гелиоцентрическую систему отсчета можно считать инерциальной, а геоцентрическую – неинерциальной.

Для инерциальных систем отсчета выполняется механический принцип – принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму. Этот принцип означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, то есть, инвариантны по отношению к преобразованию координат.

Французский физик А. Пуанкаре распространил механический принцип относительности на все электромагнитные явления. А. Эйнштейн использовал этот принцип для специальной теории относительности (СТО), постулаты которой он предложил в 1905 году:

· Постулат первый – принцип относительности – никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не позволяют обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно. При этом пространство и время связаны и зависимы друг от друга (у Галилея и Ньютона пространство и время независимы друг от друга). Этот постулат потребовал отказаться от ньютоновского дальнодействия.

· Постулат второй - принцип инвариантности скорости света – скорость света в вакууме не зависит от скорости движения его источника или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Этот постулат Эйнштейн предложил после анализа электродинамики Максвелла.

В теории относительности предложены принципиально новые оценки пространственно-временных отношений между физическими объектами (релятивистские эффекты). Под релятивистскими эффектами в теории относительности понимают изменения простанственно-временных характеристик тел при скоростях, соизмеримых со скоростью света. В качестве примера обычно рассматривается космический корабль, который летит со скоростью, соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:

1. Увеличение массы по сравнению с массой покоя. Эйнштейн доказал, что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии.

2. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения.

3. Замедление времени.

Результатом развития специальной теории относительности является общая теория относительности (ОТО), которая опубликована Эйнштейном в 1916 году. Она основывается на двух постулатах СТО и формулирует третий постулат – принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Важнейшим выводом ОТО является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных характеристик в гравитационных полях, а не только при движении с большими скоростями. В ОТО орбиты планет незамкнуты. Эффекты ОТО играют определяющую роль в объяснении появлении «черных дыр»: «черная дыра» возникает тогда, когда звезда сжимается настолько сильно, что существующее гравитационное поле не выпускает во внешнее пространство даже свет. В 1918 году А. Эйнштейн предсказал на основе ОТО существование гравитационных волн: массивные тела, двигаясь с ускорением, излучают гравитационные волны. На основании уравнений относительности отечественный математик-физик А. Фридман в 1922 году нашел новое космологическое решение уравнений ОТО. Это решение указывает на то, что наша Вселенная не стационарна, она непрерывно расширяется. Фридман нашел два варианта решения уравнений Эйнштейна, то есть два варианта возможного развития Вселенной. В зависимости от плотности материи Вселенная или будет и далее расширяться, или через какое-то время начнет сжиматься.

Рассматривая второй и третий законы движения Ньютона, мы получим закон сохранения количества движения (закон сохранения импульса), который гласит следующее: если сумма внешних сил равна нулю, то импульс системы остается постоянным при любых происходящих в ней процессах. Этот закон справедлив не только для объектов классической физики, но и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся принципам квантовой механики. Иными словами, импульс замкнутой системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени. То же самое можно сказать и про момент импульса, который является физической величиной описывающей вращающееся тело.

Свойство неуничтожимости материи и ее движения проявляется в законе сохранения энергии. Энергия – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Кинетическая энергия механической системы – это энергия механического движения этой системы. Энергия движущегося тела в данном случае возрастает на величину затраченной работы, которая совершает сила, перемещающая данное тело. Потенциальная энергия – это энергия системы тел, которые взаимодействуют посредством силовых полей. Работа, совершаемая этими силами, при перемещении тела из одного положения в другое не зависит от траектории движения, а зависит от начального и конечного положения тела в силовом поле. Полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии. Закон сохранения энергии, который был сформулирован в 1686 году Лейбницом, гласит: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, то есть не изменяется со временем. При этом могут происходить превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, когда работа не зависит от траектории перемещения. Если работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела, то такая сила называется диссипативной. Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы, называются консервативными системами. Поэтому закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется. В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие формы энергии. Такой процесс называется диссипацией, или рассеиванием энергии. Все реальные системы в природе диссипативные. Физическая сущностьзакона сохранения и превращения энергии заключается в том, что энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой.

На всех структурных уровнях материального мира справедлив и закон сохранения заряда: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов системы остается неизменной во времени, какие бы процессы ни происходили внутри этой замкнутой системы. Закон сохранения заряда вместе с законом сохранения энергии характеризует устойчивость электрона.

Для понимания свойств объектов природы и природных процессов важен принцип инвариантности относительно смещения в пространстве и во времени. Этот принцип формулируется следующим образом: смещение в пространстве и во времени не влияет на протекание физических процессов. Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований называется симметрией. Симметрии делят на пространственно-временные и внутренние. Внутренние симметрии относятся только к микромиру. В физикесимметрия определяется следующим образом: если физические законы не меняются при определенных преобразованиях, то считается, что эти законы обладают симметрией относительно этих преобразований. К пространственно-временным физическим симметриям относят:

· Сдвиг времени. Изменение начала отсчета не изменяет физических законов. Время однородно по всему пространство.

· Сдвиг системы отсчета пространственных координат. Такая операция не изменяет физических законов. Все точки пространства равноправны, и пространство однородно.

· Поворот системы отсчета пространственных координат также сохраняет физические законы неизменными – значит, пространство изотропно.

· Классический принцип относительности Галилея устанавливает симметрию между покоем и равномерным прямолинейным движением.

· Обращение знака времени не изменяет фундаментальных законов в макромире, то есть процессы макромира могут описываться и при обращении знака времени. На уровне макромира наблюдается необратимость процессов, так как они связаны с неравновесным состоянием Вселенной.

В химии симметрии проявляются в геометрической конфигурации молекул. Это определяет химические и физические свойства молекул.

В биологии симметрии проявляются в структурной симметрии биообъектов (точечной, аксиальной и актиноморфной).

Широко известна симметрия кристаллов, что связано с симметрией физических свойств кристаллов.

В 1918 году немецкий математик Эмми Нетер доказала фундаментальную теорему, которая устанавливает связь между свойствами симметрии и законами сохранения. Суть теоремы заключается в том, что непрерывными преобразованиями в пространстве-времени, являются: сдвиг во времени, сдвиг в пространстве, трехмерное пространственное вращение, четырехмерные вращения в пространстве-времени. Согласно теореме Нетер, из инвариантности относительно сдвига во времени следует закон сохранения энергии; из инвариантности относительно пространственных сдвигов – закон сохранения импульса; из инвариантности относительно пространственного вращения – закон сохранения момента импульса; инвариантность относительно преобразований Лоренса (четырехмерные вращения в пространстве-времени) – обобщенный закон движения центра масс: центр масс релятивистской системы движется равномерно и прямолинейно. Теорема Нетер относится не только к пространственно-временным симметриям, но и к внутренним.

13. Принцип дополнительности. Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Понятие дополнительности было введено в науку Н. Бором в 1928 году. Этим принципом мы практически всегда оперируем в жизни. Чтобы описать какой-нибудь объект мы пользуемся несколькими характеристиками для полного понимания сути данного объекта. При этом одна характеристика дополняет другую. Формулировка принципа принадлежит известному физику Д. Бому и в общей форме звучит так: в области квантовых явлений наиболее общие физические свойства какой-либо системы должны быть выражены с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных, каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другой. Особенно ярко принцип дополнительности выступает в микромире.

14. Принцип неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности является фундаментальным законом микромира. Его можно считать частным выражением принципа дополнительности. В 1927 году В. Гейзенберг, учитывая двойственную природу микрочастиц, пришел к выводу, что невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать микрочастицу и координатами, и импульсом.

15. Принцип соответствия. Объективно имеет место преемственность фундаментальных физических теорий. В сущности это и есть принцип соответствия, который можно сформулировать следующим образом: никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.

16. Принцип детерминизма. Детерминизмом называется философское учение об объективности закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного мира. Центральным понятием детерминизма является положение о существовании причинности. Причинность имеет место тогда, когда одно явление порождает другое явление (следствие). Классическая физика стоит на позициях жесткого детерминизма, который называют лапласовским, так как именно Пьер Симон Лаплас провозгласил принцип причинности как фундаментальный закон природы. Лаплас пытался объяснить весь мир, в том числе физиологические, психологические, социальные явления с точки зрения механистического детерминизма, который он рассматривал как методологический принцип построения всякой науки. Лапласовский детерминизм отрицал объективную природу случайности, понятие вероятности события. В этом заключается «крушение» лапласовского детерминизма, так как все формы реальных взаимодействий явлений образуются на основе всеобщей действующей причинности, вне которой не существует ни одного явления действительности, в том числе и так называемых случайных явлений, в совокупности которых проявляются статические законы.

17. Начала термодинамики. Представления об энтропии. Классическая термодинамика возникла во второй половине 19 столетия из обобщения многочисленных фактов, которые описывали явления передачи, распространения и превращения тепла. Термин «термодинамика» был введен в научную литературу в 1854 году В. Томсоном. Термодинамика – это наука о наиболее общих свойствах макроскопических тел и систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода из одного состояния в другое. Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел, число молекул в которых огромно. Такие тела называются макросистемами. Тепловые свойства макросистем определяются термодинамическими параметрами: температурой, давлением и удельным объемом. Эти параметры называются функциями состояния системы. Время в явном виде как параметр в термодинамике не используется. Классическая термодинамика изучает физические объекты материального мира только в состоянии термодинамического равновесия. Термодинамическое состояние равновесия с точки зрения классической термодинамики – это то состояние, в которое с течением времени приходит система, находящаяся при определенных неизменных внешних условиях и определенной постоянной температуре. Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя по отношению друг к другу, обладая одинаковыми температурой и давлением. Равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух систем или двух частей одной системы – это положение называется нулевым началом термодинамики. Достигнув равновесия, система сама по себе из него не выходит. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, первое - с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии невозможно совершить никакой работы, так как работа связана с механическим движением, то есть с переходом тепловой энергии в кинетическую; второе - все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможно два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: совершение работы и теплообмен. При всех термодинамических превращениях выполняется закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Это утверждение составляет основу первого начала термодинамики: количество теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение телом работы. Из первого начала термодинамики следует важный вывод о невозможности создания вечного двигателя первого рода, то есть такого двигателя, который совершал бы работу «из нечего», без внешнего источника энергии. Второе начало термодинамики сформулировал французский ученый С. Карно: невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Иногда этот закон выражают в более простой форме: тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему. Второе начало термодинамики вводит в рассмотрение новую функцию состояния – энтропию. Энтропия является количественной характеристикой теплового состояния системы. Тогда с точки зрения изменения порядка (энтропии) второе начало термодинамики будет звучать следующим образом: энтропия замкнутой системы, то есть системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. Это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия. Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то последняя и выступает в качестве своеобразной «стрелы времени». В механических процессах время выступает как параметр, знак которого можно менять на обратный, и таким образом вернуться к исходному состоянию системы. Ничего подобного не встречается в термодинамических процессах, которые являются необратимыми по своей природе. Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в необычной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.

Такое понятие времени и особенно эволюции системы коренным образом отличается от понятия эволюции, которое лежало в основе теории Дарвина. В то время как в дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось вплоть до 60-ых годов прошлого столетия, пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов. Термодинамика необратимых процессов возникла в 50-ые годы прошлого столетия на базе классической термодинамики. Примером необратимости является передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому, при невозможности обратного процесса.

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы в отношении характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял Р. Клаузиус, выдвинувший два постулата:

· Энергия Вселенной всегда постоянна;

· Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а, следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит «тепловая смерть». Ошибочность вывода о тепловой смерти Вселенной заключается в том, что нельзя применять второе начало термодинамики, которое применимо для закрытой системы, к системе, являющейся незамкнутой. Дело в том, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является абстракцией, не отражающей реальный характер систем природных. В отличие от закрытых (изолированных) систем, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, информацией и веществом. Все реальные системы являются открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах – информацией. В биологических системах обмен осуществляется на уровне генетической информации. В отличие от закрытых систем, в системах незамкнутых энтропия не накапливается, а выводится в окружающую среду. Следовательно, можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. Открытая система не может быть равновесной, так как ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии. В результате такого взаимодействия система извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. С поступлением новой энергии в систему ее неравновесность возрастает. В конечном итоге прежня взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах. На основе вышеизложенных рассуждений возникла новая термодинамика – термодинамика неравновесных (нелинейных) состояний. В ней вместо закрытой системы рассматривается система незамкнутая (открытая), а вместо равновесной системы – неравновесная. Неравновесные системы характеризуются не только термодинамическими параметрами, но и скоростью их изменения во времени и в пространстве. Выдающейся заслугой неравновесной термодинамики является установление того, что самоорганизация присуща не только «живым системам». Способность к самоорганизации является общим свойством всех открытых систем. При этом именно неравновесность служит источником упорядоченности. Совместимость второго начала термодинамики со способностью систем к самоорганизации – одно из крупнейших достижений современной неравновесной термодинамики. Модель исследований новой термодинамики создала группа ученых во главе с И. Р. Пригожиным, который отмечает, что переход от термодинамики равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.