Казанский федеральный университет институт физики кафедра вычислительной физики и моделирования физических процессовВ. М. Бердникова
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
Дискретность материи. Аристотель в III веке до н.э. говорил, что вещество можно делить на все более мелкие части сколько угодно (Гипотеза непрерывности вещества). Левкипп (V век до н.э.) Демокрит Эпикур Говорили, что все вещества состоят из мельчайших частичек – атомов (греч.) – «неделимый». Термин «атом» введен Демокритом. (Гипотеза прерывности вещества) Понятие о молекуле, как о мельчайшей частице вещества ввел Ломоносов, назвав их корпускулами. В конце XIX века Жан Батист Перрен доказал существование молекул при помощи броуновского движения. Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. 37 Компоненты Вселенной Биосфера Экосистема Неживые тела Молекулы Атомы Протоны, нейтроны, мю-мезоны Кварки Элементарные частицы Клетки Ткани Органы Организмы Виды, популяции Радиоактивность. 1896 год - Беккерель открыл радиоактивность. Изучая действие различных люминесцирующих веществ на фотопластинку, в частности, солей урана, открыл неизвестное излучение, присущее самой урановой соли и не имеющее ничего общего с люминесцирующим излучением. Это явление самопроизвольного излучения солями урана лучей особой природы было названо радиоактивностью. 1898 год - Томсон открыл электрон. 1911-1913 - Резерфорд открыл протон. 1932 - Чедвик открыл нейтрон. Сер. 1960-х гг. коллектив учёных открыл сложную структуру нейтронов и протонов. Частицы, их образующие, были названы кварками. Теперь считается, что все виды материи имеют дискретную (зернистую) структуру, в том числе поле и физический вакуум. Дискретность полей доказана экспериментально. (Например, электромагнитное поле распространяется фотонами). Тем не менее, материя смотрится сплошной и непрерывной. Если мы описываем расположение в пространстве системы, её агрегатное состояние, то мы учитываем свойства материи, её непрерывность. Если же мы описываем химические связи вещества, если рассматриваем природу тепловых, электрических явлений, то мы рассматриваем дискретную структуру, учитываем прерывность материи. Непрерывность материи и её дискретные свойства неразделимы. Модели атома. Все модели исходили из того, что атом электронейтрален. Томсон в 1897 году создал первую модель атома. 38 Х. Нагаока в 1903 году представил себе расположение электронов в атоме подобно кольцам Сатурна. Резерфорд в 1911 сформулировал планетарную модель атома. Так в центре находится маленькое, но тяжелое ядро, а легкие электроны расположены на достаточно большом расстоянии от него. Модель Нильса Бора (1913 год). Постулаты: 1. Электроны в атоме могут двигаться только по определенным стационарным орбитам, и при этом энергия не излучается (Боровская орбита). 2. Атом излучает или поглощает квант энергии при переходе электрона из одного энергетического состояния в другое ( с одной орбиты на другую). h =E 2 -E 1 , где E 1 – стационарное энергетическое состояние электрона, E 2 – энергия электрона в возбужденном состоянии. Наименьшее энергетическое состояние электрона в атоме – на ближайшей к ядру орбите n=1. Данная формула объяснила линейчатые спектры атома. Радиоволны и радарное излучение выделяется в том случае, когда происходит изменение спина атома или ядра. Инфракрасное – за счет колебаний атомов в молекуле. Видимое, ультрафиолетовое – за счет квантовых переходов внешних электронов атома из возбужденного состояния в основное. Рентгеновское – за счет перехода электронов с внешних оболочек на внутренние. Гамма-излучение – связано с ядерными процессами и никак не связана с электронами. Теория Бора является промежуточным звеном между классической и квантовой механикой. 39 Критерии применимости физических законов микро-, макро- и мегамира. Макромир: Законы классической механики. Главный критерий: v< Микромир: v c. Квантовая механика, специальная теория относительности. Гейзенберг в 1926 году выдвинул принцип неопределенности. Для микрочастиц, которые обладают и свойствами частиц и свойствами волны (корпускулярно-волновой дуализм) нельзя одновременно определить точно и координату и импульс. Чем точнее определяется координата, тем менее точно можно определить импульс. 2 h p x x 2 h p y y 2 h p z z Здесь h =6.62 10 -34 Дж∙с – постоянная Планка Δx – это неопределенность, или неточность, нахождения координаты частицы, Δp x – неопределенность, или неточность нахождения самого импульса. Если это произведение сравнимо с постоянной Планка, то поведение частицы описывается квантовой механикой. Если это произведение велико, то есть, много больше постоянной Планка, то поведение частицы описывается классической механикой. Ни для какого движения в природе это произведение не будет меньше постоянной Планка. 2 h t E Одновременное изменение энергии и среднее время жизни возбужденной частицы также нельзя измерить одновременно. В 1926-м году Э. Шредингер вывел фундаментальное уравнение квантовой механики. Вывел волновое уравнение, в которое входит функция Ψ(x, y, z), зависящую от всех трех координат движения электрона и являющуюся аналогом амплитуды. Волновое уравнение Шредингера выведено из уравнения поперечной волны классической физики. Функция, как и амплитуда, может быть положительной и отрицательной. Ψ 2 представляет наибольший интерес. Квадрат волновой функции имеет определенный физический смысл. Квадрат функции характеризует вероятность нахождения электрона в данной точке атомного пространства с координатами x, y, z. Из уравнения Шредингера следует, что нельзя говорить о какой-то определенной боровской орбите, по которой движется электрон. Более правильно говорить об электронном облаке, а именно, о его наибольшей 40 плотности в каком-то месте атома. И там, где плотность наибольшая, там и есть наибольшая вероятность нахождения данного электрона. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно находится электрон, называется орбиталью. Эти орбитали и есть решения уравнения Шредингера. Эти решения характеризуются тремя константами, которые Шредингер называл квантовыми числами n, l, m. n – главное квантовое число, которое определяет размер атома и показывает энергетический уровень электрона в атоме. Чем больше n, тем более высокой энергией обладает электрон. Если n>>1, то энергетический уровень образует не дискретный спектр, а сплошной, то есть, это уже объект макромира. Законы квантовой механики при больших значениях квантовых чисел переходят в законы классической механики. Что является доказательством того, что всякая новая теория является развитием предыдущих теорий и полностью её не отвергает, а лишь указывает границы её применимости (научный принцип соответствия). l – орбитальное (побочное или азимутальное) квантовое число. Характеризует (показывает) форму электронного облака и изменяется от 0 до (n-1), то есть, зависит от главного квантового числа. l определяет значение момента количества движения электрона по орбите. r v m M l характеризует число подуровней на заданном энергетическом уровне. Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы. Орбитали с l = 0 называются s-орбиталями, l =1 - р-орбиталями (3 типа, отличающихся магнитным квантовым числом m), l = 2 - d-орбиталями (5 типов), l = 3 - f-орбиталями (7 типов). m – магнитное квантовое число. Показывает ориентацию электронного облака в атоме при взаимодействии магнитного поля электрона с внешним магнитным полем и магнитными полями соседних электронов. m определяет число орбиталей на данном подуровне l (от –l до +l). n=1 l=0(s) m=1 n=2 l=0(s), 1(p) m=1,3 m=-1,0,1 n=3 l=0(s),1(p),2(d) m=1,3,5 Три квантовых числа n, l и m определяют волновые свойства электрона (следует из решения уравнения Шредингера). s – квантовое число, называемое спин, определяет собственый вращательный момент частицы. 2 sh M 41 Принцип Паули: В атоме не может быть электронов, у которых все квантовые числа равны. Это связано с тождественностью частиц. В атоме не может быть двух электронов в одинаковых энергетических состояниях. Принцип дополнительности Бора (сформулирован в 1927-м году): Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих частицу, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первой. С точки зрения физика-экспериментатора это связано с влиянием макроприбора на микроскопический объект. С точки зрения квантовой механики определить одновременно основные свойства частицы и дополнительные к ним невозможно точно ни на каком приборе, так как частицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом. Принцип неопределенности Гейзенберга: увеличение точности определения положения частицы вызывает увеличение ошибки определения ее импульса (скорости), если эти определения проводятся одновременно. Современная концепция атомного ядра. В 1932 году была предложена протонно-нейтронная модель Иваненко- Гейзенберга. Массовое число: n p A 1 0 1 1 Ядра с одинаковым зарядом и разной массой называются изотопами. Cl 35 17 Cl 37 17 75% 25% природного хлора. H 1 1 H 2 1 H 3 1 Ядра с одинаковыми массовыми числами, но разными зарядами называются изобарами. S 36 16 Ar 36 18 Дефект масс. Данныйэффект заключается в том, что масса ядра всегда оказывается меньше суммарной массы входящих в состав ядра протонов и нейтронов. я m n p m ) ( 1 0 1 1 Эта разница масс согласно Эйнштейновскому принципу эквивалентности массы и энергии приходится на энергию связи протонов и нейтронов внутри ядра: ΔE св =Δmc 2 Элементарные частицы. Терминэлементарная частицапервоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит 42 сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать. Всего известно около 400 элементарных частиц. Все элементарные частицы субатомны, то есть размером меньше атома. Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин (момент количества движения) и другие квантовые числа. У каждой частицы есть античастица. Отличаются они зарядом или магнитным моментом. Частица и античастица аннигилируют при встрече (т.е. уничтожаются с выделением энергии в виде фотонов). Также имеет место быть обратный аннигиляции процесс - рождение пары частица-античастица из фотонов. В 1928-м году Поль Дирак предсказал античастицы. β+e-↔2γ+Q Если взят 1 грамм электронов и позитронов, то выход энергии при аннигиляции будет соответствовать взрыву в 10 килотонн тротила. Элементарные частицы классифицируются: По участию в фундаментальном взаимодействии: 1. Адроны - тяжёлые элементарные частицы, участвующие во всех 4 видах фундаментального взаимодействия. 2. Лептоны - лёгкие элементарные частицы, которые подвержены трём фундаментальным взаимодействиям: слабое, электромагнитное и гравитационное, но не участвуют в сильном взаимодействии. 3. Фотоны - безмассовая элементарная частица, не участвующая в сильном и слабом взаимодействии. По времени жизни: 1. Стабильными в пределах точности современных измерений, являются электрон (t = 5 • 10 21 лет), протон (t = 2 • 10 30 лет), фотон и нейтрино. 2. К квазистабильнымотносят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их время жизни 10 -20 сек (например, свободный нейтрон). 3. Резонансаминазывают элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерное время жизни 10 -23 сек. В настоящее время выделено 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц, из которых состоит весь мир. Это 6 кварков и 6 лептонов (электрон, мю-лептон (мюон), тау-лептон (таон), электронное, мюонное и тау - нейтрино (ν e , ν μ , ν τ )). По спину: 1. Частицы с целым спином называются бозонами; 2. С полуцелым спином - фермионами. Модели ядра: 1. Оболочечная. Ядро как оболочка атома. Нуклоны находятся по оболочкам атомного ядра. Принцип Паули для нуклонов – на одной орбите не может 43 быть двух нуклонов с одним и тем же спином. Эта модель хорошо описывает ядра легких атомов. 2. Оптическая. Оптическая модель подходит для описания средних и тяжелых ядер. На ядро налетают частицы, обладающие корпускулярно- волновым дуализмом, и, если длины волн равны, наблюдаются дифракция и интерференция. 3. Капельная. Подходит для описания тяжелых ядер. Хорошо описывает естественную радиоактивность. Все элементы, начиная с висмута, радиоактивны. Сравнение с каплями жидкости: Плотность жидкости при одной температуре и давлении постоянна и не зависит от числа молекул. То же самое, плотность ядерного вещества постоянна и не зависит от числа нуклонов в ядре. Нуклон, находящиеся на границе ядра, испытывают силы, втягивающие их внутрь ядра, следовательно, равнодействующая сил на границе не равно нулю. Отличие: Нуклоны обладают волновыми свойствами и имеют заряд. Вопросы для самоконтроля: 1. Что означает дискретность материи? Каково иерархическое строение материи? 2. Раскройте историю развития представлений о строении атома. 3. Опишите существующие модели строения атомного ядра. 4. Что такое элементарные частицы? Какими характеристиками они обладают? 5. Какие существуют классификации элементарных частиц? 6. В чём заключаются принцип неопределённости Гейзенберга и принцип дополнительности Бора? Лекция №5 Синергетика Аннотация. Данная тема рассказывает о новом междисциплинарном направлении, теории самоорганизации - синергетике. Ключевые слова: синергетика, самоорганизация, энтропия, хаос, термодинамика, обратимые и необратимые системы, неравновесность, нелинейность, открытая система, изолированная система, закон сохранения энергии, бифуркация, термодинамическое равновесие. Методические рекомендации по изучению темы: Следует внимательно ознакомиться с материалом лекции, после чего необходимо выполнить закрепление материала, отвечая на предлагаемые вопросы для самопроверки. Для каждой темы приведён список литературы, который поможет вам при необходимости более детально изучить данную тему. Глоссарий по теме лекции №5: Бифуркация - употребляется в широком смысле для обозначения всевозможных качественных перестроек или метаморфоз различных объектов при изменении параметров, от которых они зависят. Точка бифуркации — смена 44 установившегося режима работы системы. Термин из неравновесной термодинамики и синергетики. Внутренняя энергия - это сумма энергий теплового движения молекул и межмолекулярных взаимодействий. Диссипация -рассеяние энергии системы в окружающую среду. Ключевым здесь является то, что благодаря диссипации энтропия системы понижается за счет увеличения беспорядка в окружающей среде. Изолированная система - физическая система, которая не обменивается с окружающими телами или энергией, ни веществом. Неравновесность - одно из главных условий для возникновения самоорганизации в системе. Она достигается тогда, когда температуры в системе разные (Т 1 <Т 2 ). Неравновесная система становится равновесной при переносе тепла из более нагретой части системы в менее нагретую. Нелинейность - свойство систем или процессов, заключающееся в отсутствии линейной зависимости одних параметров от других. Термодинамическое равновесие - состояние называется стационарным, если параметры системы с течением времени не изменяются. Если, кроме того, в системе не только все параметры постоянны во времени, но и нет никаких стационарных потоков за счет действия каких-либо внешних источников, то такое состояние системы называется равновесным. Термодинамика - раздел физики , изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии . Термодинамика — это феноменологическая наука , опирающаяся на обобщения опытных фактов. Она изучает макроскопические системы, состоящие из огромного числа частиц — термодинамические системы . Процессы, происходящие в таких системах, описываются макроскопическими величинами, такими как давление или температура , которые не применимы к отдельным молекулам и атомам. Рекомендуемые источники литературы: 1. Нефедьев Ю.А. Естественнонаучная картина мира. Часть 1.: [электронный ресурс] // В.С. Боровских, А.И. Галеев, С.А. Дёмин, О.Ю. Панищев, А.Р. Камалеева, В.М. Бердникова. Казань, 2012. URL: http://www.kpfu.ru/docs/F2109597418/%CA%D1%C5_1.pdf; 2. http://www.limm.mgimo.ru; 3. http://biofile.ru; 4. http://n-t.ru/tp/in/sts.htm 5. http://fizmat.by; 6. http://poiskknig.ru; 7. http://elementy.ru; 8. http://dic.academic.ru; 9. http://ru.wikipedia.org. 45 Все самопроизвольные процессы идут в направлении выравнивания системы, и они всегда приводят к состоянию равновесия. Несамопроизвольный процесс идет только при воздействии извне. Обратимый процесс – процесс в ходе которого система самопроизвольно возвращается к исходному состоянию без каких-либо потерь и изменений в окружающей среде. Это гипотетический цикл. Все реальные процессы необратимы. К обратимому циклу можно приблизиться, если сделать процесс бесконечно медленным. Необратимый процесс –это такой процесс, который может самопроизвольно протекать лишь в одном определенном направлении; возвращение в исходное состояние возможно в этом случае только при внешнем воздействии. |