Раздел 3. Структурные уровни и системная организация материи Микро-, макро-, мегамиры

Структуры микромира

Основными предметами этого раздела естествознания являются элементарные частицы, фундаментальные физические поля, пространство–время и их взаимодействия. Синонимом микрофизики являются «физика высоких энергий» или «физика элементарных частиц». После открытий Бора, Резерфорда, Эйнштейна и др. квантовая механика продолжала развиваться и к середине 30-х годов 20-го века выросла в мощную, сильную математизированную теорию микромира.

Было открыто множество «элементарных» частиц и реакций между ними, в результате которых они превращались друг в друга или рождали новые, неизвестные до той поры частицы.

Помимо гравитационного и электромагнитного полей, которые безуспешно пытался объединить в рамках одной теории Эйнштейн, обнаружились еще два фундаментальных физических поля: ядерное (сильное) и слабое, которые по своим свойствам отличались от двух предыдущих. Были открыты ядерные реакции, приводившие к синтезу или распаду ядер на более мелкие осколки, увеличению или уменьшению их электрического заряда на один или два элементарных. Т. е. открылась новая отрасль науки – ядерная химия. Фактически на новом витке развития науки осуществилась вековая мечта полузабытых алхимиков о превращении одного химического элемента в другой. Несколько хорошо оснащенных лабораторий мира продолжают «удлинять» таблицу Менделеева в сторону с большим атомным номером. В природе не существует элементов тяжелее урана, т. к. они нестабильны и относительно быстро распадаются, если их даже получить искусственно путем ядерной реакции. Причем, чем дальше они отстоят в таблице Менделеева от урана, тем период полураспада делается меньше, уменьшаясь до малых долей секунды. Но в области атомных номеров 114–116 (уран имеет атомный номер 92) теория предсказывает «остров стабильности», где могут существовать химические элементы с совершенно удивительными свойствами. Первые атомы с такими высокими элементами уже в 21 веке получили российские ученые из Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубна. Росло и число вновь открываемых «элементарных» частиц.

Современные справочники содержат сейчас уже около 400 таких частиц (вместе с античастицами, у которых все свойства,  кроме электрического заряда тождественны соответствующим частицам). По всеобщему мнению – это слишком много  для того чтобы, образовывать основу, фундамент нашего мира. Да и большинство из них не являются в буквальном смысле «элементарными«,  т. е. не состоящими из более мелких частиц.  Напротив, о многих из них известно, что в их составе имеются более мелкие образования. Таковы, например, основные частицы атомного ядра – нейтроны, протоны, пи-мезоны.  Сейчас твердо установлено, что они состоят из трех (первые две) или двух (пи-мезоны) частиц, получивших название «кварки».

Термин “элементарная частица” первоначально 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 сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков – частиц с дробным электрическим зарядом.

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса – фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе).

К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам – кванты полей (глюоны, фотоны, векторные бозоны, гравитоны и гравитино). Эти частицы считаются истинно (фундаментальными) элементарными, т. е. не имеющими структуры. Фермионы составляют вещество, бозоны обеспечивают взаимодействие частиц вещества.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10^–15 – 10^–22см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон с выбросом электрона и антинейтрино.

Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10^–13см оно даёт чрезвычайно малые эффекты.

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц – фермионов (частиц вещества) и столько же античастиц. Шесть частиц – это кварки с экзотическими названиями “верхний”, “нижний”, “очарованный”, “странный”, “истинный”, “прелестный”. Остальные шесть – лептоны: электрон, мюон, тау–частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау–нейтрино). Кроме фундаментальных фермионов имеется четыре вида фундаментальных бозонов (квантов полей), обеспечивающие четыре вида фундаментальных взаимодействий фермионов.

Фундаментальные частицы составляют 1-й структурный уровень микромира. Из них состоят более сложные материальные системы. Следующий структурный уровень образуют нефундаментальные частицы, в частности, нефундаментальные адроны (протоны и нейтроны, состоящие из трёх кварков). Третий структурный уровень микромира – атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов. Прочность стабильных атомных ядер и относительная прочность радиоактивных обусловлена сильным взаимодействием ядерных частиц. Четвертый структурный уровень – атомы, состоящие из атомных ядер и электронов, обращающихся вокруг них. Устойчивость атомов обеспечивает электромагнитное взаимодействие ядра и электронов атома. Наконец, пятый структурный уровень микромира образуют молекулы, состоящие из атомов. Устойчивость молекул обусловлена электромагнитным взаимодействием ядер одних атомов с электронами других и наоборот.

Виды материи и структуры макромира

К макромиру относятся объекты и системы, наиболее хорошо известные человеку. Это вещественные объекты от едва различимых человеческим глазом песчинок и пылинок размером 10^-5- 10^-4 м до планеты Земля в целом размером по порядку 10⁷ м.

Материя в макромире представлена двумя видами – веществом и двумя физическими полями. В отличие от микромира, в котором вещество и поля дискретны и представлены частицами, в макромире вещественные объекты дискретны (отдельные тела), а поля (гравитационное и электромагнитное) – континуальны. Т.е. в любой точке пространства на Земле можно обнаружить гравитационное и электромагнитное поля. Гравитационное поле обеспечивает притяжение всех тел на Земле к её поверхности.

По определению, электромагнитное поле – это вид физического поля, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами. Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н – вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц, ЭМП "отрывается" от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне).

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны. Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуется частотой.

Жизнь на Земле возникла, развивалась и долгое время протекала в условиях относительно слабых электромагнитных полей (ЭМП), создаваемых естественными источниками. К ним относятся электрическое и магнитное поле Земли, космические источники радиоволн (Солнце и другие звезды), процессы, происходящие в атмосфере Земли, например, разряды молнии, колебания в ионосфере. Человек тоже источник слабого ЭМП. Являясь постоянно действующим экологическим фактором, эти поля имеют определенное значение в жизнедеятельности всех организмов, в том числе и человека.

Однако, за последние 50–60 лет возник и сформировался новый значимый фактор окружающей среды – электромагнитные поля антропогенного происхождения. Их создают 2 большие группы искусственных источников:

– изделия, которые специально создавались для излучения электромагнитной энергии: радио- и телевизионные вещательные станции, радиолокационные установки, физиотерапевтические аппараты, различные системы радиосвязи, технологические установки в промышленности;

– устройства, предназначенные не для излучения электромагнитной энергии в пространство, а для выполнения какой-то иной задачи, но при работе которых протекает электрический ток, создающий паразитное излучение ЭМП. В основном это системы передачи и распределения электроэнергии (ЛЭП, трансформаторные подстанции) и приборы, потребляющие ее (электроплиты, электронагреватели, холодильники, телевизоры, осветительные приборы и т. п.).

Излучаемые этими устройствами электромагнитные поля вместе с естественными полями Земли и Космоса создают сложную и изменчивую электромагнитную обстановку. В результате суммарная напряженность ЭМП в различных точках земной поверхности увеличилась по сравнению с естественным фоном в 100–10000 раз. Особенно резко она возросла вблизи ЛЭП, радио- и телевизионных станций, средств радиолокации и радиосвязи, различных энергетических и энергоемких установок, городского электротранспорта. В масштабах эволюционного прогресса этот колоссальный рост напряженности ЭМП можно рассматривать как одномоментный скачок с плохо предсказуемыми биологическими последствиями.

Виды материи и структуры мегамира

Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро- и мегамиры. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля представляет макромир. Но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.

В Солнечную систему входят 8 планет, их спутники, свыше 100 тыс. астероидов, множество комет и метеоритных тел. Различают планеты земной группы и планеты-гиганты. Планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля, Марс – сравнительно невелики и состоят из плотного вещества. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун относятся к гигантам, они гораздо массивнее, но в их состав входят легкие вещества и поэтому их плотность меньше. В отличие от атмосфер планет земной группы, четко отделенных от твердой поверхности, атмосферные газы планет-гигантов постепенно переходят в конденсированное состояние, в «тело» самих планет. У них нет привычной нам твердой или жидкой поверхности.

Входящие в Солнечную систему астероиды представляют собой малые планеты. Хотя их много, но суммарная их масса оказывается меньше 0,001 массы Земли. Самый крупный астероид – планета Церера – имеет поперечник около 1000 км. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты.

Своеобразными объектами Солнечной системы являются кометы. Они состоят из головы, небольшого плотного ядра и хвоста длиной в десятки миллионов километров. Ядра комет имеют размеры в несколько километров и состоят из каменных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Кометы обычно – самые дальние объекты Солнечной системы. Некоторые из них удаляются от Солнца на 10 000 млрд км – на расстояние одного светового года, т. е. расстояние, которое свет со скоростью 300 000 км/с проходит за один год (1 световой год = 10 000 млрд км = 10¹³ км). Считается, что на этом удалении от Солнца и проходит граница Солнечной системы. Далее начинается сфера влияния других звезд. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 мин, а от второй по близости к нам звезды (Проксима Центавра) свет идет к Земле более четырех лет. Эта звезда находится от нас в 100 000 раз дальше, чем Солнце.

Массы звезд составляют от 0,1 до 50 солнечных масс. Размеры диаметров звезд различаются очень сильно – от 10-20 км (нейтронные звезды) до сотен миллионов километров (красные сверхгиганты). Плотности вещества звезд колеблются от 1 г/см³ до 10¹⁴ г/см³ (нейтронные звезды). Светимости звезд колеблются от 0,001 до 1 млн солнечной светимости, т. е. различаются на 9 порядков (в миллиард раз). Атмосфера звезд на 98 % состоит из водорода и гелия.

Звезды образуют галактики, включающие сотни миллиардов звезд, туманности, межзвездную среду, космические лучи, электромагнитные волны. Наша галактика выглядит как двояковыпуклая линза (диск), толщина которого 1,5 тыс. световых лет, а диаметр – 100 тыс. световых лет. Полная масса галактики равна 150 млрд солнечных масс. Ближайшие к нам галактики, видимые невооруженным взглядом, – Магеллановы облака и Туманность Андромеды.

И самый большой объект в мире, включающий все известные современной науке, – это Метагалактика – наблюдаемая часть Вселенной. Размеры ее по современным оценкам 13,7 млрд световых лет.

Строение Галактики. Виды Галактик

Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют малую часть гигантского скопления звезд и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру. Существенная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс. и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звезд самых различных видов. Наше Солнце – одна из таких звезд, находящихся на периферии Галактики вблизи ее экваториальной плоскости.

Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом: они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения.

Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и практически изолированы друг от друга. Они практически не сталкиваются, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами Галактики.

Астрономы последние несколько десятилетий изучают другие звездные системы, схожие с нашей. Это очень важные исследования в астрономии. За это время внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов.

Число звезд в Галактике порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. В состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, – звездные скопления. Существуют рассеянные звездные скопления, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие скопления не имеют правильной формы; в настоящее время их известно более тысячи.

Наблюдаются шаровые звездные скопления. Если в рассеянных скоплениях содержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет.

В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые состоят в основном из газа и пыли, – это туманности. Они бывают неправильной, клочковатой формы – диффузные, и правильной формы, напоминающие по виду планеты, – планетарные.

Существуют еще светлые диффузные туманности, например Крабовидная туманность, названная за необычную сетку из ажурных газовых волокон. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения – пульса, у которого впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн.

Пространство в Галактике заполнено везде разрежённым межзвездным газом и межзвездной пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля – гравитационное и магнитное. Пронизывают межзвездное пространство космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые при движении в магнитных полях разогнались до скоростей, близких к скорости света, и приобрели огромную энергию.

Галактику можно представить в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, содержащими в основном наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена лишь небольшая часть звезд. Солнце находится на таком расстоянии от центра Галактики, где линейная скорость звезд максимальна. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн. лет.

По внешнему виду галактики условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

Пространственная форма эллиптических галактик – эллипсоиды с разной степенью сжатия. Среди них встречаются гигантские и карликовые. Почти четверть всех изученных галактик относится к эллиптическим. Это наиболее простые по структуре галактики – распределение звезд в них равномерно убывает от центра, пыли и газа почти нет. В них самые яркие звезды – красные гиганты.

Спиральные галактики – самый многочисленный вид. К нему относится наша Галактика и Туманность Андромеды, удаленная от нас примерно на 2,5 млн. световых лет.

Неправильные галактики не имеют центральных ядер, в их строении пока не обнаружены закономерности. Это Большое и Малое Магеллановы облака, являющиеся спутниками нашей Галактики. Они находятся от нас на расстоянии в полтора раза большем диаметра Галактики. Магеллановы облака значительно меньше нашей Галактики по массе и размерам.

Существуют и взаимодействующие галактики. Они обычно находятся на небольших расстояниях друг от друга, связаны «мостами» из светящейся материи, иногда как бы пронизывают одна другую.

Некоторые галактики обладают исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

В 1963 г. начались открытия звездоподобных источников радиоизлучения – квазаров. Сейчас их открыто более тысячи. Квазары являются самыми удаленными наблюдаемыми объектами и, вероятно, представляют собой ядра первых возникших во Вселенной галактик.

Галактики распределены во Вселенной неравномерно, образуя скопления и сверхскопления. Однако и они также распределены неравномерно. Скопления и сверхскопления галактик образуют крупномасштабную ячеистую или сотовую структуру Вселенной, напоминающую пчелиные соты, губку, пену, пемзу. В стенках сот сосредоточены скопления и сверхскопления галактик, а в пространстве между стенками их крайне мало. В еще более крупном масштабе Вселенная однородна.

Концептуальные уровни химии. Учение о составе вещества

Химия – наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Предмет химии – превращения веществ на макроскопическом уровне и анализ этих превращений на микроскопическом, атомно-молекулярном уровне.

Исторически химия прошла четыре концептуальных уровня своего развития. Причем каждый последующий уровень включал в себя и дополнял предыдущий. Первый уровень связан с учением о составе вещества, второй – с развитием структурной химии, третий концептуальный уровень определяется становлением учения о химических процессах, четвертый современный уровень – эволюционная химия.

В конце 17 века зародилось учение о составе вещества. Это было сделано в работах английского ученого Р. Бойля. По Бойлю мельчайшие частицы вещества – атомы, могли соединяться, образуя более крупные частицы – кластеры (сейчас используется термин «молекула», введенный в 17 в. французским ученым П. Гассенди). Бойль утверждал, что свойства веществ зависят от того, из каких химических элементов они состоят. Химический элемент он трактовал как предел разложения вещества. В настоящее время химическим элементом называют вид атомов, имеющих определенный заряд ядра.

Развитием представлений о химических элементах явилось понятие о химических соединениях. Если в состав простых веществ входят атомы только одного элемента, то сложные вещества, или химические соединения, состоят из атомов нескольких элементов. Свойства соединений отличаются от свойств составляющих их элементов.

Расширение круга методов химического анализа и использование количественных методов измерения позволило определять числовые соотношения элементов в соединениях. В начале 19 века французский химик Ж. Пруст установил закон постоянства состава, согласно которому любое соединение содержит элементы в строго определенных массовых пропорциях независимо от способа его получения. Закон Пруста подтверждал гипотезу существования молекул.

В 1860 г. на первом международном съезде химиков были приняты правила написания химических формул и уравнений, а также определены понятия атома, молекулы и химического элемента. Так, атомом была названа наименьшая частица элемента в химических соединениях. А молекулой – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

В 1869 г. Д.И. Менделеевым был открыт периодический закон химических элементов, который гласил: «Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомной массы». На основании этого закона Менделеев упорядочил элементы в виде системы или таблицы и предсказал существование и свойства трех неизвестных в то время элементов, которые вскоре были открыты (галлий, скандий, германий). Эти открытия стали триумфом химической науки. Однако обосновать периодический закон в рамках научных знаний конца 19 века было невозможно в связи с отсутствием представлений о сложности строения атома. В 30-х годах 20 века с созданием атомной и ядерной физики, а также квантовой механики это обоснование появилось. Так, в частности, стало ясно, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома (порядкового номера элемента).

Развитие структурной химии

В 1772 г. А. Лавуазье удалось сжечь алмаз и получить углекислый газ, в результате чего выяснилось, что самый твердый кристалл на Земле по химическому составу ничем не отличается от мягкого графита. И тот и другой – чистый углерод. В 1840 г. Х. Шёнбейн установил, что свойства кислорода при искровом разряде в нем, а также получаемого при электролизе воды, отличаются от свойств обычного атмосферного кислорода, и связал эти отличия с образованием особого газа, названного им озоном. Так была открыта аллотропия – существование одного и того же химического элемента в виде двух или более простых веществ, различных по строению и, как следствие, по свойствам.

В 1823 г. Ю. Либих показал, что гремучее AgONC и циановокислое серебро AgNCO имеют один и тот же состав, но разные свойства. В 1830 г. Й.Я. Берцелиус ввел термин «изомерия» и выдвинул предположение, что различие в свойствах у изомеров, т.е., химических соединений, одинаковых по составу и молекулярной массе, обусловлены различным распределением атомов в молекуле.

Таким образом, в первой половине 19 века химикам стало ясно, что свойства веществ и их качественное многообразие обусловлено не только химическим составом, но и их структурой. Более полное объяснение изомерия получила во второй половине 19 века в трудах Бутлерова (структурная изомерия) и Я.Г. Вант-Гофа (пространственная изомерия). Структурная изомерия является результатом различного порядка связи атомов, а пространственная изомерия – различной пространственной конфигурации атомов.