Зарипова Концепции

Энергия и ее проявления в природе

Понятие энергии занимает фундаментальное положение в структуре современного естествознания. Под энергией понимают единую меру различных форм движения и взаимодействия материи. Она проявляется во множестве различных видов.

Вмеханике различают два вида энергии: кинетическую и потенциальную. Кинетической энергией тела называют энергию, являющуюся мерой его механического движения и измеряемую той работой, которую может совершить тело при его торможении до полной остановки. Потенциальная энергия определяется как свойство системы материальных тел совершать работу при изменении положения или конфигурации тел в системе. Работа может быть определена как мера изменения энергии, а энергия — как способность тела совершать работу. Причем применительно к механическим процессам полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной. То есть всякое изменение потенциальной и кинетической энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в потенциальную. В случае механического движения передача энергии происходит в форме работы в процессе силового взаимодействия тел.

Вслучае, когда помимо консервативной силы, зависящей только от положения тела, в системе действуют и силы трения, тогда любая работа, совершаемая над телом извне, равна сумме приращений кинетической, потенциальной и внутренней энергии. Механическая энергия при трении переходит во внутреннюю энергию, что сопровождается изменением состояния, степени нагретости или объема тела. Величину внутренней энергии (U) можно увеличить двумя эквивалентными способами — совершая над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q).Значит, количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии тела и выражает тепловую энергию. Механическая и тепловая энергии — это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии. Химические реакции протекают с выделением или поглощением теплоты, показывая взаимопревращение химической энергии и теплоты. Работы Фарадея и Ленца приводят к открытию взаимопревращений электрической и магнитной энергий. Изучение процессов, происходящих в контактах двух металлических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствуют о взаимопревращении электрической энергии и теплоты. Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводника (закон Джоуля—Ленца).

Электрическая и магнитная энергии могут проявляться как единая электромагнитная энергия. В частном случае электромагнитную энергию испускают нагретые тела (примером этого служит солнечная энергия).

Законы сохранения в природе

Открытие законов сохранения в природе началось с установления М. В. Ломоносовым и А. Л. Лавуазье почти независимо друг от друга закона сохранения массы вещества. Закон сохранения массы в химических процессах формулируется следующим образом: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции.

51

Важным достижением на пути дальнейшего процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы — закона сохранения и превращения энергии. Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. К открытию они пришли разными путями. Формулировка закона сохранения и превращения энергии, согласно

Гельмгольцу, следующая: приращение кинетической энергии тела равно убыли его потенциальной энергии. Применительно к тепловым процессам химической переработки закон сохранения энергии формулируется так: количество тепловой энергии, принесенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии вынесенной веществами из этой зоны.

Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. Закон сохранения энергии утверждает, что при любых процессах, происходящих в изолированной системе, полная энергия системы не изменяется, т. е. переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии — закон, управляющий всеми явлениями природы; исключений из него науке неизвестно.

Установлению закона сохранения энергии и превращение энергии способствовало также открытие эффектов, отличных от механических и тепловых, а также превращение других форм движения в тепловую энергию. Майер рассматривает положение о сохранении и превращении энергии в природе на живые организмы, утверждая, что при поглощении пищи в организме постоянно происходят химические процессы, результатом которых являются тепловые и механические эффекты.

Исследования электрических явлений давали серьезные основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных форм движения друг в друга. Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной тока и сопротивления проводника.

Итак, на протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки. Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. Дальнейшее развитие основополагающих закономерностей природы получило развитие в специальной теории относительности Эйнштейна, который приходит к заключению: "Если тело отдает энергию Е в виде излучения, то его масса уменьшается на Е/с2... Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии". Позднее он формулирует следующий важный вывод специальной теории относительности: "масса и энергия эквивалентны друг другу"; появляется знаменитая формула Эйнштейна, связывающая энергию и массу:

где m0 — масса покоя, Е0 = m0 с2 — энергия покоя тела.

52

До создания специальной теории относительности законы сохранения энергии и массы рассматривались как два самостоятельных закона сохранения. Теперь же оба эти закона слились в один. По выражению Эйнштейна, масса должна рассматриваться как "сосредоточие колоссального количества энергии". Таким образом, теперь мы можем сказать, что фундаментальным законом природы является закон сохранения массы и энергии. Специфической особенностью применения закона сохранения энергии в ядерной физике и физике элементарных частиц является необходимость учета изменения энергии покоя, и следовательно, массы взаимодействующих тел.

Мерой механического движения тела является количество движения, или импульс, определяемый как произведение его массы m на скорость v. Импульс Р является векторной величиной, направленной так же, как скорость точки. В случае механической системы импульс ее определяется как геометрическая сумма импульсов всех ее точек или произведение массы всей системы на скорость ее центра масс.

где m — масса всей системы, а — скорость ее центра масс.

Изменение импульса системы происходит под действием только внешних сил, т. е. сил, действующих на систему со стороны тел, не входящих в эту систему.

В электрических явлениях фундаментальным является закон сохранения электрического заряда. Для замкнутой системы частиц суммарный электрический заряд системы со временем не изменяется, т. е. остается постоянным.

Наиболее ярко проявление законов сохранения мы наблюдаем в мире элементарных частиц. Здесь действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращение частиц. Прежде всего отметим законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона, например, объясняют стабильность электрона. Из сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса покоя продуктов распада должна быть меньше массы покоя распадающейся частицы. Значит, электрон мог бы распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частицы электрически нейтральны. Вот и получается, что электрону просто некому передать свой электрический заряд; поэтому он стабилен. Существует много специфических параметров, сохранения которых регулирует взаимопревращение частиц, — барионный заряд, лептонный заряд, четность (пространственная, временная, зарядовая), странность, очарование и др. Некоторые из них не сохраняются в процессах, обусловленных слабым взаимодействием (четность, странность, "очарование").

Согласно, например, закону сохранения барионного заряда, в любом процессе должна оставаться неизменной разность между числом барионов и антибарионов. Протон—барион с наименьшей массой; следовательно, среди продуктов его распада барионов быть не может. Этим объясняется стабильность протона — его распад приводил бы к некомпенсированному уничтожению бариона.

53

Законы сохранения и принципы симметрии

Среди всех физических законов своей всеобщностью, высшей степени фундаментальностью выделяются законы со хранения энергии импульса, момента импульса и ряда других величин. Своим происхождением эти законы сохранения обязаны свойствам симметрии природы.

Симметрия является фундаментальным свойством природы, представление о котором слагалось в течение десятков, сотен, тысяч поколений. Асимметрия - это понятие противоположное симметрии. Понятия симметрия и асимметрия широко применяются в геометрии - для определения геометрических фигур. В геометрических орнаментах всех веков можно увидеть фантазию и изобретательность художника. Симметрия проявляется не только в понимании геометрического строения тел в природе, но и в ряде областей человеческой деятельности. Симметрия существует в музыке, хореографии, живописи, скульптуре, поэзии, архитектуре, математике, логике, строении живых организмов и растений. В изобилии симметрии встречаются в природе - снежинка, дождевая капля, различные кристаллы.

Асимметрия связана с отсутствием у объекта всех элементов симметрии. Симметрия и асимметрия - две полярные противоположности объективного мира.

В реальной природе нет чистых симметрии и асимметрий. Они всегда находятся в единстве и непрерывной борьбе.

Познавательную силу симметрии оценили древнегреческие философы. Анаксимандр из Милета, живший в первой половине VI в. до н.э., использовал симметрию в своей космологической теории.

Понятия симметрии и противоположного ей объективного свойства природы асимметрии являются одними из фундаментальных в современном естествознании. Поэтому научные исследования общеглобального характера в значительной степени основываются на рассмотрении указанных понятий. Негласный лозунг физиков-

теоретиков «правильная теория должна быть красивой» находит свое место в построении новых теоретических моделей и связан зачастую с симметрийными представлениями, а эстетический фактор играет при этом не последнее значение.

Интуитивно симметрия в своих простых формах понятна любому человеку и часто мы выделяем ее как элемент прекрасного и совершенного. В известной мере симметрия отражает степень упорядоченности системы. Например, окружность, ограничивающая каплю на плоскости, более упорядочена, чем размытое пятно на этой же площади, и следовательно, более симметрична. Поэтому можно связать изменение энтропии как характеристики упорядочения с симметрией: чем более организовано вещество, тем выше симметрия и тем меньше энтропия.

Одно из определений понятий симметрии и асимметрии дал В. Готт : «Симметрия - понятие, отражающее существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность между элементами какой-либо системы или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость, т.е. если хотите, некий элемент гармонии. Асимметрия - понятие, противоположное симметрии, отражающее разупорядочение системы, нарушение равновесия и это связано с изменением, развитием системы». Таким образом, и из соображений симметрии-асимметрии можно прийти к выводу, что развивающаяся динамическая система должна быть неравновесной и несимметричной.

54

В той или иной степени представление о симметрии есть у всех людей. Свойством симметрии обладают разные предметы. Рассмотрим критерии симметрии:

симметрия - однородность, пропорциональность, гармония каких-либо материальных объектов (связана с гармонией и равновесием);

асимметрия - состояние отсутствия симметрии (связана с нарушением равновесия, с движением и развитием);

дисимметрия - отсутствие некоторых элементов у тех или иных объектов (например, обычно реки имеют разную высоту левого и правого берегов, в Северном полушарии правый берег выше левого, а в Южном - наоборот);

антисимметрия - симметрия противоположностей, связанная с изменением знака (это переходы: черное - белое, частица -античастица, выпуклость - вогнутость, растяжение - сжатие, вперед -назад...).

Симметрия, являясь фундаментальным свойством природы, определяет структуру материального мира. Симметрия обладает многоплановым и многоуровневым характером. В системе физических знаний симметрия рассматривается на уровне явлений, законов, которые описывают эти явления, и принципов, которые лежат в основе этих законов.

А поскольку суть физического закона - нахождение и вычисление идентичного в явлениях, то для инерциальных систем, согласно принципу относительности Галилея, эти физические законы будут во всех системах одинаковы. Следовательно, они инвариантны относительно описания явлений как в одной инерциальной системе, так и другой и тем самым сохраняют симметрию. В 1918 г. были доказаны теоремы Нетер, смысл одной из которых состоит в том, что различным симметриям физических законов соответствуют определенные законы сохранения: однородности времени

соответствует закон сохранения энергии, однородности пространства – закон сохранения импульса, изотропности пространствазакон сохранения момента импульса. Как сказал Р. Фейнман: «Среди мудрейших и удивительных вещей в физике эта связь - одна из самых красивых и удивительных».

Операции и виды симметрии

Можно выделить следующие операции симметрии:

Отражение в плоскости симметрии - наиболее часто встречается в природе. Зеркальную симметрию можно увидеть повсюду: в листьях и цветах растений, архитектуре, орнаментах. Человеческое тело обладает зеркальной симметрии относительно вертикальной оси. Отражение в зеркале - это один из способов повторения фигуры, приводящий к возникновению симметричного узора. Если взять два зеркала, то получим калейдоскоп (зеркальная плюс поворотная симметрия).

Поворотная симметрия - связанна с поворотом тела на некоторый угол вокруг оси. Разновидностью поворотной симметрии является радиальная симметрия - когда объект, поворачиваясь вокруг оси, переходит в себя (многие цветы).

Отражение в центре симметрии (инверсия). Примером является шар. Шаровые формы распространены в природе широко. Они обычны в атмосфере (капли тумана, облака), гидросфере (различные микроорганизмы), литосфере и космосе.

55

Трансляция - параллельный перенос фигуры на какое-либо расстояние (узоры на обоях, паркетные полы).

Винтовая симметрия (винтовые повороты) - трансляция в сочетании с поворотом, движение по спирали (листья на стеблях растений ).

Так же к этим операциям можно добавить операцию подобия. Симметрия подобия - одновременное увеличение или уменьшение подобных частей фигуры и расстояний между ними (матрешка; в живой природе ее демонстрируют все

растущие организмы -генетическая программа).

Эти типы симметрии связаны с представлениями о структуре предметов, которая не меняется при совершении некоторых преобразований.

Есть еще симметрии, которые связанны с описанием каких-либо изменений сложных естественных процессов.

1.Калибровочная симметрия - изменение масштаба (все симметрии, которые связанны с законами микромира). Она не фиксируется в наблюдениях, она становится заметна лишь в уравнениях, описывающих природные процессы (открытие законов электромагнитного поля). Калибровочная симметрия связана с масштабными преобразованиями, представляющими сдвиги нулевых уровней скалярного и векторного потенциалов полей. Сам термин «калибровочное поле» (преобразование, инвариантность) выдвинул немецкий математик Г. Вейль. «Все физические законы инвариантны относительно произвольных (однородных и неоднородных) локальных калибровочных преобразований». В таком виде принцип Вейля является по существу развитием общего принципа относительности Эйнштейна, что все физические законы в любой системе отсчета (инерциальной и неинерциальной) должны иметь одинаковый вид.

2.Перестановочная симметрия. Она основана на принципиальной неразличимости одинаковых микрочастиц, которые движутся не по определенным траекториям, а

их положения оцениваются по вероятностным характеристикам, связанным с квадратом модуля волновой функции. Перестановочная симметрия заключается в том, что при «перестановке» квантовых частиц не изменяются вероятностные характеристики, квадрат модуля волновой функции - величина постоянная.

3.Исследование реакций с участием элементарных частиц и античастиц, а также процессов их распада привело к открытию некоторых новых свойств симметрии, а именно зарядовой симметрии, или, более точно, зарядовой симметрии частиц и античастиц.

1)При всех превращениях элементарных частиц, сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. В этом состоит закон сохранения электрического заряда.

2)На основе экспериментальных наблюдений выведен закон сохранения барионного заряда. Следствием этого закона является требование стабильности протона, который не распадается на другие элементарные частицы.

3)Аналогично состоит дело и с легкими элементарными частицами -лептонами. В этом состоит закон сохранения лептонного заряда. Закон сохранения барионного

56

заряда и закон сохранения лептонного заряда выведены экспериментально и носят описательный характер.

4)Уже давно известна внутренняя симметрия, названная изотопической инвариантностью. Хорошо известны такие элементарные частицы, как протоны

и нейтроны, составляющие атомные ядра. Они очень похожи друг на друга.

Отличие - наличие у протона электрического заряда и отсутствие такового у нейтрона. Был сформулирован закон сохранения изотопического спина, который выполняется только при сильных взаимодействиях, но нарушается при слабых и электромагнитных взаимодействиях.

5)Последняя известная сегодня внутренняя симметрия позволила сформулировать закон сохранения странности. Странность - это квантовое число, характеристика адронов, частиц, участвующих в сильных взаимодействиях.

В1956 году группа физиков Колумбийского университета провела эксперименты, доказывающие, что на уровне элементарных частиц происходит нарушение право-левой симметрии.

Экспериментально право-левая асимметрия в мире элементарных частиц была обнаружена в 1956 г. Она выражалась в том, что при распаде ядра кобальта электроны летят"вниз" чаще, чем "вверх"

Рис. 5.1. Нарушение право-левой симметрии при распаде ядра.

В эксперименте наблюдали за электронами, возникающими при распаде радиоактивного кобальта. Ядро кобальта имеет спин, то есть как бы вращается вокруг оси. Наличие спина и дает возможность определить "верх" и "низ". Обычный вращающийся шарик обязан сохранять симметрию относительно этого верха и низа. Эксперимент же показал, что электроны предпочитают лететь почему-то вниз. Особенность, обнаруженная в распаде ядра кобальта, вскоре была подмечена еще и в распадах нейтрона, мюона, а потом и других частиц. И вывод, сформулированный на основе этих

наблюдений, гласил: наш мир относительно левого и правого не симметричен.

Почти сразу же после открытия не сохранения четности было обнаружено еще одно, не менее интересное, явление, которое заставило говорить, что право-левая симметрия, конечно же, нарушается, то есть отсутствует, но одновременно она как бы сохраняется, то есть все-таки присутствует. Это новое явление зафиксировали при наблюдении за распадом античастиц. Оказалось, что в распадах античастиц есть та же асимметрия, что и у частиц, но противоположного направления! То есть при распаде нейтрона электроны летят вниз, а при распаде антинейтрона - вверх. Это правило находило свое подтверждение во всех распадах всех частиц. Другими словами, античастицы вели себя как зеркальные партнеры частиц. Что немедленно привело к

57

формулировке принципа CP-инвариантности (C - charge, заряд; P - parity, четность), который гласит что частицы и античастицы имеют противоположные симметрии, что приводит к сохранению право-левой симметрии. мире.

Эксперименты, выполненные в 1956 и 1964 г., приводят к мысли о существовании сложной пространственно-временной структуры элементарных частиц

Рис. 5.2. Проявление CP-инвариантности Заключение

Таким образом, вопросы симметрии играют решающую роль в современной физике. Динамические законы природы характеризуются определенными видами симметрии. В общем смысле под симметрией физических законов подразумевают их инвариантность по отношению к определенным преобразованиям. Рассмотренные типы симметрии имеют, естественно, определенные границы применимости. Например, симметрия правого и левого существует только в области сильных электромагнитных взаимодействий, но нарушается при слабых. Изотопическая инвариантность справедлива только при учете электромагнитных сил. Для применения понятия симметрии в физике можно ввести некую структуру, учитывающую четыре фактора.

1)Объект или явление, которое исследуется.

2)Преобразование, по отношению к которому рассматривается симметрия.

3)Инвариантность каких-либо свойств объекта или явления, выражающая рассматриваемую симметрию. Связь симметрии физических законов с законами сохранения.

4)Границы применимости различных видов симметрии.

Вцелом же из законов сохранения, которые являются следствием пространственно-временной симметрии законов самой природы, следует условность разделения физики на механику, термодинамику, электродинамику и т.д. и, следовательно, налицо неразрывность единства всей природы.

58

Глава 6. Концепции современной химии: СОСТАВ, СТРУКТУРА и ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ

Концептуальные уровни в познании веществ

Химия - это наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающееся изменением их состава и строения (изучающая природу и свойства различных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность вещества, свойства катализаторов и т.д.).

Основой химической науки является атомно-молекулярное учение (АМУ), закон сохранения материи, периодический закон и теория строения вещества, учение о химическом процессе (кинетика). Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии. Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции. Из закона сохранения вещества вытекает, что вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем.

Историю развития теоретических основ химии можно представить в виде следующих этапов. В период зарождения химии как науки (вторая половина XVII в.)

возникло первое концептуальное учение о составе. Объяснение свойств веществ связывалось с их составом, а изменением состава объяснялось химическое превращение. Последующее становление учения (концептуального уровня) о составе определило открытие стехиометрических законов (закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений), развитие понятия химического элемента, представлений о валентности, периодическом законе и периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, методах исследования состава соединений и др.

Второй концептуальный уровень развития химии связан с зарождением структурной химии (XIX в.). Было замечено, что огромное разнообразие веществ растительного и животного происхождения образовано весьма небольшим числом химических элементов (углерод, водород, кислород, азот и некоторые др.). К тому же при одинаковом составе вещества (изомеры) имеют разные свойства. Это означало, что свойства веществ зависят не только от состава, но и от структуры (А. М. Бутлеров разработал основные положения). Если при зарождении химии как науки главным направлением был химический анализ, то с появлением структурной химии стал органический синтез. Сегодня структурная химия строится на квантово-механических представлениях о химической связи, строении молекул и кристаллов, на методах исследования структуры веществ, изучении влияния структуры на свойства веществ и проч.

Третий уровень в развитии химии связан с возникновением (конец XIX в.) и развитием учения о химическом процессе — о его принципиальной возможности и условиях протекания (температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие).

Четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также с применением катализаторов,

59

значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.

						Эволюционная
						химия
				Учение	о
						1970-е
				химических
		Учение	о
				процессах
Учение	о	структуре		1950-е
составе		1800-е
1660-е

Рис. 6.1. Концептуальные уровни химии Как видно, в развитии химии происходит не смена, а закономерное

последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система не отрицает низлежащую предыдущую, а наоборот, опирается на нее и включает ее в себя в преобразованном виде.

Состав вещества и химические системы

Химический элемент - вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Индивидуальность химического элемента обусловлена: зарядом ядра атома. Наименьшая структурная единица элемента, сохраняющая его химические свойства, – это атом. Но химический элемент по-разному проявляет себя в различных соединениях: Например, водород H2, - газ, HClсоляная кислота, H2O - вода.

Рис. 6.2. Схема строения атома

60