Состояния вещества (макромир)

Как было установлено еще в Х1Х веке, все вещества состоят из молекул. Молекулы находятся в непрерывном движении. Агрегатное состояние вещества определяется соотношением между потенциальной энергией притяжения молекул и средней кинетической энергией их теплового движения , которая пропорциональна температуре Т.

Газообразное состояние вещества определяется тем, что кинетическая энергия теплового движения молекул существенно выше потенциальной энергии притяжения молекул. Газ не имеет структуры, легко сжимается, поскольку расстояния между молекулами значительно больше их размеров, занимает весь объем сосуда, в который помещен, столкновения вежду молекулами идеально упругие. Для газообразного состояния характерна максимальная энтропия.

В жидком состоянии потенциальная энергия притяжения молекул немного больше их кинетической тепловой энергии. Жидкости трудно сжимаются и принимают форму сосуда, в котором находятся. Слои молекул сдвигаются относительно друг друга, что обуславливает текучесть жидкостей. Для них характерна изотропия свойств во всех направлениях.

В твердом состоянии потенциальная энергия связи в молекулы

намного больше кинетической энергии теплового движения. Атомы (или молекулы) в твердом веществе фиксированы и испытывают только колебания около положения равновесия. Для твердых кристаллических веществ характерна периодически повторяющаяся структура – кристаллическая решетка. Кристаллы – это вершина упорядоченности (в неживой природе), энтропия в них минимальна. Переходы вещества из одного состояния в другое называются фазовыми переходами.

Плазма –это состояние ионизированного газа, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной : звезды, галактики, межгалактическое пространство. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, магнитосферы и ионосферы. Высокотемпературная плазма (миллионы К) из смеси дейтерия и трития используется при исследовании термоядерного синтеза. Низкотемпературная плазма применяется в различных газоразрядных приборах (например, плазма при комнатной температуре - лампа дневного света).

Таким образом, классическая термодинамика, описывающая изолированные равновесные системы, была завершена к концу Х1Х века, а в середине ХХ века родилась новая наука – синэргетика, описывающая открытые неравновесные системы.

Контрольные вопросы:

Что такое температура ?

Почему невозможна тепловая смерть Вселенной ?

Что такое энтропия ?

Литература:

19, 20, 21, 22__

Лекция 6. Концепции квантовой механики. Ядерная физика. Строение материи. (микромир)

Как уже было сказано выше, на рубеже Х1Х и ХХ веков началась четвертая революция в физике, и связана она была с тем, что классическая физика не могла объяснить ряд открытий, сделанных и конце Х1Х века. Это были прежде всего открытые немецким физиком К. Рентгеном неизвестные лучи ( Рентген так и назвал их - Х- лучи), а также открытое французским физиком А. Беккерелем явление радиоактивности. Беккерель работал с солями урана и заметил, что они, как и Х-лучи, зачерняют фотопластинку.

Исследования Беккереля были продолжены французскими учеными супругами П. и М. Кюри, обнаружившими в урановой руде, из которой они получали чистый уран, два новых химических элемента. Первый супруги назвали радием, что по латыни означает «лучистый» ( его излучение было действительно гораздо интенсивнее излучения урана), а второй Мария Кюри, урожденная Склодовская, назвала в честь своей родины Польши полонием.

За эти открытия А. Беккерель и супруги П. и М. Кюри были удостоены Нобелевской премии.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк, работая над проблемой излучения абсолютно черного тела, пришел к выводу, что энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями. Такую порцию энергии он назвал квантом. Одновременно Планк вывел формулу, связывающую энергию (Е) с частотой излучения или поглощения ( ) и вычислил коэффициент пропорциональности, впоследствии названный константой Планка (h): E=h . Заметим, что классическая физика вообще не могла объяснить природу излучения и его взаимодействия с веществом. За свои пионерские работы М. Планк был удостоен Нобелевской премии.

Итак, в начале ХХ века физикам стало ясно, что, что атом не является неделимой частицей, кирпичиком мироздания. Возникла проблема внутреннего строения атома, появилось несколько моделей. Первая принадлежала У. Томсону (он же лорд Кельвин).

Атом был представлен в виде шарика, внутри которого равномерно распределены положительные и отрицательные заряды. Модель просуществовала - недолго : величайший экспериментатор ХХ века

Э. Резерфорд, впоследствии лауреат Нобелевской премии, отец ядерной физики, опытным путем выяснил, что вся масса атома сосредоточена в его центре, который заряжен положительно, он назвал этот центр ядром; окружение ядра заряжено отрицательно. На основе этих экспериментальных данных Резерфорд предложил «планетарную» модель строения атома:

подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Модель была красива и эффектна, но она противоречила законам классической физики, согласно которым электроны должны были упасть на ядро.

Автор третьей модели датский физик Нильс Бор ( лауреат Нобелевской премии, которого справедливо считают отцом квантовой механики) принял за основу модель Резерфорда, но при этом осуществил дерзкую смену парадигм. Он выдвинул постулаты, в основе которых лежало смелое утверждение: в микромире не работают законы классической физики. Согласно первому постулату, когда электрон находится на постоянной, стационарной орбитали (так Резерфорд назвал траекторию движения электрона ), атом не излучает и не поглощает энергию, Излучение или поглощение энергии осуществляются при резких перескоках электрона с одной орбитали на другую (это второй постулат). По существу, постулаты Бора являются парадигмами квантовой механики - раздела физики, изучающего внутреннее строение атома. Квантовая механика описывает МИКРОМИР. Боровская модель атома была экспериментально подтверждена линейчатыми атомными спектрами, лежащими в основе мощного современного аналитического метода – спектрального анализа. Именно этим методом сначала на Солнце, а затем и в составе Земной атмосферы был открыт химический элемент гелий. Линейчатые атомные спектры получают при сжигании вещества и фотографировании пламени: оказалось, что каждый химический элемент дает индивидуальную, специфическую картинку, напоминающую штрих- код, причем каждая линия соответствует частоте перескока электрона с одной орбитали на другую, что и подтверждало модель Бора.

Основные принципы квантовой механики. Следующей ступенью изучения микромира было открытие французским физиком Луи де Бройлем, лауреатом Нобелевской премии, принципа корпускулярно – волнового дуализма. Корпускула - латинское название любой частицы, дуализм - это двойственность. Следовательно, корпускулярно – волновой дуализм - это двойственность волны и частицы. Следует заметить, что за 20 лет до этого мало кому известный служащий патентного бюро в г. Берне А. Эйнштейн получил свою первую Нобелевскую премию за объяснение фотоэффекта, открытого русским физиком А. Г.Столетовым – явления выбивания электронов с поверхности металла пучком света, Еще в Х1Х веке Дж. Максвелл предсказал, что свет - это электромагнитная волна. Но согласно классической физике, волна не может выбивать электроны, она может только отразиться от поверхности металла. А. Эйнштейн предположил, что свет является не только электромагнитной волной, но и потоком частиц, которые Эйнштейн назвал фотонами. Л. де Бройль распространил этот принцип на все частицы и волны, а именно : любую волну можно представить как поток частиц, и соответственно любому потоку частиц можно сопоставить волну.

Принцип Л. де Бройля был экспериментально подтвержден открытым вскоре явлением дифракции электронов. К тому времени (конец 20-тых годов ХХ века) уже было точно установлено, что электрон является частицей, и У. Томсон измерил его массу и заряд. Эффект дифракции характерен только для волн - это явление огибания волной препятствий. Таким образом, при определенных условиях электрон может вести себя как частица, тогда как при других условиях проявлять свойства волны.

Двойственность волны и частицы математически выражена в виде волновой функции (ψ - функция), предложенной австрийским физиком Э. Шредингером, лауреатом Нобелевской премии, при выведении им основного уравнения квантовой механики. Квадрат волновой функции равен вероятности нахождения микрочастицы в данной точке.

Заметим, что на микроскопическом уровне нельзя точно предсказать результат эксперимента, а можно лишь рассчитать вероятность различных результатов опыта, т.е. в микромире все явления носят вероятностный характер, тогда как макромир построен на принципе лапласовского детерминизма.

Принцип дополнительности Н. Бора: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, ведет к неизбежной потере информации о других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата микрочастицы и ее импульс, энергия частицы и соответствующий момент времени. Следуя Бору, с физической точки зрения принцип дополнительности объясняют влиянием физического прибора, являющегося макрообъектом, на состояние микрообъекта. Фундаментальным принципом квантовой механики является также принцип неопределенности, открытый немецким физиком В. Гайзенбергом, лауреатом Нобелевской премии: любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых ее координаты и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения.

Таким образом, к концу 30-тых годов ХХ века здание квантовой механики было построено. Потребовалось на это менее 30 лет. Следующим этапом познания микромира было создание ядерной физики, т.е. установление внутренней структуры атомного ядра. Как уже было сказано выше, отцом ядерной физики был Э. Резерфорд, открывший внутри атомного ядра положительно заряженные частицы – протоны. В 1932 г. английский физик Дж.Чедвиг, впоследствии лауреат Нобелевской премии, открыл в атомном ядре незаряженные частицы, масса которых была почти равна массе протона, и назвал их нейтронами. Немного раньше, в 1928 г. выдающийся английский физик -теоретик П. Дирак, впоследствии лауреат Нобелевской премии, предсказал существование положительно заряженного антипода электрона. Вскоре эта частица была экспериментально обнаружена и названа позитроном. Это была первая из многочисленных открытых далее элементарных частиц. К середине ХХ века их было открыто уже более трехсот. Название «элементарные частицы» говорило о том, что их считали пределом деления. Казалось, что мельче уже ничего не существует. Однако в 1964 г. американским физиком М. ГеллМаном было высказано предположение о существовании частиц, несущих дробный заряд, меньший заряда электрона. Их назвали кварками. Кварки -гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять все все элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях (адроны). Различают шесть видов (или, как их называют физики, шесть «ароматов») кварков, этих мельчайших (правда, гипотетических) кирпичиков мироздания, из которых состоят протоны и нейтроны.

Строение материи. Изложенный выше материал позволяет выстроить схему строения материи, которая, как уже было показано, существует в двух формах –вещества и поля. Как уже было сказано выше, поле передается с помощью волны. Вещество состоит из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов, атомы – из ядра и электронной оболочки, ядро – из протонов, нейтронов и элементарных частиц, а мельчайшими (правда, гипотетическими) кирпичиками мироздания являются кварки. И здесь следует вспомнить о корпускулярно-волновом дуализме Л. де Бройля: каждой микрочастице соответствует волна. Глубокий физический ( и философский ) смысл этого принципа состоит в том, что он говорит о единстве материи, двух ее форм – вещества и поля.

Подведем некоторые итоги. Физика микромира была построена менее чем за полвека, ее творили ученые многих стран, и почти все их достижения были отмечены высшей наградой в научном мире – Нобелевской премией.

Контрольные вопросы:

Что такое квант ? Кто ввел этот термин в науку ?

В чем сущность постулатов Бора ?

Что такое корпускулярно- волновой дуализм ?

Литература

4,7,10, 11, 13,21