Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие уфа-2007 удк 330. 01 (075. 8) Ббк 65. 02., 836.31kb.
- Утверждено Ученым Советом факультета психологии Санкт-Петербургского госуниверситета, 618.84kb.
- Учебное пособие для вузов Составитель Т. А. Тернова, 165.31kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2007 удк алексеева С. Ф., Большаков В. И. Информационные, 1372.56kb.
- Учебное пособие Кемерово 2007 удк, 1748.31kb.
- Учебное пособие Казань кгту 2007 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60., 1553.23kb.
- Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим советом угаэс уфа-2005 удк 330., 1365.17kb.
- Учебное пособие Москва Издательство Российского университета дружбы народов удк 811., 4061.47kb.
- М. К. Аммосова Институт физической культуры и спорта рабочая программа, 137.47kb.
- Базовый курс Учебное пособие Третье издание, исправленное и дополненное Томск 2007, 1615.15kb.
Лекция 2
Измерения и эксперимент в точном естествознании
1. Роль измерений в науке и технике. Эксперимент как метод естествознания.
После утверждения экспериментального метода и триумфа классической механики Ньютона не только в физике, но и в других отраслях естествознания стали широко применяться количественные методы, в том числе и разнообразные измерения. В настоящее время ни одна из отраслей естественных наук не обходится без измерений, но поскольку основой естествознания является физика, в большинстве случаев измеряются именно физические характеристики объекта или явления (это характерно, например, для химии, геологии, метеорологии и т.д.). В связи с этим далее для определённости будем рассматривать именно физические измерения.
Физическая величина – характеристика физических объектов и процессов, которая допускает количественное выражение и для которой указан способ её измерения. Измерение – это последовательность экспериментальных и теоретических операций, осуществляемая с целью нахождения значения физической величины. Измерение предполагает определение степени приближения найденного значения к истинному значению величины. Измерение является основным средством объективного познания мира. Законченное измерение включает следующие элементы:
Объект (явление), свойство или состояние которого характеризует измеряемая величина;
Единицу этой величины;
Технические средства измерения, проградуированные в выбранных единицах;
Метод измерения;
Наблюдателя (регистрирующее устройство), воспринимающего результат измерения;
Полученное значение измеряемой величины и оценку погрешности измерения.
Различают прямые и косвенные измерения. При прямом измерении результат получается непосредственно из процедуры измерения. Однако прямые измерения не всегда возможны или недостаточно точны. При косвенном измерении значение искомой величины находят по известной зависимости её от непосредственно измеряемых величин. Установление связи между величинами – одна из важнейших задач физики и других наук.
Независимо от способа измерения существует погрешность, т.е. ошибка измерений. За истинное значения величины обычно принимают среднее арифметическое измеренных значений. С учётом причин, порождающих ошибки, обычно выделяют несколько видов ошибок.
Систематическая ошибка обусловлена факторами, действующими одинаково при многократном повторении эксперимента. Из-за неисправности прибора или погрешности средств измерения возникают инструментальные погрешности; неточностью метода или используемых для расчётов данных обусловлена погрешность отсчёта. Систематическая ошибка может быть уменьшена введением соответствующих поправок в расчёты.
Случайная ошибка обусловлена факторами, действующими непредсказуемо в каждом отдельном измерении (например, колебания напряжения в сети, неоднородность внешней среды и другие неконтролируемые обстоятельства). Такие ошибки обычно неустранимы, но их влияние на результат можно уменьшить, если математически обработать данные на основе законов теории вероятности, установленных для случайных явлений. В частности, широко используется нормальный закон распределения или распределение Гаусса для случайной величины. Теория случайных ошибок позволяет определить наиболее вероятные значения измеряемых величин и возможные отклонения о них. На практике устанавливается число измерений, необходимых для получения заданной точности.
Грубые ошибки или промахи обусловлены неисправностью или сбоем работы приборов, резким изменением условий эксперимента; такие измерения обычно отбрасывают.
Если случайных и грубых ошибок нет, то максимальная абсолютная погрешность измерения равна сумме всех систематических погрешностей. Относительная погрешность прямых измерений – выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к приближённому значению величины. Погрешности косвенных измерений определяются сложнее.
2. Эксперимент – ведущий метод естествознания.
Особое значение измерения имеют для естественнонаучного эксперимента, являющегося ведущим методом познания окружающего мира. Эксперимент - наблюдение изучаемого явления и измерение характеризующих его величин в данной экспериментальной ситуации, т.е. в специально созданных и контролируемых условиях. Эксперимент отличается от простого наблюдения активным воздействием на изучаемый объект. Как правило, он осуществляется на основе той или иной теории, определяющей постановку задач и интерпретацию результатов. Многие эксперименты направлены не только на обоснование какой-либо естественнонаучной идеи, но и на разработку новых технологий в данной области практической деятельности, т.е. имеют не только фундаментальное, но и прикладное значение.
Основным требованием к научному эксперименту является его воспроизводимость. Повторение эксперимента в другом месте, в другое время, с иными (но аналогичными) объектами и измерительными приборами при тех же значениях параметров и величин, задающих экспериментальную ситуацию, должно давать для измеряемых характеристик те же значения. В настоящее время в естествознании в качестве источника сведений о явлениях природы эксперимент играет существенно большую роль, чем наблюдение естественных процессов. Исключение составляют те области науки, где масштабы явлений не позволяют воспроизвести их в лабораторных условиях (астрофизики, геофизика, небесная механика и др.).
Для современного эксперимента характерны следующие особенности:
Возрастание роли теоретической базы эксперимента: ему предшествует теоретическая работа большого числа учёных.
Сложность технического оснащения. Техника эксперимента насыщена многофункциональной электронной аппаратурой, сложными механическими и иными устройствами, высокочувствительными приборами. Большинство установок являются полностью замкнутыми системами автоматического регулирования, где технические средства обеспечивают заданные условия эксперимента с определённой точностью, регистрируют промежуточные данные и производят их обработку.
Масштабность эксперимента. Некоторые установки являются весьма сложными объектами крупных масштабов, строительство и эксплуатация которых связаны с большими материальными затратами и с активным воздействием на окружающую среду.
В любом естественнонаучном эксперименте чётко выделяются три этапа: подготовка эксперимента, получение данных, обработка и анализ результатов. Первый этап включает теоретическую проработку, постановку задачи и выдвижение вариантов её решения, подготовку исследуемого объекта, создание технической базы. Всё это обеспечивает качественное проведение исследования и облегчает обработку данных, в том числе и математическую. Современный эксперимент включает также непрерывный анализ хода исследований, корректировку программы и технического обеспечения. Анализ результатов должен включать обоснование правильности и достоверности полученных данных.
3. Системы единиц измерения (на примере физических величин).
Единица меры физической величины задаётся эталоном, т.е. физическим объектом, которому приписывается некоторое количество единиц меры. Эталон обеспечивает воспроизведение и хранение принятой единицы измерения. Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц измерения, образованная на основе законов связи между физическими величинами. Все производные единицы могут быть выражены через конечное число основных, независимых единиц. Примером систем единиц могут служить электростатическая (СГСЭ) и электромагнитная (СГСМ), принятые в 19 в. Британской ассоциацией по развитию наук, а также другие общефизические системы – система Гаусса (СГС), техническая (МКГСС) и др.
В настоящее время повсеместно используется система СИ (SI), принятая 11 Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. Достоинствами СИ являются универсальность (она охватывает все области науки и техники) и согласованность производных единиц, которые образуются по уравнениям, не содержащим коэффициентов пропорциональности. Например, первые три основных единицы (кг, м, с) позволяют образовывать все единицы величин, относящихся к механике. В следующей таблице приведены семь основных единиц системы СИ.
-
Величина
Обозначение
величины
Единица
Обозначение
единицы
Длина
L
метр
м
Масса
M
килограмм
кг
Время
T
секунда
с
Сила тока
I
ампер
А
Термодинамическая
температура
Θ
кельвин
К
Сила света
J
кандела
кд
Количество вещества
N
моль
моль
Широко применяется метод анализа размерностей, т.е. установление связи между физическими величинами на основе рассмотрения их размерностей. В основе этого метода лежит требование: уравнение, выражающее связь между физическими величинами, должно оставаться справедливым при любом изменении единиц входящих в него величин. Отсюда следует равенство размерностей в левой и правой частях любого физического уравнения.
Лекция 3
Структурные уровни организации материи: микромир и макромир
1.Категория материи в философии и естествознании. Корпускулярная и континуальная концепции.
Понятие материи относится к числу фундаментальных научных понятий, поэтому первоначально вопрос о материи как телесной субстанции, первооснове всего сущего был поставлен в философии. Различные философы древности, прежде всего греческие, по-разному решали проблему субстанциональных оснований бытия, то есть вопрос о том, из чего всё сущее происходит. Например, в трудах величайшего из греческих мыслителей Аристотеля разработано учение о материи и форме, которые соотносятся как возможность и действительность. В Новое время, когда закладывались основы аналитического естествознания, вклад в философское осмысление материи внесли Декарт, Спиноза и др. Представители классического материализма (Дидро, Гольбах, Фейербах и др.), по-своему переосмыслили учение Декарта о «телесной субстанции» и стали рассматривать материю как единственную реальность, к которой сводится всё сущее. Популярность материалистических доктрин в эпоху Просвещения была тесно связана с развитием науки, прежде всего естествознания.
Наибольшее развитие категория материи получила в диалектическом материализме (19-20 вв.), причём данная концепция сыграла значительную роль для развития естествознания, объектом изучения которого является материальный мир. Материя определяется как объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания и отражаемая им. Материя охватывает множество реально существующих объектов и систем мира. Материя является субстанциональной основой всевозможных свойств и форм движения, понимаемого как изменение, развитие. Она не существует иначе как в огромном множестве конкретных форм, различных объектов и их систем. Особенно подчёркивается способность материи к неугасающему саморазвитию. Наличный мир являет собой систему материального движения, в котором можно выделить иерархию пяти основных уровней: механическое, физическое, химическое, биологическое, социальное. Жизнь, общество – высшие формы движения, не сводимые ни друг к другу, ни к иным формам движения. Духовное объясняется как свойство особой «высокоорганизованной» материи – социализированного мозга, а способность познавать мир выводится из субстанционального атрибута материи – отражения.
С точки зрения современного естествознания материальный мир характеризуется упорядоченной системной организацией, в которой можно выделить:
Системы неживой природы (элементарные частицы, атомы, молекулы, макротела, космические объекты различных порядков, а также физические поля);
Биологические системы (от доклеточного уровня до человека и далее до биосферы);
Социально организованные системы (человек и общество).
Естествознание опирается на идею о материальном единстве мира, поскольку, несмотря на неисчерпаемое многообразие свойств материи уже выявлены и продолжают выявляться общие свойства и закономерности. Особую актуальность эта идея приобретает в наши дни в свете формирования новой, синергетической картины мира. Однако, говоря о естествознании, нельзя не упомянуть о важнейших концепциях материи, повлиявших на развитие физики и других наук.
Одной из наиболее важных и плодотворных для понимания природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, состоит из мельчайших частиц. Идея атомизма принадлежит древнегреческому философу Левкиппу (5 в. до н.э.), но развита она была его учеником Демокритом. Философские воззрения Демокрита по проблеме бытия заключались в том, что для осмысления бытия и движения необходимо ввести понятие о неделимости их элементарных оснований – атомах (по-гречески «атом» – неделимый). Бытие в собственном смысле этого слова – это атомы, которые движутся в пустоте, т.е. небытии. По Демокриту атом – неделимая, совершенно плотная, не воспринимаемая чувствами, самостоятельная частица вещества. Атом неделим, вечен, неизменен. Атомы никогда не возникают и никогда не погибают, имеют самую различную форму и размеры, они невидимы, их можно только мыслить. В процессе движения в пустоте атомы сталкиваются и сцепляются, образуя вещи, которые в отличие от атомов преходящи изменчивы. В учении атомизма сформулирован также принцип детерминизма (причинной обусловленности явлений): всё происходящее в мире не только причинно обусловлено, но и неизбежно. Это вытекает из однозначной определённости последующих движений атомов их предыдущими движениями. Мир атомистов - это мир сплошной необходимости, в котором нет объективных случайностей.
Концепция атомизма сыграла выдающуюся роль в развитии представлений о структуре материи, в частности в молекулярно-кинетической теории вещества, в объяснении свойств света. Идея дискретности, прерывистости является фундаментальной в современной физике.
Идеей, противоположной дискретности, является континуальность (континуум – непрерывность). Ещё философы милетской школы (Анаксимандр, Анаксимен) в 6 в. до н. э. говорили, что ничто (пустота) существовать не может. Позднее на отсутствие в мире пустоты и возможность бесконечного деления материальных частиц указывает Анаксагор. Аристотель также критиковал атомистов, т.к. представления о неделимых атомах противоречили аристотелевскому учению о движении и ряду других его концепций. В эпоху Возрождения континуальная концепция была развита Декартом, который, в частности, полагал, что если бы между телами была пустота (ничто), то тела бы соприкасались. Таким образом, материя отождествлялась с пространством, и мир считался полностью заполненным материей. Континуальная концепция также имела развитие в физике, в частности в теории электромагнитного поля Фарадея и Максвелла, в механике сплошных сред, в волновой оптике и др. В современном представлении о фундаментальных свойствах материи представлены обе концепции –дискретности и континуальности, поскольку современная физика доказывает наличие у материи корпускулярно-волнового дуализма.
2. Элементарные частицы.
Общие сведения об элементарных частицах. В настоящее время элементарными частицами называют большую группу мельчайших материальных объектов, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона – ядра атома водорода). Элементарные частицы не всегда бесструктурны. Требуется лишь, чтобы при соударениях они не могли дробиться на другие частицы, энергия связи каждой из которых гораздо меньше её собственной энергии. Современная физика элементарных частиц устанавливает их характеристики, проводит их классификацию, изучает фундаментальные взаимодействия и превращения частиц, вызываемые этими взаимодействиями, а также изучает внутреннюю структуру частиц. Поскольку многие важные особенности частиц проявляются лишь при их больших энергиях, современная физика элементарных частиц называется физикой высоких энергий.
Некоторые частицы существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии, и из них строится вся обычная материя: протоны и нейтроны, электроны, фотоны. К этим основным частицам были позже причислены электронные нейтрино и антинейтрино (рождаются при -распаде ядер), а также -мезоны (переносчики ядерного взаимодействия). Сейчас известно более 350 частиц, подавляющее большинство из которых не встречается в природе, они были получены в лаборатории. Основной способ получения таких неустойчивых частиц - столкновение быстрых стабильных частиц, при котором часть кинетической энергии налетающей частицы превращается в собственную энергию образующихся частиц. После распада нестабильных частиц в конечном итоге получаются стабильные.
Перечень частиц и их характеристики. В 1937 г. в космических лучах был зарегистрирован мюон - - тяжёлый аналог электрона с массой в 200 раз большей массы электрона. Затем была открыта ещё более тяжёлая частица с зарядом электрона – таон -, превосходящий электрон по массе в 3500 раз. Каждая из этих частиц имеет своё нейтрино – электронное е, мюонное и таонное (пока лишь теоретически доказано его существование), которые сопровождают «свои» частицы в различных процессах.
В 50-е годы сначала в космических лучах, а затем в лаборатории были зарегистрированы так называемы странные частицы : каоны (ка-мезоны) К+ , К 0 , лямбда-гипероны 0 , сигма-гипероны + ,0 ,- и кси-гипероны 0, -. Они обладают рядом необычных свойств, например, рождаются всегда парами, а распадаются по одиночке, поэтому они были названы «странными» частицами. В 1964 г. открыли ещё одну странную частицу - омега-минус-гиперон -.
В 60-е годы открыли более сотни частиц с очень малыми временами жизни (10-24-10-23 с). Их назвали резонансами. Они не оставляют треков в детекторах и регистрируются по влиянию на поведение других частиц. В 1974 г. обнаружены массивные (втрое тяжелее протона) относительно устойчивые мезоны J/, явившиеся родоначальниками группы так называемых «очарованных» частиц. Существование этих частиц подтвердило очень глубокие теоретические построения физиков. В 1977г. открыты ипсилон-мезоны , массы которых в 10 раз больше массы протона. Они являются родоначальниками группы частиц, названных «красивыми».
Частицы различаются значениями массы, среднего времени жизни, спина (собственного вращательного момента), электрического заряда. Существует большое количество других «зарядов»: странность, очарование (чарм), красота (бьюти) и др. Масса измеряется в энергетических единицах (МэВ) в соответствии с формулой Эйнштейна для взаимосвязи массы и энергии. Спектр масс известных частиц – от нуля (фотон, нейтрино) до 10570 МэВ (один из ипсилон-мезонов), Для сравнения: масса электрона 0,5 МэВ. Спин измеряется в единицах постоянной Планка. У протонов, нейтронов, электронов он равен ½, у фотонов 1, например, у некоторых резонансов 9/2. Электрический заряд кратен элементарному (о кварках см. далее).
Античастицы. Из теории электрона, построенной английским физиком П.Дираком в 20-е гг. вытекало существование позитрона –античастицы электрона с такой же массой и зарядом, но положительным. В 1932 г. позитрон был обнаружен в космических лучах. Позитрон, как и электрон, сам по себе стабилен, однако при встрече медленные электрон и позитрон аннигилируют (уничтожаются), порождая два фотона. Один вид материи –заряженные массивные частицы - переходит в другой – в нейтральные безмассовые частицы. Энергия покоя электрона и позитрона переходит в энергию фотонов. Если аннигиляция происходит из состояния покоя, то фотоны разлетаются в противоположные стороны, имея одинаковые импульсы и энергии 0,511 МэВ. Часто (но не всегда) позитрон образуется совместно с электроном. Рождение пары происходит при столкновении жёсткого (коротковолнового) -кванта с заряженной частицей, в качестве которой обычно выступает атомное ядро. Это возможно при достаточно большой энергии фотонов (больше удвоенной энергии покоя электрона).
Позитрон и электрон аннигилируют лишь тогда, когда в системе отсчёта, связанной с их центром масс, кинетическая энергия этих частиц не очень велика. Если же энергия большая, то при столкновении могут порождаться самые разнообразные частицы (вплоть до самого тяжёлого -мезона). Использование встречных пучков электронов и позитронов –один из самых эффективных методов генерации новых частиц.
В природе существует зарядовая симметрия: у каждой частицы должна быть античастица (иногда совпадающая с ней, как у фотона), и законы природы не меняются при замене всех частиц соответствующими античастицами (кроме слабого взаимодействия). В лабораторных масштабах синтезировано антивещество (в СССР в 1969 г. – антигелий). В космосе антивещество пока не обнаружено. Причина зарядовой симметрии является важной проблемой физики.
Взаимопревращаемость частиц. Это одно из наиболее фундаментальных свойств частиц. При этом образующиеся частицы не входят в состав исходных, а рождаются непосредственно в процессах их соударений и распадов. Например, фотон также не входит в состав атома, но излучается при переходе электрона с одного уровня на другой. Именно в процессах взаимопревращений учёные открывают новые частицы. Для этого сталкивают друг с другом известные частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты соответствующей реакции и фрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы.
Необходимыми элементами всякой экспериментальной установки для изучения частиц являются источники частиц, формирующие их пучки (радиоактивные препараты, космические лучи, ядерные реакторы, ускорители), и детекторы для регистрации частиц и измерения их характеристик (например, камера Вильсона). Необходимо повышать интенсивность пучков, чтобы увеличить число интересующих нас событий и облегчить их регистрацию. Необходимы также высокие энергии частиц, т.к. а) чем больше энергия зондирующих частиц, тем меньше их дебройлевская длина волны и тем более мелкие детали структуры исследуемых частиц можно выявить, б) чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем больше их масса и тем больше количество новых частиц , которые могут порождаться .
Понятие о классификации элементарных частиц. В основе классификации лежит отношение частиц к фундаментальным взаимодействиям. В особый класс выделяют фотоны - кванты электромагнитного поля, являющиеся переносчиками электромагнитного взаимодействия. Следующий класс составляют лептоны - частицы, не участвующие в сильном взаимодействии и имеющие нулевой спин. В этом классе различают три семейства – электронное, мюонное и таонное – каждое из которых содержит одну частицу и соответствующее ей нейтрино. Самым многочисленным является класс адронов – частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Адроны подразделяются на «стабильные» частицы со средним временем жизни много больше характерного времени сильного взаимодействия (10-23 с) и на резонансы. Адроны с целыми спинами называются мезонами, с полуцелыми - барионами. Каждая из групп содержит обычные, странные, очарованные и т.п. частицы. Кроме того, они разбиваются на небольшие семейства частиц, близких по массе, например, семейство нуклонов содержит протон и нейтрон, массы которых различаются на 0,1%. Частицы одного семейства идентичны по отношению к сильному взаимодействию.
Истинно элементарные частицы. Не исключено, что структурных уровней материи бесконечно много, однако в настоящее время считается, что истинно элементарные частицы, так называемые фундаментальные, всё же существуют. Прежде всего, ими считаются 6 лептонов и 6 антилептонов, т.к. пока не установлено наличие у них внутренней структуры, а также не определены их «размеры» (например, для электрона).
Адроны считаются составными частицами, построенными из кварков и антикварков. Один кварк и один антикварк образуют мезон, три кварка – барион, три антикварка – антибарион. Учитывая наличие у кварков таких характеристик, как странность, очарованность и т.п., всего различается 6 разных сортов кварков (что совпадает с общим числом известных лептонов). В свободном состоянии кварки не найдены.
Третий класс (наряду с лептонами и кварками) истинно элементарных частиц составляют переносчики взаимодействий. Установлено, что фундаментальные взаимодействия осуществляются путём испускания и поглощения данной частицей другой частицы – переносчика взаимодействия. Силы, действующие между двумя частицами, трактуются как результат непрерывно происходящего обмена между ними промежуточной частицей. Электромагнитное взаимодействие осуществляется путём обмена фотонами, слабое – промежуточными бозонами, сильное – глюонами. Глюоны, как и кварки, «заперты» внутри адронов. Гравитационное взаимодействие должно осуществляться гравитонами, регистрация которых пока откладывается на неопределённый срок.
В начале 70-х годов прошлого века было установлено, что электромагнитное и слабое взаимодействия есть проявления некого единого взаимодействия, названного электрослабым. Проблемой современной физики является «великое объединение» всех четырёх взаимодействий в одно. Достигнуты серьёзные успехи на пути объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Многочисленные теоретические схемы предсказывают в этой связи нестабильность протона, который считался существенно стабильной частицей. Обнаружение распада протона, которое ищут экспериментаторы во многих странах, послужило бы веским аргументом в пользу «великого объединения».
3.Атомы и молекулы.
Современное представление об атомах возникло в процессе развития физических и химических знаний о веществе. В конце 18 в. был открыт закон постоянства состава (Пруст, 1799). В 1803 г. Дальтон сделал следующий важный шаг: он опубликовал первую таблицу атомных весов. В 1808 г. он же открыл закон кратных отношений: вещества соединяются в одних и тех же весовых отношениях, так что некоторое количество одного вещества может прореагировать только с определённым количеством другого. Дальтон заметил, что указанные законы можно объяснить на основе атомистической теории. В дальнейшем физики и химики открыли ещё ряд законов, легко объясняемых представлением об атомной структуре вещества (Гей-Люссак, Авогадро и др.). Но атомистическая теория строения вещества окончательно была принята всем учёным миром лишь в 1908 г., что связано с работами выдающегося французского физика Жана Перрена.
В настоящее время принято следующее определение атома: это часть вещества микроскопических размеров (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Простейшим является атом водорода. Он состоит из ядра (положительно заряженной частицы, которую назвали протоном) и одного электрона. Атомы других элементов содержат в своих ядрах кроме протонов ещё и нейтроны, а количество электронов в так называемых электронных оболочках равно количеству протонов в ядре. Существуют жёсткие правила «заселённости» электронами различных уровней оболочки, что является предметом квантовой физики. Строением внешних электронных уровней определяется реакционная способность атомов, т.е. возможность образовывать соединения с другими атомами. Этот вопрос, решаемый на основе физических закономерностей, является одновременно важнейшим для химии.
Молекула - наименьшая структурная частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединённых между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (газы водород, азот) до сотен и тысяч (некоторые витамины, белки и др.). Иногда атомы инертных газов (гелия, аргона и др.) называют одноатомными молекулами. Атомы в молекуле связаны между собой в определённой последовательности и определённым образом расположены в пространстве. Наиболее общие характеристики молекул – масса, состав и структурная формула, указывающая последовательность химических связей. Молекулы, как и атомы, не имеют чётких границ, а их размеры лежат в пределах 10-10-10-7 м. Их нельзя увидеть даже с помощью оптического микроскопа, однако реальность их существования доказывается многими явлениями (броуновское движение, диффузия, дифракция рентгеновских лучей и др.), а также изображениями, полученными специальными (неоптическими) методами.
Устойчивость молекулы в среде зависит от её взаимодействия с другими частицами вещества, а также от температуры, давления и других внешних факторов. В газообразном состоянии вещество как правило состоит из молекул (кроме инертных газов, паров металлов). При достаточно высоких температурах молекулы распадаются на атомы. Из молекул построены большинство жидкостей и молекулярные кристаллы. В металлах и других атомных кристаллах молекулы как правило не существуют, т.к. в них каждый атом взаимодействует со всеми соседними атомами примерно одинаково.
4. Макромир.
При определённых условиях атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности – макроскопические тела, т.е. частицы образуют вещество. Выделяют три агрегатных состояния вещества (от латинского aggrego -присоединяю, связываю): твёрдое, жидкое и газообразное; часто говорят об особом, четвёртом состоянии - плазме. То или иное агрегатное состояние определяется тем, в каких условиях находится вещество (температурой, внешним давлением и др.). Если же перейти к анализу структуры вещества, то окажется, что агрегатное состояние зависит от характера движения и взаимодействия частиц вещества. Все вещества (за редким исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях.
При достаточно низких температурах все вещества являются кристаллическими, т.е. их частицы образуют в пространстве регулярную структуру – кристалл, представляющий собой многогранник с гранями в виде правильных многоугольников. Форма многогранников зависит от условий образования кристалла, так что одно и тоже вещество может находиться в разных кристаллических модификациях. Одиночный кристалл, имеющий правильную форму, называют монокристаллом. Характерной особенностью монокристалла является его анизотропия, т.е. зависимость его физических свойств (механических, оптических и др.) от направления в кристалле. Крупные монокристаллы можно получить при определённых условиях из расплавов; их выращивают также в условиях невесомости на космических кораблях. Если же просто охладить, например, расплав металла, то мы получим структуру, состоящую из отдельных зёрен неправильной формы – поликристалл, не обладающий анизотропией, а наоборот, изотропный. Расположение частиц в кристаллах характеризуется высокой упорядоченностью (дальний порядок), а движение частиц представляет собой колебания около фиксированных положений равновесия (узлов решётки). Устойчивость кристаллов обеспечивается силами межмолекулярного взаимодействия.
Переход от твёрдого к менее упорядоченному состоянию – жидкому – происходит при определённых температуре и давлении (хотя наблюдаются и непрерывные переходы). Плотности жидкостей незначительно отличаются от плотностей кристаллов, что указывает на плотную упаковку частиц, но свойства жидкостей существенно иные, чем у кристаллов. В частности, жидкости текучи и под действием силы тяжести принимают форму сосуда, в котором находятся, текут по трубам и т.д. Это объясняется отсутствием у жидкостей кристаллической решётки и наличием лишь ближнего порядка в расположении частиц. При этом частицы весьма малое время колеблются около одного положения равновесия, а затем перескакивают в другое. Притяжение между частицами жидкости слабее, чем в кристаллах.
В газообразном состоянии в некоторых физических процессах вещество теряет свою индивидуальность, что связано с малой плотностью. В разреженных газах почти отсутствует взаимное притяжение частиц, а значит, не проявляется индивидуальная атомная структура. Плотность газа при обычных условиях в тысячи раз меньше плотности жидкости или твёрдого тела из того же вещества, частицы находятся на больших расстояниях друг от друга и движутся свободно от одного соударения до другого. При воздействии некоторых видов излучения, при очень высоких температурах и других процессах происходит ионизация газа: часть молекул теряет электрическую нейтральность (из-за потери электронов) и превращается в положительные ионы. Возможны случаи, когда газ полностью ионизируется. Частично или полностью ионизированный газ называют плазмой. Вследствие наличия у частиц электрического заряда плазма проявляет ряд специфических физических свойств.
Следует отметить, что к макромиру принадлежит человек и большое число других живых организмов. Живое вещество образовано из тех же химических элементов, что и неживое, однако наименьшей структурной единицей живого вещества является клетка – элементарная жизнеспособная система, основа строения и жизнедеятельности растений, животных, человека. Утверждение о том, что все ткани живых организмов состоят из клеток, составляет суть клеточной теории, основу которой заложили в середине 19 века немецкие учёные М. Шлейден и Т. Шванн.