Концепции Современного Естествознания

Вид материала

Документы

Содержание Первый постулат Второй постулат 5. Большой взрыв 6. Внутреннее строение Земли

Подобный материал:

• В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
• Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
• Г. И. Рузавин Концепции современного естествознания Рекомендовано Министерством общего, 3030.69kb.
• Введение Наука "Концепции современного естествознания", 48.81kb.
• Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания, 9919.17kb.
• Программа дисциплины концепции современного естествознания для студентов 3 курса очной, 191.37kb.
• Программа дисциплины «концепции современного естествознания» «050706 Педагогика и психология», 169.4kb.

4. Атом – (неделимый), мельчайшая часть химического элемента, сохраняющая его свойства. Состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны (общее название – нуклоны) и электронных оболочек, число электронов в которых равно числу протонов в ядре. Атом в целом электронейтрален, химические свойства его в основном определяются конфигурацией внешних оболочек и количеством электронов на них. Энергетические характеристики орбитальных электронов обладают свойством дискретности и изменяются скачкообразно путем т.н. квантового перехода, посредством поглощения или испускания квантов электромагнитного излучения – фотонов. В первом приближении модель атома можно изобразить в виде сферического образования, весьма условно характеризуемого средним диаметром порядка 10^-8 см, причем фактически вся атомная масса сосредоточена в ядре, имеющем размеры порядка 10^-13 см.

Атомы всех существующих химических элементов расположены в периодической системе в порядке возрастания их атомных номеров. Выдающийся английский физик Эрнест Резерфорд пришел к планетарной модели атома на основе эксперимента, анализируя распределение траекторий рассеянных альфа-частиц, которыми он бомбардировал атомы мишени. Некоторые частицы вели себя так, будто отражались от ничтожной по размерам, но твердой преграды, большинство других лишь слегка рассеивалось гораздо большей в диаметре, но очень «рыхлой» областью. Интересно то, что еще за семь лет до Резерфорда, в 1904 году известный японский физик Хантаро Нагаока (1865 – 1950) предложил модель атома, построенную по типу планеты Сатурн, согласно которой атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращается кольцо электронов. Однако эта чисто умозрительная модель, не имея экспериментального обоснования, не произвела в то время впечатления на научное сообщество, хотя сейчас её можно считать предшественницей планетарной модели атома Резерфорда.

Изучение закономерностей внутриструктурного поведения атома показало, во первых, принципиальную ограниченность описательных возможностей ньютоновской классической физики (высшего достижения человеческой мысли с античных времен), а во вторых - тех принципов мышления и аналогий, которые базируются на здравом смысле и предшествующем опыте естествознания. В настоящее время существует несколько моделей атома, отражающих несводимые друг к другу особенности его поведения в различных ситуациях, более адекватно описывающих процессы взаимодействия атомов в вероятностных терминах квантовой механики, но, конечно, не обладающих той наглядностью, которая свойственна более простой и доступной обыденному сознанию, но слишком упрощенной и поверхностной планетарной модели.

Последняя, отражавшая структуру атома в привычных мышлению 19-го века аналогиях, выдвинутая в 1911 году Резерфордом, произвела, тем не менее, переворот в естествознании, хотя являлась очень грубым приближением. Став началом мировоззренческой революции 20-го века, вообще, и послужив мощным импульсом для развития атомной науки, в частности, планетарная модель атома была модернизирована в 1913 году выдающимся датским ученым Нильсом Бором (см.), выдвинувшим для объяснения парадоксальных свойств атома два постулата, основанных на квантовых представлениях и полностью отвергавших традиционные подходы классической физики.

Первый постулат состоит в том, что электроны могут находиться только на т.н. разрешенных орбитах, стационарное состояние которых обеспечивается тем, что электрон неограниченно долго может не излучать энергию и, при отсутствии воздействий извне, не поглощать ее.

Второй постулат утверждает, что при энергетических воздействиях электрон способен поглощать энергию только дискретными порциями – квантами, переходя при этом как бы на более высокую орбиту (возбужденное состояние), откуда он непременно возвращается в основное состояние (квантовый скачок), излучая избыток энергии в виде квантов электромагнитного поля (фотонов). Этот подход позволил упорядочить и объяснить все необъяснимые ранее экспериментальные данные и теоретически предсказать новые необычные свойства атомов, подтвержденные в дальнейшем экспериментально, хотя многие, взятые в качестве знаков из арсенала классической науки термины и понятия, имеют совершенно другие референты в субатомном мире.

Модель атома Резерфорда-Бора и дальнейшее развитие атомной физики по своему революционному влиянию на всю культуру 20-го века сравнимы, пожалуй, только с воздействием на европейское мышление 16-17 веков гелиоцентрической системы Коперника-Кеплера. Эти исследования стали началом следующего за ньютоновской физикой этапа в развитии науки, они привели к появлению новой парадигмы, выходящей далеко за пределы собственно естествознания, и позволили заложить основы нового философского неклассического воззрения на мир как на иерархическую последовательность несводимых друг к другу форм структурной организации материи (микромир, макромир и мегамир), требующих, наряду с традиционными общеметодологическими принципами науки, использования специфических для каждого данного уровня реальности приемов познания и методов интерпретации, а также рационального выбора фундаментальных оснований и логико-семантических ограничений.

Впервые идея об атомном строении вещества была высказана чисто метафизически еще в 4-5 веках до н.э. древнегреческими философами Анаксагором, Левкиппом и Демокритом – «весь мир состоит из атомов, непрерывно движущихся в пустоте». В те же античные времена она была отвергнута Платоном и Аристотелем, которые сводили мир к четырем первоэлементам – земле, воде, воздуху и огню. Атомистическая идея строения материи возродилась веком позже в философии Эпикура, получила поэтическое отражение и дошла до нашего времени в поэме древнеримского поэта Лукреция Кара «О природе вещей». Пережив столетия, она возникла, уже на научных основаниях, в начале 19 века в трудах Джона Дальтона по химии, который доказывал атомистическое строение вещества на основе эмпирического закона кратных отношений масс реагентов, претерпевающих химические превращения. Затем в обновленном виде, начиная с конца 19-го – начала 20-го веков, преодолевая сопротивление даже самых крупных ученых (таких, как Мах и Оствальд), атомистическая идея стала основным концептуальным фундаментом современной физики и химии.

Исследованием закономерностей поведения атомных электронных оболочек (орбиталей) занимается атомная физика, в частности, атомная спектроскопия, позволяющая идентифицировать атомный состав вещества светящихся космических объектов – Солнца, комет, далеких звезд, газопылевых облаков и туманностей и т.п. по спектральным характеристикам электромагнитного излучения, испускаемого возбужденными атомами вещества этих объектов, и ставшая важнейшим подспорьем современной астрофизики и космологии.

Все атомы характеризуются атомной массой и атомным номером. Атомная масса (а.е.м.) – это масса атома химического элемента, выраженная в атомных единицах массы, в качестве которых принята 1/12 часть массы изотопа углерода с массовым числом 12. Приблизительно 1 а.е.м. = 1,66*10^-24 г. Атомный номер – это порядковый номер атомов Z (или т.н. зарядовое число) различных химических элементов в периодической системе элементов (например, в таблице Менделеева). Соответствует числу протонов в ядре и, следовательно, - электронов на атомных орбиталях. Последние, согласно модернизированной модели атома Резерфорда-Бора, представляют собой локализованные в соответствующих областях атома облака электронов.

Атомный номер характеризует периодичность химических свойств элементов. Для всех известных на Земле природных элементов величина атомного номера изменяется в пределах от 1 (водород) до 92 (уран). Вместе с массовым числом М (суммой протонов и нейтронов в ядре) атомный номер характеризует химический элемент (как набор изотопов) в периодической системе элементов: символически: ^МХ_Z , где Х – соответствующий символ того или иного химического элемента.

Понятие химического элемента ввел в науку в 1661 году английский физик и химик Роберт Бойль (1627 – 1691), который был сторонником атомистической гипотезы и считал, что все тела состоят из более мелких и совершенно одинаковых частиц (атомов). В последние годы методом последовательных ядерных реакций были получены искусственные (т.н. трансурановые, до 114-го включительно) радиоактивные элементы, все из которых, за исключением 92-го (плутоний, альфа-распад, период полураспада 24000 лет), весьма нестабильны и «короткоживущи».

Центральной структурой атома является атомное ядро. Оно состоит из протонов, имеющих положительный электрический заряд, и электронейтральных нейтронов (общее название – нуклоны). Число протонов определяет порядковый номер того или иного химического элемента в периодической таблице Менделеева, различное количество нейтронов в ядре при данном числе протонов обусловливает наличие изотопов у одного и того же химического элемента. При образовании ядра атома из определенного количества нуклонов результирующая масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, составляющих его, на величину энергии связи, делающей ядра устойчивыми структурами. Согласно теории относительности, эта энергия связана с недостающей массой соотношением E=mc² (дефект массы, - обнаружен английским физиком Ф.У. Астоном в 1927 г.)., она в миллионы раз превышает энергию связи электронов в атомных оболочках и выделяется при ядерном взрыве или в ядерных реакторах на АЭС из тех ядер, которые способны к реакции деления.

Связь между нуклонами в ядре осуществляется посредством сильного взаимодействия в результате обмена виртуальными мезонами (пи-мезонами или сокращенно пионами). Существует эмпирически найденная зависимость энергии связи нуклонов в ядре от его атомной массы – т.н. кривая Астона (1927 г.), имеющая максимум в районе атома железа (примерно 8,2 Мэв на один нуклон). Энергия связи для атомных ядер изотопов урана, тория или плутония составляет примерно 7 Мэв на нуклон – и эта разница (с учетом атомной массы этих нуклидов - около 200 Мэв на одно ядро) как раз и выделяется при цепной реакции делении ядер в реакторах или бомбах. Пересчет значений энергетического выхода реакции ядерного деления на обычные энергоносители, показывает, что один килограмм урана или плутония выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 2000 тонн нефти или взрыву 20000 тонн тротила.

Некоторые конфигурации ядер обладают повышенной устойчивостью и называются магическими, - это те, которые содержат по 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 нуклонов. Они наиболее распространены в природе и наиболее устойчивы в процессах ядерных превращений. Изотопы химических элементов бывают стабильные и радиоактивные. Последние представлены небольшим количеством реликтовых элементов, среднее время жизни которых соизмеримо с геологическим возрастом Земли (уран-235, уран-238, торий-232, калий-40 и некоторые другие). Все же остальные радиоактивные нуклиды (а их огромное количество), для использования в науке и технике, получают искусственным путем в разнообразных ядерных реакциях.

Ядра с четным числом нуклонов имеют целочисленное и нулевое значения спина, а с нечетным – полуцелое, и проявляют соответствующие магнитные свойства. Будучи квантовомеханическими системами, ядра характеризуются дискретными энергетическими состояниями, - каждый переход из возбужденного в основное состояние сопровождается испусканием гамма-фотона – жесткого электромагнитного излучения соответствующей энергии, представляющей разность между энергиями основного и возбужденного состояний или между энергиями двух соседних уровней при каскадном переходе.

Совокупность возможных энергетических переходов образует спектр ядерного излучения, с характерными линиями для ядер каждого химического элемента. Например, часто используемый в медицинской практике для радиотерапии онкологических заболеваний радиоактивный изотоп кобальт-60 (т.н. кобальтовая пушка), после бета-распада дает дочерний продукт – изотоп никель-60 в возбужденном состоянии, который, переходя в основное, излучает спектр гамма-фотонов двух энергий – 1,17 Мэв и 1,33 Мэв. Используемый в гамма-дефектоскопии материалов изотоп цезий-137 дает после бета-распада в качестве дочернего продукта радиоактивный нуклид барий-137, который переходит в основное состояние, испуская гамма-фотоны с энергией 0,6 Мэв.

Атомное ядро очень сложная система, проявляющая различные, часто противоречивые и даже взаимоисключающие, свойства в процессах, протекающих при различных энергетических условиях. Это отражается и в имеющихся моделях атомного ядра, которые хорошо описывают закономерности поведения ядра в определенных энергетических диапазонах, при выходе за пределы которых «описательная сила» этих моделей резко убывает. Таковы: модель составного ядра (Н. Бор, 1936 г.), гидродинамическая модель ядра (М. Борн, 1936 г.), оболочечная модель (М. Гепперт-Майер, И. Йенсен, 1950 г.), обобщенная модель, как бы примиряющая вторую и третью (О. Бор, Б. Моттельсон, 1953 г.), сверхтекучая модель (те же, 1958 г.) и еще несколько других моделей, все из которых имеют один общий недостаток – необходимость введения значительного количества параметров, которые приходится эмпирически подбирать для обеспечения наилучшего согласования теоретических расчетов с экспериментальными данными.

Тем не менее, вся практика использования ядерной энергии как в мирных, так и в военных целях опирается на существующую и продолжающую активно развиваться в настоящее время теорию атомного ядра. Возможно, что общая непротиворечивая теория атомного ядра будет построена на основе кварковой модели элементарных частиц. (См. также: Ядерный реактор).


5. Большой взрыв, (модель большого взрыва), - современная общепринятая теория происхождения и эволюции Вселенной, суть которой сводится к тому, что вся видимая область космического пространства возникла примерно 15-20 миллиардов лет назад из т.н. «сингулярности» – специфического состояния материи, характеризующегося ядерными размерами и плотностью вещества порядка 10⁹⁵ г/cм³ (плотность воды = 1 г/см³). Метафора "взрыв", в результате которого видимая часть Вселенной находится в процессе расширения (разбегание галактик), весьма условна и скорее преследует цель наглядности.

С точки зрения современной физики это явление трактуется в терминах квантового перехода из состояния т.н. первичного квантового вакуума через ряд промежуточных форм к состоянию известных на сегодняшний день форм материи – вещества, состоящего из атомов и молекул, субъядерных «элементарных» частиц и некоторых видов полей, достаточно адекватно описываемых современной квантовой механикой. При этом, в отличие от взрыва в привычном понимании, разлетается не вещество и объекты Вселенной из какой-то центральной точки пространства, а как бы «раздувается» само пространство – межгалактические области Вселенной, причем условно выбранным центром для удобства математического описания процесса может быть любая точка пространства, - например, наша планета Земля.

Вопрос об историческом развитии Вселенной возник в 20-е годы нашего века, когда российский ученый А.А. Фридман получил ряд нестационарных решений уравнений общей теории относительности А. Эйнштейна, соответствующих расширению или сжатию пространства. Аналогичные варианты моделей вселенных были также исследованы еще в 1916 году голландцем В. де Ситтером и в 30-х годах французом Ж. Леметром. В 1927 году американский астроном Эдвин Хаббл, зная уже о теории Фридмана и других моделях нестационарной Вселенной, экспериментально установил факт разбегания далеких галактик и предложил формулу зависимости скорости разбегания космических объектов V от расстояния R: V=HR, где H по современным данным равно примерно 20 - 25 км /сек на 1 миллион световых лет (т.н. постоянная Хаббла). Величина, обратная постоянной Хаббла, представляет собой время, в течение которого расширялась Вселенная, т.е. фактически её возраст (по современным данным  13,5 млрд. лет).

Идею типа “Большого взрыва” в первоначальном виде (теория “горячей Вселенной”) выдвинул на основе предшествующих идей Леметра в сороковых годах американский физик русского происхождения Георгий Гамов, предсказав существование следов этого взрыва – т.н. реликтового излучения, открытого в середине 60-х американскими радиоинженерами Пензиасом и Вильсоном (Нобелевская премия). В настоящее время это очень сложная теория, позволяющая удовлетворительно объяснить многие экспериментальные данные и внутренне непротиворечиво, и научно правдоподобно воссоздать историю эволюции Вселенной.

Независимо от того, насколько достоверно эта теория позволяет объяснить некоторые отдельные детали процесса, ее огромное философское значение бесспорно. Созданием этой концепции завершился тысячелетний спор о том, что в мире неизменно, а что подвержено изменениям, в пользу глубокого убеждения, основанного на научных доказательствах, о принципиальной историчности Вселенной и эволюционном пути развития любых сущностей как живой, так и неживой природы в характерном для каждого явления собственном темпоральном мире. Таким образом, не существует в мире ничего неизменного, и само мироздание – Космос, идеал гармонии и порядка древних греков, во все времена считавшийся вечным и неизменным, - является одной из стадий нескончаемого процесса изменения и превращения материи. (См. также: Вселенная, Галактика, Фридман).


6. Внутреннее строение Земли – это геологическая модель, описывающая структуру земного шара. Согласно современным геофизическим (в основном сейсмическим) данным, земной шар разделяется на три основные области – земную кору, оболочку и ядро. Под корой понимают верхний твердый слой, который имеет среднюю толщину на континентах примерно 30-40 км, тогда как в океанах она значительно меньше и составляет 10-20 км. Масса земной коры составляет менее 1% всей массы планеты, а её объем – примерно 1,5% от объема земного шара. Оболочка, или т.н. мантия, Земли расположена ниже коры и состоит из верхней мантии (примерно до 400 км. вглубь земного шара) и нижней мантии (достигающей около 3600 км. глубины).

Внутри верхней мантии располагается т.н. астеносфера – слой пониженных скоростей распространения сейсмических волн, что свидетельствует о более низкой плотности и более высокой вязкости вещества, из которого этот слой состоит. Астеносфера имеет большую толщину под тектонически активными областями – геосинклиналями, и его верхняя граница несколько приподнята по сравнению с т.н. платформами – территориями, характеризуемыми более спокойным тектоническим режимом.

На массу оболочки приходится примерно 68% всей массы Земли и около 82% объема. Ядро, состоящее из внутренней и внешней частей, занимает центральную область земного шара и составляет около 31% всей его массы и 16% всего объема. Полная масса Земли равна примерно 5,596*10²⁴ кг, а её объем составляет около 1,083*10¹² куб. км.

Ядро состоит из расплавленных металлов, в том числе и радиоактивных изотопов, при распаде которых выделяется огромное количество энергии (например, при радиоактивном распаде 1 г. радия выделяется примерно 140 калорий в минуту), вследствие чего температура ядра достигает 6000 градусов. Температура на границе оболочки и ядра считается равной 4000-5000 градусов, а температура Земли на глубине около 100 км. оценивается примерно в 1800 градусов. Более легкая твердая земная кора, имеющая среднюю плотность около 2,8 г/см³, как бы плавает на расплавленном и гораздо более плотном веществе мантии, и эти соображения лежат в основе теории дрейфа материков, или мобилизма.

Горные породы – естественные твердые природные образования, составляющие земную кору. В геологии горные породы подразделяются на несколько типов:

а). Осадочные породы, накапливающиеся на дне морей и прочих водоемов, - песчаники, известняки, глины, мергели и т.д., и аллювиальные (наносные) осадочные отложения постоянных и временных водных потоков, накапливающиеся в руслах и поймах рек и ручьев, - рыхлые пески, галечники, слабоуплотненные глины и т.п. Отличительной особенностью осадочных пород является их слоистая структура;

б). Магматические породы, образовавшиеся на поверхности Земли при застывании и кристаллизации магмы – расплава глубинного вещества планеты, вытекающего на поверхность в процессе вулканической деятельности. Магматизм как процесс образования магмы и её взаимодействия с горными породами и внешней средой подразделяется на геосинклинальный, платформенный и океанический;

в). Метаморфические породы, возникающие в результате переработки (метаморфизма) как первично-осадочных, так и магматических пород, происходящего с полным или почти полным изменением их минерального состава, структуры и пр. в условиях высоких температур и давлений, а также под действием химических факторов. К метаморфическим породам относятся гнейсы, кристаллические и глинистые сланцы, кварциты, различные виды мрамора и др.

Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии, подстилаемой астеносферой. На континентах толщина литосферы достигает 400 км., под океанами – примерно 150-200 км. Обширные области литосферы, разделенные крупными глубинными разломами, называются в геологии литосферными плитами. Геологи выделяют семь крупных литосферных плит, т.е. таких частей земной коры, которые ведут себя как единые твердые образования – Антарктическая, Африканская, Евразиатская, Индо-Австралийская, Северо-Американская, Тихоокеанская, Южно-Американская плиты, на которые, согласно теории мобилизма, примерно 200 млн. лет назад раскололся древний единый суперматерик – Пангея. Литосферные плиты медленно движутся друг относительно друга (в среднем на несколько сантиметров в год), сходясь или расходясь на некоторых своих границах (т.н. дрейф материков).

В результате тесного соприкосновения границ проскальзывающих с трением плит возникают резкие толчки, порождающие землетрясения. Разломы (или дизъюнктивы) – это тектонические нарушения сплошности горных пород с перемещением друг относительно друга частей, которые были разделены разрывом. В результате тектонических разрывов в процессе общей деформации горных пород возникают складки, т.е. изгибы пластов осадочных и метаморфических пород, которые могут быть обращены выпуклостью вниз (синклинали) или вверх (антиклинали). К границам плит приурочены горные хребты, глубоководные желоба, места активной вулканической деятельности, очаги мощных землетрясений.

Землетрясения – природные геотектонические катастрофы, состоящие в резких кратковременных вибрациях земной поверхности, которые возникают в результате трения литосферных плит при тесном соприкосновении их границ при движении. В тех случаях, когда плиты сходятся слишком быстро, вместо медленного процесса общей деформации земной поверхности – коробления и изгиба горных пород, приводящих к горообразованию, когда постепенно возникают складки пластов осадочных и метаморфических пород, энергия деформации плит высвобождается рывком. В процессе движения вдоль разлома край одной плиты с огромной силой надвигается на край другой плиты, энергия деформации плит постепенно накапливается и некоторое время не находит выхода, затем в течение очень короткого времени (нескольких секунд) накопленная энергия выделяется в виде сейсмических толчков. Мощность каждого из таких толчков в эпицентре землетрясения может сравниться с мощностью одновременного взрыва нескольких атомных бомб.

Для оценки силы землетрясений в сейсмологии используется т.н. шкала Рихтера, названная по имени американского сейсмолога Чарльза Рихтера (1900-1985). Это шкала логарифмического типа, в которой общей (суммарной) энергии упругих колебаний поверхности, вызванных землетрясением – т.н. магнитуде, поставлены в соответствие натуральные числа (от 1 до 10), имеющие смысл характеристик десятичного логарифма. Это значит, что при увеличении магнитуды на единицу, величина смещения колеблющегося грунта (амплитуда сейсмических волн) возрастет в 10 раз. Энергия, которая выделяется в очаге землетрясения, при возрастании магнитуды на единицу, увеличивается примерно в 30 раз. При магнитуде, равной 1 высвобождаемая энергия землетрясения равна примерно 2*10⁶ Дж, тогда как при магнитуде 9 – она равна 2*10¹⁸ Дж.