Учебник Естествознание 10 класс Базовый уровень Мансуров Мансуров

Учебник входит в УМК по естествознанию для старшей школы (10-11 классы). Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего (полного) общего образования (2012 г.). Включён в Федеральный перечень учебников, рекомендованных Министерством образования и науки Российской Федерации. ISBN 978-5-9963-1187-3 785996 311873 1427913 05L0U =279'136 У-Л2-3-4-4 '* IT1265 4! ' -■|Г ♦ • > X о; ш X X п п ■о "О о о CD ГО m п m П 00 О W X > X о т • 44 V". > fV' sr .а 'K^VS.'V г» ^ <:« KVi vO А.Н. Мансуров J Н. А. Мансуров № Л' РЛ5 'V.V' ■у/ •4 1 »!' .* X L^rz / :w .,«’л f; ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ БАЗОВЫЙ УРОВЕНЬ I ©ИЗДАТЕЛЬСТВО БИНОМ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА 1 1А 1 н i VIIIA 'не ВОДОРОД ГЕЛИЙ 1,00794 НА IIIA IVA VA VIA VIIА 4,002602 2 3 Li 4 Ве 5 в 6 с ' N 8 0 9 Р 10 Ne ЛИТИЙ БЕРИЛЛИЙ БОР УГЛЕРОД АЗОТ КИСЛОРОД ФТОР НЕОН 6,941 9,012182 10,811 12,011 14,00674 15,9994 18,9984032 20,1797 3 11 Na 12 Мд • 13 А1 14 Si 15 р 16 S 17 С1 18 Аг НАТРИЙ МАГНИЙ АЛЮМИНИЙ КРЕМНИЙ ФОСФОР СЕРА ХЛОР АРГОН 22,989768 24,3050 IIIB IVB VB VIB VIIB VlllJ IB IIB 26,981539 28,0855 30,973762 32,066 35,4527 39,948 4 19 к 20 Са 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Сг 25 Мп 26 Fe 27 1 In Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Вг 36 Кг КАЛИЙ КАЛЬЦИЙ СКАНДИЙ ТИТАН ВАНАДИЙ ХРОМ МАРГАНЕЦ ЖЕЛЕЗО КОБ/J микгль МЕДЬ ЦИНК ГАЛЛИЙ ГЕРМАНИЙ мышьяк СЕЛЕН БРОМ КРИПТОН 39,0983 40,078 44,955910 47,88 50,9415 51,9961 54,93805 55,847 58,9з| nn.oo 63,546 65,39 69,723 72,61 74,92159 78,96 79,904 83,80 5 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Мо 43 Тс 44 Ru 45 1 г Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Те 53 1 54 <е РУБИДИЙ СТРОНЦИЙ ИТТРИЙ ЦИРКОНИЙ НИОБИЙ МОЛИБДЕН ТЕХНЕЦИЙ РУТЕНИЙ РОЯ МАМЛАДИЙ СЕРЕБРО КАДМИЙ ИНДИЙ ОЛОВО СУРЬМА ТЕЛЛУР иод КСЕНОН 85,4678 87,62 88,90585 91,224 92,90638 95,94 97,9072 101,07 i02,gf nm,<2 107,8682 112,411 114,82 118,710 121,75 127,60 126,90447 131,29 6 55 Cs 56 Ва 57 La 72 Hf 73 Та 74 W 75 Re 76 Os 77 1 )n Pt 79 Au 80 Hg 81 Т| 82 РЬ 83 Bi 84 Ро 85 At 86 Rn ЦЕЗИЙ БАРИЙ ЛАНТАН ГАФНИЙ ТАНТАЛ ВОЛЬФРАМ РЕНИЙ ОСМИЙ ИРиД ПЛАТИНА ЗОЛОТО РТУТЬ ТАЛЛИЙ СВИНЕЦ ВИСМУТ полоний АСТАТ РАДОН 132,90543 137,327 138,9055 178,49 180,9479 183,85 186,207 190,2 1921 tuti.oo 196,96654 200,59 204,3833 207,2 208,98037 [208,99] [209,99] [222,02] 87 88 89 104 105 106 107 108 109 ■ 110 111 112 7 Fr ФРАНЦИЙ [223,02] Ra РАДИЙ [226,03] Ас АШНИЙ [227,03] Rf РЕЗЕРФОРДИЙ [261,11] Db ДУБНИЙ [262] Sg СИБОРГИЙ [263] Bh БОРИЙ [262] Hs ХАССИЙ [265] * I МЕИТЛ [2б1 Ds ^ШТАДТИЙ |Л1| Rg РЕНТГЕНИЙ [272] Cn КОПЕРНИЦИЙ [285] Н - s-элементы в - р-элементы V - d-элементы и - f-элементы А1иМПЬ1И НОМЕР 3 Li ЛИТИЙ R ал л . ОТНОСИТЕЛЬНАЯ 1| 1 АТОМНАЯ МАССА ЛАНТАНИДЫ 58 Се 59 Рг 60 Nd 61 Pm 62 1 si (Vl Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Но 68 Ег 69 Тт 70 Yb 71 Lu ЦЕРИЙ ПРАЗЕОДИМ НЕОДИМ ПРОМЕТИЙ САМА 1Й(М)ПИЙ ГАДОЛИНИЙ ТЕРБИЙ ДИСПРОЗИЙ ГОЛЬМИЙ ЭРБИЙ ТУЛИЙ ИПЕРБИЙ ЛЮТЕЦИЙ 140,115 140,90765 144,24 |144,01| 150| ini,U05 157,25 158,92534 162,50 164,93032 167,26 168,93421 173,04 174,967 ШИНИДЫ ^ 90 Th 91 Ра 02 и 03 Np 94 X Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr ТОРИИ шчяАктмии УМАМ ИИИУМИИ nnyrJ АММ*ИЦИЙ КЮРИЙ БЕРКЛИЙ КАЛИФОРНИЙ ЭЙНШТЕЙНИЙ ФЕРМИЙ МЕНДЕЛЕВИЙ НОБЕЛИЙ ЛОУРЕНСИЙ 732.o:mi ;f;u,o:mu ;;т,олш ж.{| J11,00I4 247,0703 247,0703 251,0796 252,083 257,0951 258,099 259,1009 260,105 ►> ФГОС А. Н. Мансуров, Н. А. Мансуров ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ БАЗОВЫЙ УРОВЕНЬ Учебник для 1 о класса Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации к использованию в образовательном процессе в имеющих государственную аккредитацию и реализующих образовательные программы общего образования образовательных учреждениях Москва БИНОМ. Лаборатория знаний 2013 УДК И7а.П)7.1:Г»0 ББК 20я7Н М23 Мансуров А. Н. М23 Естествознание, Базовый уровень : учебник для 10 класса / А. Н. Мансуров, Н. А. Мансуров. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 272 с. : ил., [8] с. цв. вкл. ISBN 978-5-9963-1187-3 В учебнике рассмотрены вопросы, связанные с формированием у школьников 10 класса естественнонаучной картины мира. Обсуждается роль естествознания как основы научного мировоззрения. Изучаются возможности человека в процессе познания природы, методы познания природы, виды материи и формы их суш;ествования, фундаментальные природные законы и теории. Каждый параграф сопровождается аннотацией, вопросами и заданиями, способствующими более глубокому усвоению учебного материала и проверке уровня его освоения в процессе обучения. Параграфы, обозначенные звездочкой, предназначены для учащихся, проявивших повышенный интерес к изучаемой теме. Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего (полного) общего образования (2012 г.). УДК 373.167.1:50 ББК 20я73 Учебное издание Мансуров Андрей Николаевич Мансуров Николай Андреевич ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ. БАЗОВЫЙ УРОВЕНЬ Учебник для 10 класса Редакторы Т. Г. Хохлова, Л. А. Осипова. Методист А. Ю. Пентин Художественное оформление; И. Е. Марев. Художник Н. А. Новак Технический редактор Е. В. Денюкова. Корректор Л. Н. Макарова Компьютерная верстка: С. А. Янковал Подписано в печать 18.12.12. Формат 70x100/16. Уел, печ. л. 22,10. Тираж 2000 экз. Заказ 1710. Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний» 125167, Москва, проезд Аэропорта, д. 3. Телефон: (499)157-5272 e-mail: [email protected], https://www.Lbz.ru, http;//metodist.Lbz.ru Отпечатано в ОАО «Можайский полиграфический комбинат» 143200, г. Можайск, ул. Мира. 93 www.oaompk.ru, www.OAOMПK.pф тел.; (495) 745-84"28. (49638) 20-685 ISBN 978-5-9963-1187-3 (г) НП1ЮМ. .Ипборптория знаний, 2013 Оглавление Предисловие...........................................7 Введение..............................................К) Глава 1, Человек и окружающий мир......................17 § 1. Человек и объекты окружающего мира............17 §2. Природный объект как система..................22 § 3. Возможности человека в познании окружающего мира...............................26 § 4. Микромир, макромир, мегамир. Их пространсвенно-временные характеристики.....32 § 5. Основные выводы по первой главе...............39 Глава 2. Научный метод.................................43 § 6. Естественнонаучный метод познания и его составляющие: наблюдение, измерение, эксперимент, гипотеза, модель, теория, практика.............43 § 7. Система наук о природе........................48 § 8. Естествознание — основа целостного научного мировоззрения.........................52 § 9. Как естествознание связано с расширением возможностей человека..........................54 § 10. Основные выводы по второй главе...............58 Глава 3. Вещество в природе...........................(>2 §11. Дискретное строение вещества..................62 §12. Фундаментальные частицы.......................67 §13. Элементарные частицы..........................74 Oi лавление § 14. Волновые и корпускулярные свойства микрочастиц.....................................77 §15. Применение волновых свойств микрочастиц........82 § 16. Нуклиды........................................86 § 17. Взаимодействие между ядрами. Ядерные реакции.................................90 § 18. Атомы..........................................97 §19. Заполнение электронных состояний в атомах.....104 § 20. Взаимодействие между атомами. Природа химической связи.......................108 § 21. Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева...............................113 §22. Молекулы......................................116 §23. Разнообразие молекул..........................120 § 24. Макромолекулы и синтетические полимерные материалы...........................125 § 25. Роль макромолекул в человеческом организме....130 §26. Взаимодействие молекул........................133 § 27. Основные выводы по третьей главе..............136 Глава 4. Свойства вещества.............................139 §28. Вещества......................................139 § 29. Связь между структурой атомов и молекул и свойствами вещества..........................144 § 30. Неорганические и органические вещества........147 §31. Химические реакции............................150 §32. Вещество и биологические объекты..............154 § 33. Вещество и физические тела....................157 § 34. Тепловые свойства вещества....................160 §35. Агрегатные состояния вещества.................166 § 36. Жидкие кристаллы..............................173 § 37. Внеземные вещественные объекты................175 §38. Основные выводы по четвертой главе............180 Глава 5. Физические поля...............................183 §39. Гравитационное поле...........................183 § 40. Движение тел в гравитационном поле............188 §41. Электрическое поле............................192 Оглавление § 42. Электрический ток.............................198 §43. Магнитное поле................................202 § 44. Электромагнитное поле.........................209 §45. Электромагнитные волны........................214 § 46. Принцип действия электрогенератора и электродвигателя. Использование электрической энергии..........................219 § 47. Радиосвязь и телевидение .....................224 §48. Радиолокация..................................229 §49. Волновые свойства света.......................232 §50. Корпускулярные свойства света.................239 § 51. Поглощение и испускание света атомами.........244 § 52. Принцип действия лазера.......................247 § 53. Квантовые поля................................251 § 54. Основные выводы по пятой главе................253 Заключение.............................................255 Примерные темы проектов................................259 Электронные образовательные ресурсы на сайте ФЦИОР......................................259 Толковый словарь терминов..............................261 Именной указатель......................................268 Предметный указатель...................................270 Уважаемые ученики! В работе с книгой вам помогут навигационные значки: о е о А важное утверждение или определение; — вопросы и задания к параграфу; — обобщение содержания параграфа; — дополнительный материал; — практическое задание; — исследование; к каждой главе учебника рекомендуется электронный образовательный ресурс (ЭОР) с сайта Федерального центра информационно-образовательных ресурсов (ФЦИОР): https://fcior.edu.ru. Список ресурсов представлен в Заключении, Доступ к ЭОР из каталога ФЦИОР: https://fcior.edu.ru/ catalog/meta/4/mc/discipline% 2000/4.06/p/page.html, где ресурсы размещены в алфавитном порядке согласно названиям учебных тем. Предисловие Учебник «Естествознание» написан для тех, кто в дальнейшем не будет профессионально заниматься физикой, химией или биологией. Это учебник для тех, кто увлечен гуманитарными науками, социальными и экономическими проблемами. Вы спросите: зачем же заниматься тем, что в дальнейшем не понадобится? Ответ на этот вопрос очень простой. Гуманитарные науки изучаю'г человека, его культуру, социальные и обш;ественные явления, происходящие на фоне естественных природных явлений. Понимание общественных закономерностей, природы человека невозможно без изучения законов окружающего мира. Понимание природных законов дает естествознание. Естествознание — это не упрощенное изложение основ естест-пенных наук, а самостоятельная область знаний, объектом кото-|)ой является природа, включая человека, во всех ее проявлениях, единстве видов материи и форм ее существования. Под словом «материя» обычно понимают существующий независимо от нас окружающий мир, который мы можем воспринимать с помощью о[)ганов чувств. Кратко можно сказать так; материя — это объективная реальность, данная нам в ощущениях. В настоящее время известны два вида материи: вещество и физические поля. Результаты многочисленных экспериментов свидетельствуют о единстве видов материи, состава вещества и (|)изических полей во всех доступных для изучения человеком мастях Вселенной. Эти результаты исследований подтверждают материальность окружающего мира. Целью естествознания является выявление и изучение общих 11 ()иродных закономерностей. Задачей естествознания является формирование естественнонаучной картины мира — обобщенного образа природы, осознана-('мого человеком в виде совокупности природных объектов. Чело- 4» предисловие! век в процессе познания природы с помощью научного метода выявляет отношения, существующие между природными объектами. Естествознание, используя достижения конкретных естественных наук, изучает стороны природных явлений, которые являются общими для множества взаимодействующих объектов. Примером таких общих свойств природных процессов и явлений может служить единство элементного состава всех вещественных объектов природы. Оказалось, что все астрономические тела, живые существа на Земле, все вещественные объекты, которые нам известны, состоят из одних и тех же химических элементов, систематизированных в таблице Д. И. Менделеева. Периодический закон химических элементов Менделеева — это химический закон. Закон единства элементного состава всех вещественных объектов в природе — это закон естествознания, обобщающий результаты исследований нескольких наук о природе. Знание общих природных закономерностей — это залог успешного изучения объектов-гуманитарных наук, так как все они являются природными объектами, подчиняющимися этим законам. Естествознание, рассматривая человека как природное явление, способствует формированию экологической культуры, определенного стиля поведения людей в природной среде. На современном этапе развития цивилизации это имеет большое значение. В соответствии с программой содержание учебника предполагает изучение возможностей человека в процессе познания природы, рассмотрение методов познания природы, изучение видов материи и форм их существования, изучение фундаментальных природных законов и теорий. Каждый параграф учебника сопровождается аннотацией, вопросами и заданиями, способствующими более глубокому усвоению учебного материала и проверке уровня его освоения в процессе обучения. Параграфы, обозначенные звездочкой, предназначены для учащихся, проявляющих повышенный интерес к изучаемой теме. Рассмотрение вопросов естествознания предполагает не только изучение теории, но и выполнение лабораторных и практических работ, знакомство с демонстрациями реальных природных объектов, явлений и процессов. Предисловие В учебнике рассматривается также применение достижений естественных наук в технике, медицине, жизни общества. Последнее особенно важно для гуманитарных наук, которые пополнились за последние годы целым арсеналом современных методов исследований, использующих информационные технологии и другие достижения естественных наук. о Введение О чем пойдет речь О предмете и задаче естествознания. Об использовании научного метода для изучения природы. Об основных этапах развития естествознания. Обсудим затронутые проблемы Окружающий мир во всем бесконечном многообразии своих проявлений мы называем природой. Природа является объектом естествознания. Естествознание как наука изучает природные объекты, находящиеся в постоянном развитии и взаимодействии друг с другом. Объекты природы обладают характерными индивидуальными свойствами, доступными для восприятия, наблюдения и изучения человеком. Человек — часть природы. Будучи природным объектом, он познает себя и окружающий мир, используя свои возможности. Человек изучает природу на протяжении всего периода развития цивилизаций. Благодаря своим способностям человек постоянно расширяет число объектов, которые он может воспринимать и изучать. Сопоставляя свойства различных природных объектов и явлений, человек находит между ними связи и закономерности. о Общие свойства природных объектов, их взаимодействия, общие закономерности природных явлений составляют предмет естествознания. Открытие законов, которые позволяют описать возможно более широкий круг природных явлений, приводит к созданию научных теорий. Если это удается сделать, то лн>ди и(31ытывают 10 Введение глубокое эмоциональное удовлетворение, так как мир в таком случае представляется более упорядоченным и объяснимым. Поиск существенных связей между явлениями, описание свойств природных объектов — непростые задачи. Их решение зависит от множества условий. Например, от особенностей личности исследователя, его целеустремленности, воли, настойчивости, знаний, уверенности в собственной правоте, способности воспринимать критические мнения других ученых. Еще одним условием успешного изучения природы является правильный выбор метода, который позволит получать надежные результаты. Самым эффективным методом изучения природы оказался научный метод. Научный метод — одно из достижений человеческой культуры. Разработка научного метода связана с именами Бэкона, Декарта, Галилея. Французский философ и математик Рене Декарт (1596-1650) так сформулировал основные положения своего метода изучения природных явлений: 1) не принимать за истинное что бы то ни было, прежде чем не признал это несомненно истинным; 2) делить каждую сложную задачу на столько частей, сколько понадобится для ее решения; 3) руководить ходом своих мыслей, начиная с изучения простейших и легко познаваемых предметов до познания наиболее сложных; 4) делать полные перечни и обзоры, чтобы быть уверенным, что ничего не пропущено. Впоследствии при разработке научного метода принципы Декарта были дополнены и уточнены. Однако дух независимости, свобода мышления, личная ответственность за достоверность про-нодимых исследований остались характерными для творческого научного поиска. Естествознание на всех этапах своего развития стремилось ответить на вечные вопросы, волновавшие людей: • как и когда возник окружающий мир; • из чего состоит существующий мир; • каковы законы, управляющие миром; • что такое жизнь; • откуда произошли люди; • есть ли другие мыслящие существа во Вселенной? 11 Введемиг Ответы на эти вопросы были рп:шмми в зависимости от уровня знаний и социальных условий в обществе. Для каждого человека они составляли основу его мировоззрения, его картину мира. Одними из первых пытались построить картину окружающего мира древние шумеры, ассирийцы и египтяне (XX-VII вв. до н. э.). Мыслители того времени описывали природные явления и их причины в основном как мифологические сюжеты. По их представлениям, природой управляли боги, что нашло отражение в многочисленных легендах и мифах, дошедших до наших дней. В античный период исторического развития (VII в. до н. э. — V в. н. э.) наблюдался расцвет древнегреческой, а затем древнеримской цивилизаций. Это был период высокого для того времени уровня развития литературы, риторики, изобразительного искусства, архитектуры, философии, техники, военного искусства. Культура Древней Греции, хотя и сохранила мифологическую основу миропонимания, но изменила представление о месте человека в окружающем мире. Теперь человек являлся активным участником природных процессов. В этот период шло накопление эмпирических (основанных на опыте) сведений об окружающем мире. Был выдвинут ряд идей, которые, как показало дальнейшее развитие событий, намного опередили свое время. Так, например, представители ионийской школы древнегреческих мыслителей Фалес Милетский (624-547 гг. до н. э.), Анаксимен (585-525 гг. до н. э.), Гераклит (549-475 гг. до н. э.) считали, что все окружающее состоит из отдельных элементов или стихий. Последователь Гераклита Эмпедокл (492-432 гг. до н, э.) считал, что таких стихий всего четыре: воздух, огонь, земля и вода. Сочетание элементов в каждом теле определяет его свойства и взаимодействие с другими телами. Гипотезу о четырех стихиях поддерживал и развивал в своих трудах выдающийся философ, ученый античного периода Аристотель (385-322 гг. до н. э.). По Аристотелю, элементы являются не материальными составляющими окружающего мира, а свойствами тел. Каждый элемент обладает двумя свойствами: огонь — горячий и сухой, воздух — горячий и влажный, земля — холодная и сухая, вода — холодная и влажная. Аристотель явился также основоположником античной философии. Он разработал основы формальной логики — науки о методах мышления. Аристотелю принадлежит заслуга создания античного мировоззрения, определившего взгляды последовато.п(М1 ма протяжении последующих двадцати веков развития ecToc'n*o;mami>i. Вио/1011и< Другая идея о строении природных тел принадлежала греческому ученому Демокриту (460-370 гг. до н. э.). Демокрит считал, что все тела состоят из неделимых частиц — атомов. Различиьи» сочетания атомов определяют разнообразие окружающего мира. Мир по Демокриту — это совокупность атомов и пустоты. Примерно в это же время греческие мыслители Евклид (III а. до н. э.) и Пифагор (580-500 гг. до н. э.) заложили основы reoM(vr рии, Гиппарх, Аристотель и позднее Птолемей (II в. н. э.) разработали геоцентрическую модель мира, Аристотель и Демокрит 1*ыдвинули идеи о причинах движения. Архимед (287-212 гг. до н. э.) на основе теории равновеси>1 создал простейшие механизмы и машины, значительно расшп рившие физические возможности человека. Фалес Милетскш"! описывал простейшие электрические и магнитные явления. Удивительно, что основные идеи античности не только переклеили века, но и получили свое развитие благодаря успехам совре* менной науки. Примером может служить атомистическая гипо-теза Демокрита. Поэтически воспетая Титом Лукрецием Каром и его знаменитой поэме «О природе вещей», она впоследствии по-.пучила экспериментальное подтверждение в химических и физических исследованиях XIX и XX вв. История развития естествознания органично связана с разни |’ием цивилизаций. После распада Римской империи в Европе иа-(!тупил период упадка, в области идей царили схоластика и теология. В этот период научное лидерство переместилось на Ближний и Средний Восток, чему способствовало создание в VII в. единого арабского государства — Арабского халифата. На протяжении более чем трех веков здесь интенсивно развивались математика, хи мия, медицина, физика и астрономия. После распада Арабского халифата в X в. Европа вновь стала центром научных исследований. Мрачный период Средневековья (VII-XIV вв.) сменился эпохой Возрождения (XIV-XVI вв.) с новым стилем мышления. В европейском обществе произошло воз |)ождение античных ценностей. Утверждение гуманизма, преодо ление схоластики как метода мышления, вера в созидательньк* возможности человеческого разума стали характерными призов ками новой эпохи. Настоящим прорывом в развитии естествознании того врсм<* пи следует считать разработку гелиоцентрической системы мира ВНОДС'НИО польским ученым Николаем Коперником (1473-1543), Идеи Коперника продолжили греческую традицию, заложенную Аристархом Самосским (320-250 гг. до н. э.), утверждавшую центральное положение Солнца среди планет. Новые взгляды на систему мира дали мош;ный импульс всему естествознанию. В представлении людей Земля перестала быть центром Вселенной, а подчинялась в своем движении вокруг Солнца тем же законам, что и другие планеты. Изучению Земли во многом способствовали великие географические открытия XV-XVI вв. X. Колумб (1451-1505) в 1492 г. открыл европейцам удивительный мир нового континента. Кругосветное путешествие Ф. Магеллана (1480-1521), завершившееся в 1522 г., подтвердило шарообразность Земли. Новые открытия стимулировали естественнонаучные исследования. XVII-XVIII вв. вошли в историю как эпоха Просвещения. Законы движения тел были открыты итальянским ученым Г. Галилеем (1564-1642) и английским физиком И. Ньютоном (1643-1727). Галилей впервые использовал физический эксперимент для обоснования своих идей о природе механического движения. С этого времени в естествознании началось использование научного метода, важнейшей составляющей которого является экспериментальное изучение природных явлений. В 1687 г. Ньютон опубликовал работу «Математические начала натуральной философии», в которой он сформулировал три закона динамики механического движения и закон всемирного тяготения. Выводы теории Ньютона были основаны на опытных фактах и прекрасно подтверждались результатами экспериментов и успехами прикладной механики. Применение научного метода для изучения окружающего мира оказалось столь эффективным, что естествознание распалось на несколько самостоятельных наук: физику, химию, биологию, анатомию, геологию, минералогию, астрономию и многие другие науки. В развитие химии как науки в этот период большой вклад внес французский ученый А. Л. Лавуазье (1743-1794). Лавуазье первым ввел в химию количественные методы исследования, открыл новые химические элементы, разработал первую классификацию химических элементов и систематизировал органические вещества. Вместе с тем появилось желание описать существующий мир с единых позиций. Ярким представителем такого подхода являет- Вводонис ся великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711-1765). Он одним из первых разработал основы кинетической теории теплоты и газов, открыл закон сохранения вещества, провел исследования в области волновой оптики и атмосферного электричества. Его материалистическое мировоззрение стало основой разносторонних научных поисков. А. С. Пушкин, характеризуя разностороннюю деятельность Ломоносова, писал: «Он создал первый университет. Он, лучше сказать, сам был первым нашим университетом». Объектом естествознания отныне стал весь мир со всем разнообразием природных объектов, форм их существования, явлений и процессов. Изучение природы как единого целого, создание единой картины мира с помощью научного метода исследования характерно и для современного естествознания (XIX-XXI вв.). Задачей современного естествознания является построение естественнонаучной картины мира, основными составляющими которой являются природные явления и объекты, пространство и время, природные взаимодействия и движение, природные системы, законы и теории, описывающие существующий мир, применение результатов научных исследований в практической деятельности людей. Выяснение возможностей человека в познании природы и особенностей существующего мира — первый шаг в изучении естествознания. о Подведем итоги • Объект естествознания — природа во всех ее проявлениях. • Предмет естествознания — общие свойства природных объек тов и явлений, общие природные закономерности. • Задачей естествознания является построение естественнонауч ной картины мира. • Основные этапы развития естествознания связаны с основны ми периодами становления человеческой цивилизации. 15 Введение Что нужно обязательно запомнить • Объект естествознания. • Предмет естествознания. • Задачу естествознания, • Метод естествознания. • Этапы развития естествознания. Что необходимо понять и усвоить • История развития естествознания органично связана с развитием цивилизаций. • Естествознание стремится ответить на вопросы, волнующие многих людей. • Человек — часть природы. Что нужно научиться делать т Стремиться сформировать собственную научную картину мира, используя достижения науки и свои возможности. е Контрольные вопросы 1. Что является объектом естествознания? 2. Что является предметом естествознания? 3. В чем заключается задача современного естествознания? 4. Какой метод применяется в естествознании для исследования природы? 5. Каковы основные этапы развития естествознания? 6. Как в настоящее время вы представляете себе научную картину мира? А Задания 1. Подготовьте доклад об ученых различных эпох, внесших существенный вклад в развитие естествознания. 2. Сравните свои собственные представления об окружающем мире с представлениями своих друзей. 16 Глава 1 Человек и окружающий мир §1 Человек и объекты окружающего мира О чем пойдет речь О свойствах природных объектов, их сходстве и различиях. О методах классификации объектов. Обсудим затронутые проблемы Люди воспринимают окружающий мир состоящим из отдельных тел, предметов, природных объектов. Растения, животные, свет. Солнце, Луна, звезды, снежинки, капли воды, воздух — это примеры природных объектов. Объекты характеризуются определенными свойствами, которые отличают их друг от друга или подчеркивают их сходство. Каждый объект имеет множество свойств, среди которых можно указать наиболее существенные, характеризующие как (гам объект, так и состояние объекта. Состоянием природного объекта называется индивидуальная характеристика объекта, выражающая его отношения с другими объектами совокупностью существенных признаков, доступных наблюдению и измерению. о Если свойства объектов можно выразить в количественной (1)орме, то говорят о величинах, характеризующих объекты. Примером величин являются: масса, размеры тел, плотность популяции, электрический заряд, температура, энергия и др. Экспериментальное измерение величин — один из методов установления (; войств объектов. Объектов очень много, и все они имеют разнообразные свойства, поэтому для удобства их описания объекты часто объединяют или разделяют по определенным признакам. 17 Человек и окружающий мир О Мысленное объединение или разделение объектов на основании некоторых определенных признаков называется классификацией. о Самой простой является классификация, при которой все объекты делятся на два класса. К одному классу относят объекты, имеющие определенные признаки, а к другому — не имеющие этих признаков. Такой способ классификации называется двучленным, или дихотомией. Так, например, все природные объекты можно разделить на два класса: живые и неживые объекты. Живые объекты характеризуются свойством размножения, а также обменом с окружающей средой веществом, энергией, информацией с целью поддержания определенного состояния. У неживых объектов эти свойства отсутствуют. За основу классификации можно выбрать также размеры объекта по отношению к размеру тела человека. Приняв за характерный размер тела человека величину порядка 1 м, можно все объекты разделить на три класса. Объекты, размеры которых сравнимы с размерами человека, называются макротелами. Их совокупность образует макромир. Объекты, размеры которых значительно превышают 1 м, называются мегателами. Это, как правило, астрономические объекты. Совокупность таких объектов образует мегамир. Наконец, третий класс — это объекты, невидимые глазом, размер которых значительно меньше 1 м. Они называются микротелами и составляют микромир. Трехчленная классификация называется трихотомией. Наконец, классификацию объектов можно проводить по признаку, который имеет несколько значений. В этом случае классов объектов будет больше трех. Такой метод классификации называется политомией. Например, неживые объекты микромира в зависимости от их внутреннего строения делят на молекулы, атомы, нуклиды, элементарные и фундаментальные частицы. В организации живых объектов различают молекулярно-генетический, клеточный, орга-низменный, популяционно-видовой, экосистемный, биосферный уровни. Несмотря на разнообразие индивидуальных признаков, все природные объекты обладают общими свойствами, которые назы- 18 Человек и объекты окружающего мир.а 1ШЮТСЯ формами существования объектов. Важнейшими из них являются пространственно-временные отношения, взаимодействие и движение объектов. Изменение состояния объектов в пространстве и времени называется движением. Изменение состояния объектов связано с взаимодействием объектов. Виды взаимодействий отличаются большим разнообразием. Особенно сложным является взаимодействие живых объектов между собой и с неживыми объектами. В результате изучения взаимодействий в неживой природе выяснилось, что все их многообразие может быть сведено к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Гравитационное взаимодействие характерно для всех объектов и проявляется во взаимном притяжении объектов друг к другу. На Земле гравитационное взаимодействие проявляется притяжением всех тел к поверхности Земли. Луна и планеты Солнечной системы удерживаются на своих орбитах гравитационным взаимодействием. Впервые количественное описание гравитационного взаимодействия дал Ньютон, сформулировав в 1687 г. знаменитый закон всемирного тяготения. В 1916 г. А. Эйнштейн разработал общую теорию относительности, в которой гравитационное взаимодействие рассматривается как следствие свойств пространства и времени, обусловленных объектами мегамира. Электромагнитное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении или отталкивании тел, обладающих электрическим зарядом. Электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Если заряды тел одноименные — положительные или отрицательные, то тела отталкиваются при взаимодействии. 1'1с,ли заряды тел разноименные, то тела притягиваются друг к другу. Исторически гравитационное и электромагнитное взаимодей-с'гвия были первыми взаимодействиями, открытыми человеком. Их изучению способствовало то, что они проявляются во многих природных явлениях, доступных для наблюдения и исследования. В конце XIX — начале XX вв. были открыты еще два фунда-м(Ч1тальных взаимодействия: слабое и сильное. Сильное взаимодействие обеспечивает взаимное притяжение элементарных частиц в ядрах атомов. Из-за сильного взаимо- о 10 Человек и окружающий мир О действия протоны в ядре, хотя и испытывают значительное отталкивание за счет электромагнитного взаимодействия, не могут покинуть ядро. Радиус действия сильного взаимодействия невелик и составляет величину порядка 10“^^ м. Слабое взаимодействие имеет еще более малый радиус действия — порядка 10~^^-10’^^м. Слабое взаимодействие вызывает распад нейтрона, что проявляется в р-излучении радиоактивных ядер. Участие объектов в различных взаимодействиях может служить еще одним критерием для их классификации. Для количественного описания состояния объектов, их движения и взаимодействия в естествознании и других естественных науках вводится понятие энергии. Энергией называется величина, являющаяся количественной мерой состояния природных объектов, их движения и взаимодействия. Различают несколько видов энергии: внутреннюю энергию, энергию взаимодействия, потенциальную энергию, энергию движения. Единицей энергии в международной системе единиц (сокращенно СИ) служит джоуль (Дж). Внутренняя энергия — это энергия покоящегося тела, не взаимодействующего с другими телами. Примеры внутренней энергии: тепловая энергия тел, химическая энергия, энергия электромагнитного поля, ядерная энергия. Энергия, которая зависит от расположения взаимодействующих тел, — это энергия взаимодействия. Энергия тела, которая зависит от расположения тела относительно других взаимодействующих с ним тел, называется потенциальной энергией. Энергию движения тела называют кинетической энергией. Кинетическая энергия тела массой /п, движущегося со скоростью и, гораздо меньшей скорости света, равна mv^l2. Это пример энергии механического движения. Было установлено, что энергия сохраняется в различных природных процессах. Так, например, при падении тела на Землю с некоторой высоты его кинетическая энергия растет, а потенциальная энергия уменьшается. Сумма кинетической и потенциальной энергий при этом остается постоянной, если пренебречь трением о воздух. Полная энергия тела является суммой внутренней энергии, энергии движения и энергии взаимодействия с другими телами. 20 Человек и объекты окружающего мира § « При взаимодействии объектов их внутренняя энергия может переходить в энергию взаимодействия и энергию движения и наоборот. При этом суммарная энергия сохраняется. Закон превращения и сохранения энергии — один из фундаментальных законов природы. о Подведем итоги • Разнообразие объектов проявляется в разнообразии их свойств и состояний. • Разные объекты можно группировать по различным признакам, используя методы классификации. • Природные объекты характеризуются общими свойствами, которые проявляются в формах существования объектов. • Пространство и время, взаимодействие и движение — различные формы существования объектов. • Количественной мерой состояния, взаимодействия и движения служит энергия, которая не исчезает, а переходит в природных процессах из одной формы в другую. Что нужно обязательно запомнить • Виды классификации. • Формы существования объектов. • Виды энергии. Что необходимо понять и усвоить • Закон превращения и сохранения энергии. Что нужно научиться делать • Различать виды энергии. • Называть различные формы существования объектов. • Перечислять известные виды фундаментальных взаимодействий. 21 Человек и окружающий мир е Контрольные вопросы А 1. Что понимается под природным объектом? 2. Что называется свойством объекта? 3. Что такое классификация объектов? 4. Какие бывают виды классификации? 5. Какие общие свойства объектов вы знаете? 6. Какие взаимодействия являются фундаментальными? 7. Какие фундаментальные взаимодействия известны в настоящее время? 8. В чем смысл закона превращения и сохранения энергии? Задания 1. Назовите известные вам классы объектов. 2. Приведите примеры превращения и сохранения энергии. 3. Перечислите виды фундаментальных взаимодействий. 4. Назовите радиусы действия фундаментальных взаимодействий. 5. Проведите классификацию объектов в вашей классной комнате. §2 Природный объе1СТ как система О чем пойдет речь О принципе суперпозиции (наложения) взаимодействий. О возможности рассмотрения природных объектов как системы из элементарных частей. Обсудим затронутые проблемы Открытие четырех фундаментальных взаимодействий позволяет свести любое взаимодействие между неживыми объектами к наложению или, как принято говорить, суперпозиции этих взаимодействий. Это утверждение является следствием многочисленных экспериментов, проведенных различными исследователями. о Изучив особенности каждого фундаментального взаимодействия, можно понять и описать любое взаимодействие между неживыми объектами. Таким образом, все многообразие взаимодействий сводится к четырем фундаментальным составляющим, определяющим природные явления и процессы в неживой природе. 22 Природный обьек! как сис i (?ма Положение о том, что любое взаимодействие можно предста-иить как суперпозицию фундаментальных взаимодействий, назы-иается принципом суперпозиции (наложения) взаимодействий. Успехи метода разложения взаимодействий на основные со-<‘тавляющие наводят на мысль о возможности суперпозиции элементарных составляющих и для всех природных объектов, учас-тиующих во взаимодействии. В этом случае любой объект можно представить как систему па составляющих его частей, между которыми существует опреде-.монная связь. Характер этой связи, в конечном счете, будет зави-г(!ть ОТ вклада отдельных фундаментальных взаимодействий. Далее можно предположить, что каждая часть сложного объ-пста также представляет собой систему из более мелких частей, м(^жду которыми существуют свои взаимодействия, и т. д. Деление объекта на части, очевидно, можно продолжать до тех пор, пока не будет достигнут уровень окончательной элементарности. На этом уровне объекты представляют собой неделимые, истинно элементарные «атомы» Демокрита, которые и со-«•тавляют основу существующего мира. Проведенные рассуждения выглядят очень заманчиво для исследователя, так как в них не только выдвигается гипотеза системности природных объектов, но и указывается направление поисков для ее подтверждения. Действительно, из предположения о системности объектов с.иедует вывод о том, что в природе должны существовать два айда объектов. Объекты одного вида являются участниками взаимодействий, объекты другого вида обеспечивают взаимодействия м(^жду ними, т. е, являются переносчиками взаимодействия. Существование взаимодействия между частями объекта позволяет рассматривать каждый объект как сложную систему. Сложность объекта определяется соотношением энергии взаимодействия между частями объекта и энергии его взаимодействия с другими объектами. Если энергия внутреннего взаимодействия превышает энергию внешнего воздействия, то объект не проявляет свою внутреннюю структуру. Эти бесструктурные элементы могут войти в со-гган другого сложного объекта, если энергия взаимодействия м('жду ними не будет превышать энергию внутренней связи и этом элементе. Свойства системы объектов могут отличаться от (двойств элементов, образующих эту систему. о HoiioHCK и окружаюи^ии мир Проведенные нами рассуждения остаются плодом фантазии или, говоря научным языком, гипотезой, до тех пор, пока они не будут подтверждены экспериментально. Прочитав эти строки, вы можете спросить: «Зачем проводить экспериментальные исследования для подтверждения достаточно разумной гипотезы, в основе которой лежит экспериментальный факт существования четырех фундаментальных взаимодействий? Разве недостаточно рассуждений, основанных на интуиции, подобных тем, которые провел Демокрит?» Нет, недостаточно! Необходимо провести дополнительные эксперименты, результаты которых подтвердят или опровергнут высказанную гипотезу. В истории развития науки ученые неоднократно сталкивались с весьма правдоподобными предположениями, которые затем были отвергнуты после опытной проверки. Приведем несколько примеров. При изучении тепловых явлений было высказано предположение, что в каждом теле содержится переносчик внутренней энергии — теплород. Согласно гипотезе сторонников существования теплорода, передача его от одного тела к другому приводит к из-менению температуры тел. Однако эксперименты показали, что изменить температуру тела можно, совершая механическую работу, не передавая теплород. После этого гипотезу теплорода пришлось отбросить. Другой пример связан с ошибочной гипотезой о существовании особой среды — эфира, в которой распространяется свет. Различные эксперименты и наблюдения давали противоречивые сведения о существовании эфира. Вместе с тем многие ученые были убеждены в его существовании. Они считали, что свет, как и звук, должен распространяться в некоторой среде. Экспериментальные исследования световых явлений доказали, что эфира нет. Крах гипотезы эфира показал, что представления, основанные на чувственных данных, не всегда правильно отражают свойства объектов существующего мира. Можно вспомнить и предположение некоторых исследователей о существовании особой «жизненной силы», заключенной в живых объектах. Исследование молекулярного состава живых организмов показало, что они состоят из органических молекул, между которыми происходят химические реакции. Никаких следов особых структурных элементов, характерных только для живых объектов, или каких-либо необычных взаимодействий, или особенных «биополей» обнаружено не было. Природный объект как система §2 Гипотеза о существовании «жизненной силы» оказалась умозрительной. Вместе с тем до сих пор неясно, как живая структу-1>а, способная к самовоспроизведению, может образоваться из неживых составляющих. Развитие науки убеждает нас в том, что окружающий мир отличается от того образа, который формируется у человека в результате переработки только чувственной информации. Необходимо создавать новые понятия, соответствующие реальной действительности. о Так, например, непосредственные наблюдения не позволяют усггановить молекулярно-кинетическую природу вещества, сущест-иование электромагнитных волн, взаимно исключающие корпус-1сулярные и волновые свойства объектов микромира, относительность пространства и времени, происхождение жизни и многое д1)угое. Разработка новых понятий на основе анализа экспериментальных данных может создать впечатление, что представление об окружающем мире есть во многом результат мыслительной дея-т(^льности человека. Чем же является природа на самом дело? Насколько верно отражает наш мозг окружающий мир? Молсем .пи мы познать его? Что является критерием истинности познания? Для ответа на эти вопросы мы должны обратиться к выяснению возможностей человека в познании мира и результатам многочисленных исследований, составляющих фундамент научного мировоззрения. Подведем итоги • Любое взаимодействие между объектами можно свести к суперпозиции (наложению) четырех фундаментальных взаимодействий. • Гипотеза о том, что любой объект, кроме фундаментальных частиц, можно рассматривать как систему из взаимодействующих частей, должна быть проверена экспериментально. • Структурные уровни организации объекта зависят от соотношения между внутренней энергией частей объекта и энергией взаимодействия между отдельными частями объекта. 25 Человек и окружающий мир Что нужно обязательно запомнить • Любая гипотеза в естествознании проверяется экспериментом. Что необходимо понять и усвоить • Сложность объекта определяется соотношением энергии взаимодействия между частями объекта и энергии его взаимодействия с другими объектами. Что нужно научиться делать • Применять принцип суперпозиции для описания взаимодействий. е Контрольные вопросы 1. в чем заключается принцип суперпозиции взаимодействий между объектами? 2. Почему для проверки гипотезы нужен эксперимент? 3. В чем проявляется системность природных объектов? 4. В чем привлекательность гипотезы о существовании элементарных объектов? А Задания 1. Приведите примеры ошибочных научных гипотез. 2. Приведите примеры природных систем с указанием составляющих элементов. §3 Возможности человека в познании окружающего мира О чем пойдет речь Об основных видах восприятия человеком сигналов из окружающего мира: зрении, слухе, осязании, обонянии, вкусе. 26 Возможности челот:ка в познании окружающ1м о мир;| §3 Обсудим затронутые проблемы Человек, как и любое другое живое существо, может принимать сигналы из окружающего мира, осуществлять обработку этих сигналов, реагировать на эти сигналы определенным образом, обеспечивая себе необходимые условия существования. Свойство человека формировать целостные образы окружающих объектов, непосредственно воздействующих на органы чувств, называется восприятием. Самое большое количество сведений (информации) поступает и мозг человека за счет зрения. В каждом глазу человека есть гисточувствительные клетки, в которых свет преобразуется в по-<'лодовательность нервных импульсов, передаваемых по нервным окончаниям в мозг (рис. 1, см. также цветной блок: рис. Ц1). Глаз Зрительный нерв Зрительная хиазма Зрительный тракт Наружное коленчатое тело Первичная зрительная кора Рис. 1. Зрительный путь; от глаза к мозгу Ф'-': ii f }КружЛЮ1|^ИИ мир Рис. 2. Строение уха человека: 1 — слуховой проход; 2 — барабанная перепонка; 3 — молоточек; 4 — наковальня; 5 — стремечко; 6 — преддверие внутреннего уха; 7 — полукружные каналы; 8 — улитка; 9 — окно улитки; 10 — слуховой нерв о о Глаз человека реагирует на свет в видимом диапазоне длин волн от 0,4 до 0,8 мкм (1 мкм = 10"®м). Зрение человека обеспечивает восприятие трехмерного цветного изображения. Чувствительность глаза столь высока, что человек может регистрировать отдельные фотоны, или кванты света, попадающие на сетчатку глаза. Другим каналом связи человека с окружающим миром является слух. Ухо человека воспринимает колебания воздуха в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц. С возрастом способность воспринимать высокие звуковые частоты снижается. Ухо представляет собой сложную систему, преобразующую звуковые колебания в нервные импульсы, поступающие в мозг для последующей обработки (рис. 2). Кроме зрения и слуха человек обладает осязанием, обонянием и вкусом. Эти возможности обеспечиваются соответствующими рецепторами, которые реагируют на давление или химический состав окружающей среды и пищи. Чувствительность каждого вида рецепторов достаточно велика. Так, например, с помощью обоняния можно реагировать на отдельные молекулы. Человек различает около 4000 различных запахов, среди которых основными являются смолистый, благоухающий, эфирный, мятный, горелый и гнилостный запахи. 28 Возможности человс'кп в познании окружающего мира Рис. 3. Вкусовые области на языке На вкус реагируют клетки, расположенные на поверхности я:*ыка (рис. 3). С их помощью человек различает четыре основных вкуса: сладкий, соленый, горький и кислый. Кроме перечисленных рецепторов, у человека имеются рецепторы температуры, ускорения, равновесия и др. Любой рецептор н|)ообразует внешнее воздействие в нервный процесс возбуждения, который передается по нервным волокнам в виде совокупности электрических импульсов. Частота импульсов зависит от ж'личины внешнего воздействия. Информация, поступающая от рецепторов, обрабатывается в мозге человека и других отделах нервной системы. Рецептор вместе с нервными волокнами и соответствующим о'1*долом коры головного мозга представляет собой анализатор «’игиалов (рис. 4). Между рецепторами и мозговым центром анализатора сущест-нуст как прямая связь от рецептора к мозгу, так и обратная гиязь — от мозга к рецептору. Головной мозг человека имеет объем более 1400 см^ и содержит около 10^^ нервных клеток (рис. 5; см. также цветной блок: рис. Ц2). Мозг обрабатывает всю инфор-МШД.ИЮ, поступающую от органов чувств, внутренних органов, различных рецепторов в теле человека, и вырабатывает соответ-стзующие команды, чтобы поддерживать жизнедеятельность орг'анизма на необходимом уровне. Кроме того, мозг выполняет сложные психические функции, обеспечивая, в частности, обученно, логическое мышление, творческую деятельность человека. о " - .'С 1Ш Человек и окружающий мир Тснка остроты ощущения Поле в сенсорной коре Поле соседнего нейрона Центральный нейрон спиноталамический тракт Спинной мозг Рис. 4. Схема анализатора осязания Подведем итоги • Свойство человека формировать целостные образы окружающих объектов, непосредственно воздействующих на органы чувств, называется восприятием. • Восприятие обеспечивается наличием у человека определенных рецепторов, преобразующих поступающие извне сигналы в электрические импульсы, обработка которых происходит в мозге человека. ® Рецептор вместе с нервными волокнами и соответствующим отделом коры головного мозга образует анализатор сигналов. • Совокупность всех анализаторов обеспечивает необходимый уровень жизнедеятельности организма. Возможности человека в познании окружающего мир 4 М Таламус Двигательная кора Кора большого мозга Зрительный нерв Сенсорная кора Мозолистое тело Глаз Миндалина Гипоталамус Гиппокамп Мост Мозжечок Ретикулярная формация Продолговатый мозг Спинной мозг Рис. 5. Строение мозга человека Что нужно обязательно запомнить • Диапазон длин световых волн, воспринимаемых человеком. • Диапазон частот звуковых колебаний, воспринимаемых человеком. Что необходимо понять и усвоить • Понимать разницу между рецептором и анализатором. • Понимать роль мозга в процессе отражения природы. Что нужно научиться делать • Называть виды чувств у человека. • Перечислять основные виды запаха и вкуса. • Анализировать собственные ощупдения с помощью получен' ных знаний. Человек и окружающий мир Контрольные вопросы 1. Какие органы чувств имеются у человека? 2. В каком диапазоне частот видит человек? 3. В каком диапазоне частот слышит человек? 4. Какой орган человека выполняет обработку информации? 5. Сколько нервных клеток содержится в мозге человека? 6. Каково основное назначение рецепторов человека? 7- Чем анализаторы отличаются от рецепторов? А Задание Установите экспериментально верхнюю границу частоты своих звуковых ощущений. Предложите методику проведения эксперимента. §4 Микромир, макромир, мегамир. Их пространственно-временные характеристики о чем пойдет речь О О классификации природных объектов в зависимости от их размеров. О свойствах объектов на разных уровнях их природной организации. Обсудим затронутые проблемы Известные в настоящее время виды материи — вещество и физические поля — важнейшие составляющие природных объектов. Благодаря существующим взаимодействиям природные объекты, как живые, так и неживые, имеют устойчивые уровни структурной организации. Этот факт достоверно установлен современными естественными науками и составляет одно из достижений современного естествознания. 32 Микромир, макромир, мегамир §4 Рис. 6, Классификация природных объектов Проведем классификацию природных объектов по уровням их ггруктурной организации. Всю совокупность объектов изобразим и МИДе схемы, представленной на рис. 6. В центре схемы находится уникальный природный объект — 'К'ловек, размеры которого служат основой всей классификации. 11.<'11тральное положение человека подчеркивает его особую роль * ргди остальных природных объектов. Плоскость рисунка разделена на четыре сектора. В верхнем I гкторе представлены структурные уровни организации неживых пгплмстов макро- и мегамира. В нижнем секторе располагаются с г|)уктурные уровни неживых объектов макро- и микромира. левом и правом секторах схемы, слева направо, размещены пгпоииые виды объектов живой природы в порядке возрастания их (‘.ложности и размеров. 33 Человек и окружающий мир О При обсуждении содержания фрагментов схемы ограничимся лишь перечислением отдельных представителей каждого уровня организации материи. Обсуждение происхождения названия отдельных объектов и более подробное описание их свойств будет проведено позже, по мере изложения материала учебника. На самом нижнем уровне неживой природы находятся фундаментальные частицы. В настояш;ее время они считаются бесструктурными объектами. К ним относятся частицы — участники взаимодействий и частицы — переносчики взаимодействий. Экспериментальное открытие суш;ествования двух видов фундаментальных частиц — участников и переносчиков фундаментальных взаимодействий — убедительный аргумент в пользу гипотезы о природе взаимодействий и строении природных объектов, высказанной ранее. К числу частиц — участников взаимодействий — относятся кварки и лептоны. К числу частиц — переносчиков взаимодействий — относятся гравитон, фотон, глюоны и векторные бозоны. В настоящее время, известно о существовании 60 фундаментальных частиц. Следующий уровень организации неживой материи содержит более 470 видов элементарных частиц-адронов. Среди них можно выделить две большие группы частиц: мезоны и барионы. Масса мезонов, как правило, меньше массы барионов. К барионам относятся протон и нейтрон. Массы этих частиц очень близки по величине. Они участвуют в сильном взаимодействии. Сильное взаимодействие не зависит от наличия у частиц электрического заряда, по отношению к сильному взаимодействию они проявляют себя как одинаковые частицы. Это свойство протона и нейтрона, называемое зарядовой независимостью, позволяет рассматривать их как разновидность одной частицы, способной находиться в разных зарядовых состояниях. Эта частица называется нуклоном. Нуклоны, взаимодействуя друг с другом, образуют следующий структурный уровень вещества — ядра атомов, или нуклиды. В настоящее время известно около 3000 нуклидов. Самый легкий нуклид — это ядро атома водорода. В его составе всего лишь один протон, в состав тяжелых ядер входят сотни нуклонов. Под действием сил электрического отталкивания ядра, содержащие большое число протонов, могут самопроизвольно распадаться на более легкие ядра. 34 Микромир, макромир, мсглмир §4 На следующем уровне находятся атомы. Они состоят из ядер и электронов, связанных между собой электромагнитным взаимодействием. Число отдельных видов атомов достигает порядка 1300, т. е. их меньше, чем нуклидов. Электрический заряд атома |)авен нулю, так как положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом его электронов. На следующем структурном уровне расположены молекулы, число которых значительно больше числа атомов. Известно свыше 2 млн неорганических молекул и свыше 10 млн органических молекул. Молекулы образуют различные вещества, число которых про-1и>1шает число молекул. Вещества образуют различные тела, размеры которых могут изменяться в весьма широких пределах. Частицы вещества размером порядка 10-100 мкм входят в состав мыли, гелей, суспензий, пены, тумана и т. д. Далее следует уровень макротел, сравнимых по размерам с толом человека или превышающих его на 2-3 порядка и более. 11()имером таких объектов являются айсберги, камни, горы, астероиды и т. д. Затем следуют уровни, на которых располагаются структурньк! п|)1'анизации мегаобъектов: планеты, звезды, планетные системы, :шездные скопления, галактики, скопления галактик, Вселенная. Диапазон размеров объектов неживого мира простирается от 10 до 10^® м. Структурные уровни объектов живой природы включают в ггГ)я: биомолекулы, вирусы, клетки, ткани, органы, организмы, бповиды, популяции, сообщества, экосистемы, биосферу. К биологическим молекулам, или молекулам жизни, как их иногда называют, относятся сложные органические молекулы, и'оторые входят в состав живых объектов и обеспечивают их ||)упкционирование. К основным видам таких молекул относятся иу1Слеиновые кислоты, белки, липиды, аминокислоты, углеводы. С помощью дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК) осуществляется хранение и передача гене-гпчоской информации в живом организме, а также синтез белков. Белки строятся из аминокислот по определенной программе, имсодированной в молекулах ДНК. Липиды служат строительным материалом для клеточных мембран, а углеводы являются источником энергии для организ-мп. Размер молекул жизни колеблется от единиц до десятков »1 <’отен нанометров (1 нанометр = 10~^ м). о о о о о 35 Человек и окружающий мир О Вирусы являются переходной (1)ормой от неживых молекул к живой клетке. Они имеют размер в несколько десятков нанометров, что сопоставимо с размерами крупных белков. Впервые вирусы удалось увидеть с помощью электронного микроскопа в 1931 г. Вирус содержит молекулу ДНК или РНК, заключенную в белковую оболочку. Самостоятельно вирус размножаться не может. Однако, подобно живым организмам, при определенных условиях вирусы способны расти и размножаться. Поэтому вирус условно относится к представителям объектов живой природы. Основной структурной единицей живых объектов является клетка. Впервые клетки были обнаружены в 1665 г. английским физиком Р. Гуком с помощью сконструированного им микроскопа. Клетки делятся на прокариотические (не имеют ядра) и эукариотические (имеют ядро), а живые организмы, состоящие из таких клеток, на прокариот и эукариот соответственно. Прокариоты по своему происхождению являются более древними объектами, чем эукариоты. Согласно современным научным представлениям, клетка возникла в результате естественных природных процессов на Земле примерно 4-4,3 млрд лет тому назад. Все организмы состоят из клеток. По своему клеточному составу организмы делятся на одноклеточные (представлены как прокариотами, так и эукариотами) и многоклеточные (представлены эукариотами). Эукариоты делятся на три царства: грибы, растения и животные. Каждое из них включает в себя как одноклеточные, так и многоклеточные организмы. К прокариотам относятся одноклеточные организмы: бактерии и археобактерии (археи). Организмы, которые нельзя увидеть невооруженным глазом, называются микроорганизмами. Организмы, имеющие общее происхождение и способные при скрещивании давать плодовитое потомство, образуют вид. В настоящее время на Земле известно свыше 2 млн видов организмов. Совокупность особей одного вида, способная к самовоспроизведению, относительно изолированная в пространстве и времени от других совокупностей того же вида, называется популяцией. Если устойчивая совокупность организмов разных видов занимает определенную территорию во времени, то она носит название сообщества, или биоценоза. Сообщество — более высокая по уровню организации система, так как она включает в себя несколько видов. Совокупность живых организмов и абиотической среды (неживое физическое и химическое окружение) образует экосистему. 36 Микромир, макромир, мегамир §4 Совокупность всех форм жизни на Земле, взаимодействующих (* 1’сографической оболочкой Земли, называется биосферой Земли. Диапазон размеров живых систем простирается от 10“"^ до К)*^ м. В настоящее время жизнь наблюдается только на Земле. Изучение развития природных процессов во времени показывает, что наблюдаемая часть Вселенной возникла примерно 1.Ч-16 млрд лет тому назад. Солнечная система образовалась и млрд лет тому назад, а Земля — 4,6 млрд лет тому назад. 'Жизнь на Земле насчитывает примерно 4-4,3 млрд лет. За время гум^ествования Вселенной ее фундаментальные составляющие не мр(^терпели заметных изменений. Исключение составляет Земля и жизненные формы на ней — они изменились очень сильно. Процесс изменения со временем веществ и жизни на Земле и но Вселенной называется эволюцией. Как показывают исследования, эволюция протекает в определенном направлении, что позво-j\m^T использовать ее для характеристики времени во Вселенной и па Земле. Первым идею об эволюционном развитии живых объектов на Мгмле обосновал английский естествоиспытатель Чарльз Дарвин. И оноей книге «Происхождение видов», изданной в 1859 г., Дариин привел убедительные доказательства в пользу биологической .НК) ЛЮЦИИ. Временная последовательность основных процессов образования неживых объектов указана на астрофизической шкале врс-1\|гпи (см. цветной блок: рис. ЦЗ). Моменты времени, приведенные на этой шкале, охватывают период от 10"^'^ с до 15 млрд лет (*5-10^^ с). Геологические и биологические процессы на Земле позволяют иыдолить несколько характерных периодов в ее развитии. На геоло-тческой шкале времени можно увидеть, какие основные пред-г l'iиlитeли животного и растительного мира существовали в соот-петс.твующую эпоху развития Земли (рис. 7). Оценивая пространственные и временные масштабы окружа-инц(мю нас мира, мы невольно задаем себе вопрос: как удалось Ч1мк)веку, живущему на сравнительно небольшой планете Земля, гпгтавить представление о размерах Вселенной и ее развитии МО времени, значительно превышающем время его собственной \1о многом это стало возможным благодаря открытию и при-м(*пснию мощного метода исследования существующего мира, который получил название научного метода. о о Человек и окружаюи^ии мир 3500 Возникновение жизни Рис. 7. Геологическая шкала времени: цифры на рисунке соответствуют миллионам лет Подведем итоги • Все известные природные объекты состоят из двух видов материи: вещества и физических полей. • Если выбрать в качестве классификационного признака сравнительный размер природных объектов по отношению к человеку, то все объекты можно разделить на микро-, макро- и мегаобъекты. • В каждой группе существуют свои структурные уровни организации объектов, зависящие от особенностей их взаимодействия с другими объектами. Что нужно обязательно запомнить о Виды материи. в Примерный возраст и размеры природных объектов. • Уровни структурной организации природных объектов. 38 Основные выводы по первой главе §5 Что необходимо понять и усвоить • Причины разнообразия природных объектов, • Причины изменения и развития природных объектов. Что нужно научиться делать • Классифицировать природные объекты. Контрольные вопросы 1. Какие виды материи известны в настоящее время? 2. Какие структурные уровни вещества вам известны? 3. Какие структурные уровни живого мира вам известны? Задания 1. Назовите характерные размеры объектов существующего мира. 2. Назовите характерные времена наступления событий окружающего мира. 3. Определите соотношение максимального и минимального размеров объектов, известных в настоящее время. 4. Определите соотношение максимального и минимального промежутков времени для известных природных процессов, сравните с результатом предыдущего задания. §5 Основные выводы по первой главе Человек, как и любое другое живое существо, может принимать сигналы из окружающего мира. Свойство человека формировать целостные образы окружающих объектов, непосредственно воздействующих на органы чувств, назы-иаотся восприятием. /а. Человек и окружающий мир Люди воспринимают окружающий мир состоящим из отдельных природных объектов. Мысленное объединение или разделение объектов на основании определенных признаков называется классификацией. Классификация объектов может осуществляться по разным признакам. 40 Основные выводы по первой главе §5 Объекты характеризуются определенными свойствами, которые или отличают их друг от друга, или подчеркивают их сходство. Свойства объектов Познаваемость Структурность Индивидуальность Несмотря на разнообразие индивидуальных признаков, все природные объекты обладают общими свойствами, которые назы-1ШЮТСЯ формами существования объектов. Многообразие природных взаимодействий может быть сведено к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационному, слабому, электромагнитному и сильному. Человек и окружающий мир Количественной мерой состояния природных объектов, их движения и взаимодействия служит энергия. 42 Глава 2 Научный метод §6 Естественнонаучный метод познания и его составляющие: наблюдение, измерение, эксперимент, гипотеза, модель, теория, практика О чем пойдет речь Об особенностях научного метода познания и его использовании при изучении природных объектов. Приводятся многочисленные примеры, подтверждающие высокую эффективность научного метода. Обсудим затронутые проблемы История развития человеческого общества содержит многочис-тптые примеры стремления людей найти объяснение явлениям окружающего мира. Зачастую это желание было таким сильным, что его не сдерживали даже угрозы для собственной жизни или проследования за инакомыслие. Это случалось в том случае, когда гочка зрения исследователя расходилась с позицией властей. Примерами могут служить сожжение Джордано Бруно на костре инквизиции в 1600 г., запрет книги Николая Коперника о гелиоцентрической системе мира в 1616 г., суд над Галилео 1'алилеем в 1633 г. за его утверждение, что Земля движется во-К|>уг Солнца, гонение на приверженцев дарвинизма в Америке во а горой половине XIX и начале XX в. Стремление к истине, потребность познания окружающего мира и желание убедить других людей в своей правоте постепенно привели к созданию метода научного исследования или, коротко, научного метода. о 43 Научный метод О Научный метод содержит несколько этапов исследовательской деятельности. Каждому человеку, имеющему желание и способность участвовать в научных исследованиях, под силу выполнить их. Ученые могут выполнять научные исследования независимо друг от друга, при этом последовательность выполнения различных этапов исследований может быть произвольной. Совместная работа нескольких ученых резко повышает эффективность научной деятельности. Доступность научного метода объясняется тем, что его основные этапы повторяют составляющие естественного процесса отражения человеком окружающего мира. Наблюдение. Действительно, первым шагом на пути научного познания является наблюдение. Как в обычной жизни люди наблюдают окружающий их мир, так и в науке исследователь наблюдает интересующее его явление или природный объект. Наблюдение в науке отличается от бытового опыта тем, что оно проводится многократно. Сначала, возможно, даже без определенной цели, а затем целенаправленно, с предварительной подготовкой, оформлением протокола наблюдений, регистрацией их результатов. На основании многократных наблюдений можно сделать вывод о характерных признаках явлений или объектов. Примером научных наблюдений может служить наблюдение солнечных затмений. Первоначально солнечное затмение воспринималось как непонятное природное явление, предвещавшее беды и несчастья. Впоследствии, после выяснения его естественной причины, солнечное затмение превратилось в источник сведений о составе солнечной короны и особенностях протекания процессов в звездах. Наз^чные экспедиции выезжают в те районы Земли, где условия для наблюдения наиболее благоприятны. При наблюдении полного солнечного затмения используются специальные приборы. Естественнонаучные наблюдения проводятся неоднократно, чтобы получить достоверные сведения о свойствах изучаемого объекта. Поэтому наблюдения можно проводить только при естественнонаучных исследованиях явлений и состояний объектов, повторяющихся во времени. В отличие от гуманитарных наук, где объект исследования может наблюдаться только один раз, в естественных науках состояние объекта или явление наблюдаются многократно. 44 Естественнонаучный метод познания §6 Результатом наблюдений, как и в обычной бытовой деятельности, является определение существенных свойств или признаков исследуемого объекта, описание его состояния. Иногда в результате наблюдений устанавливается новый объект природы или новое природное явление. Например, при наблюдении с помощью радиотелескопов сигналов, идущих из глубин Вселенной, были зафиксированы регу-.пярные импульсы, приходящие от одной из далеких звезд. Это произошло в 1967 г. в Великобритании. Джоселин Белл, аспиран-Г1са Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, проводя радиоастрономические наблюдения, зарегистрировала короткие строго периодические импульсы. Регулярность сигналов была столь высока, что сначала никто не сомневался в их искусственном происхождении. Однако иноследствии оказалось, что сигналы имели природное происхождение и представляли собой излзгчение быстро вращающихся ней-■1'ронных звезд, названных пульсарами. Успех научных наблюдений во многом определяется методикой наблюдений и возможностями приборов, с помощью которых п[)оводятся наблюдения- Например, горы на Луне и четыре спутника Юпитера были открыты Галилеем только после применения оптического телескопа с 30-кратным увеличением. Нейтронные звезды — пульсары — были открыты после за-иоршения строительства радиотелескопа, спроектированного пш’лийским радиоастрономом Энтони Хьюишем для наблюдения радиоизлучения от далеких звезд. В 2010 г. космическим м и паратом, запущенным на близкую к Солнцу орбиту, были получены уникальные фотографии развития вспышек на поверхности Солнца. Еще один пример связан с открытием живых объектов — возбудителей многих опасных болезней, не видимых глазом человека. Впервые их обнаружил голландский исследователь Левенгук, ко1'да изобрел свой микроскоп. Эти объекты были названы бак-•г(‘риями. Впоследствии мир бактерий изучал английский физик Гоберт Гук. Первые изображения вирусов — мельчайших микробиологи-'нчжих объектов — были получены с помощью электронного микроскопа, изобретенного в 1931 г. немецкими учеными Э. Руской и М. Кноллем. Научный метод О О Эффективность научных исследований резко возрастает, если имеется возможность описать особенности наблюдаемых объектов с помощью характерных для них величин. Измерение. Еще один этап в проведении научных исследований — измерение значений величин. Измерить ту или иную величину означает сравнить ее с эталоном — однородной величиной, принятой условно за единицу измерения. Однородными называются величины, выражающие значения одинаковых свойств различных объектов. Например, высота Останкинской телевизионной башни, расстояние от Москвы до Санкт-Петербурга, рост человека — величины однородные. Характеристики тела человека: масса, температура тела, объем — величины неоднородные. Значения величин позволяют количественно сравнивать различные объекты друг с другом, изучать изменение их состояния со временем, находить связь между величинами в виде математических соотношений. Выявление эмпирических закономерностей. На этом этапе большую роль играют система выработки понятий и разработка различных, в том числе математических, моделей исследуемых объектов. Когда эмпирические (полученные с помощью опытов) закономерности найдены, состояния различных объектов описаны, модельные (упрощенные) представления о природных объектах выработаны, наступает этап выдвижения гипотез, создания теорий. Они должны охватывать как можно более широкий круг изученных явлений. Этот этап является, пожалуй, самым сложным в реализации научного метода. Эффективным методом теоретического описания природы является создание математического аппарата. В этом случае отношения между реальными объектами выражаются математическими понятиями. Среди естественнонаучных дисциплин наиболее крупных успехов на пути создания теорий достигла физика. При разработке теории каждая гипотеза проверяется с помощью специально поставленных экспериментов. Если контрольные опыты подтверждают выдвинутую гипотезу, то она может быть использована в дальнейшем при построении общей теории. Если результаты эксперимента не подтверждают проверяемой гипотезы, то она отвергается и заменяется новым предположением, согласующимся с результатами опыта. После многократных 46 Естос I веннонаучный метод познания §6 ПОПЫТОК такого рода формулируется ряд положений, закоиои, принципов, не противоречащих друг другу и опытным данным и обладающих предсказательной силой. Совокупность таких положений и составляет научную теорию, которая отражает реальность с определенной степенью приближения. Практика. Правильность получения научных результатов проверяется при использовании достижений науки на практике, верная теория находит выражение в создании новых научных приборов, механизмов и машин, бытовой техники, новых технологий, лекарственных препаратов, методов лечения болезней, создании новых веществ и т. д. Поэтому часто можно услышать крылатую фразу: практика — критерий истины. Например, успехи механики и термодинамики позволили создать новые двигатели, транспортные средства, приборы для измерения различных величин, технические устройства для обработки материалов и выработки полезной энергии. Успехи химии привели к созданию новых источников энер-гпи, искусственных материалов с заданными свойствами, синтезу новых веществ. Успехи биологии позволили одолеть многие смертельные бо-.мезни, получить новые лекарства, разработать технологию создания организмов с заданными свойствами. Научный метод позволяет создавать новые методы исследования природы. Отмеченное свойство научного метода обеспечивает н(мтрерывное расширение области природных объектов, доступных изучению. Именно это свойство помогает человеку как био-'|(>гическому объекту с весьма ограниченными природными возможностями проникать как в глубины космического пространст-иа, так и в тайны микромира. о Подведем итоги Научный метод — это один из методов познания природы. Основными составляющими научного метода являются: наблюдение, измерение, эксперимент, гипотезы, модели, теория, практика. Эффективность научных исследований определяется наличием обратной связи между теорией и практикой научного метода. 47 Научный метод Что нужно обязательно запомнить • Содержание научного метода. Что необходимо понять и усвоить • Причины эффективности научного метода при изучении природы. • Критерий истинности научных исследований. Что нужно научиться делать • Применять научный метод при изучении природных явлений, е Контрольные вопросы 1. Какие основные этапы научного метода вам известны? 2. Что является причиной высокой эффективности научного метода? 3. Что служит критерием истинности научных теорий? 4. При каких условиях научная гипотеза становится законом? 5. В чем разница между естественнонаучным и гуманитарным методами исследования? А Задания 1. приведите примеры гипотез, выдвинутых для объяснения загадочных природных явлений. 2. Назовите ненаучные методы отражения и познания окружающего мира, которые вам известны. 3. Как вы думаете, почему не удалось до сих пор разгадать тайну Тунгусского метеорита? Подготовьте доклад. §7 Система наук о природе О чем пойдет речь О причинах возникновения различных естественных наук О связи естественных наук между собой. Система наук о природе Обсудим затронутые проблемы Научный метод нашел широкое применение при изучении разнообразных природных явлений и процессов. Со временем, по мере накопления научных знаний, возникают новые научные дисциплины, изучаюпдие отдельные свойства существуюицего мира. 1']диная область знаний о природе, натурфилософия, распадается на несколько естественнонаучных дисциплин. Каждая дисциплина исследует одну из сторон действительности. Например, физика изучает наиболее простые и вместе с тем наиболее фундаментальные природные закономерности. Химия научает законы превраш;ения веш;ества, биология — свойства жи-иой природы. Анатомия исследует строение живых организмов, геология — строение литосферы Земли. Подобные примеры можно продолжить. В настояш;ее время насчитывается свыше 10 тыс. естественнонаучных дисциплин, и их число постоянно растет. Процесс научной специализации вызван объективными причинами, связанными с природой изучаемых явлений и особенностями тех методов, которые применяются при их изучении. Любая конкретная наука, используя научный метод, создает экспериментальные методы для получения информации об объектах, а также теоретические методы для ее обработки и построения научной картины мира. Получив информацию о свойствах природных объектов, человек анализирует и преобразует ее таким образом, чтобы создать целостную, непротиворечивую картину существуюш;его мира. Природные процессы и явления, доступные для изучения ч(^-ловеком, — это единственный источник научной информации. Именно этим объясняются многогранные связи между отдельными науками. Приведем несколько примеров, чтобы убедиться в наличии таких связей. Достижения квантовой физики в области изучения свойств микрообъектов и закономерностей микромира позволили поня'п» особенности строения химических элементов и природу химических связей. Создание физики фундаментальных и элементарных частиц <*ущественно повлияло на развитие современной космологии -пауки о происхождении и развитии Вселенной. о о Научный метод Молекулярную биологию невозможно представить оторванной от органической химии и квантовой физики. Кибернетика тесно связана с биологией. Математика — еще один пример науки, имеющей тесные связи со всеми естественными науками и рядом гуманитарных наук, таких как лингвистика, языкознание, психология, социология, педагогика и др. В современных условиях отдельные науки образуют систему связанных между собой наук, имеющих общий объект исследования и единый метод научного поиска. При этом каждое из научных направлений обладает своей спецификой. Так, ученые, изучающие естественные науки, разделились на экспериментаторов и теоретиков. Первые занимаются, в основном, разработкой экспериментального обеспечения исследований, вторые — созданием методов обработки научной информации и теоретического описания наблюдаемых закономерностей. Разделение труда ученых по научным дисциплинам и по характеру научной деятельности резко увеличило результативность исследований. Наука из области занятий отдельных чудаков ради выполнения своих, часто не понятных большинству людей, замыслов превратилась в производительную силу общества, двигатель прогресса. Во многих странах мира ученым присуждаются престижные премии за высокие научные достижения. Одной из самых известных премий, заслужившей международное признание, является Нобелевская премия. Основателем этой премии был Альфред Нобель (1833-1896), шведский предприниматель, химик, изобретатель динамита. Нобелевские премии присуждаются в настоящее время за достижения в области физики, химии, физиологии и медицины, экономики, литературы, борьбы за мир. Подведем итоги Со временем с расширением объема научных исследований происходит рождение новых наук. Современные науки связаны друг с другом, так как изучают природу в различных ее проявлениях, применяя единый метод научных поисков. 50 Система наук о природе §7 В результате развития системы наук и применения результа тов научных исследований на практике наука стала произво дительной силой общества. Что нужно обязательно запомнить Наука стала производительной силой общества, Что необходимо понять и усвоить • В развитии науки наблюдаются два направления: появление новых узкопредметных и новых обобщающих научных дисциплин. • В современных условиях отдельные науки образуют систему знаний о природе, человеке и обществе. Что нужно научиться делать • Выявлять общее и особенное в естественных науках. Контрольные вопросы 1. в чем состоит особенность каждой естественнонаучной дисциплины? 2. В чем заключается сходство естественнонаучных дисциплин? 8. В чем отличие научной деятельности ученых-экспериментаторов и ученых-теоретиков? 4. Что дает разделение научного труда? 5. За что присуждается Нобелевская премия? о Задания А 1. Приведите примеры известных вам естественных наук. 2. Назовите имена российских и советских лауреатов Нобелевской премии, используя интернет-ресурс. 51 Научный метод §8 Естествознание основа целостного научного мировоззрения О чем пойдет речь О естествознании как науке, изучающей общие природные закономерности и способствующей формированию у людей целостного взгляда на природу. Обсудим затронутые проблемы Появление отдельных научных дисциплин имело далеко идущие последствия. С одной стороны, в результате научной специализации увеличился темп развития науки и умножилось число научных разработок, имеющих большое практическое значение. А с другой — зачастую утрачивается общий, единый взгляд человека на окружающую его природу. Парадоксально, но интенсивное развитие отдельных наук привело к обособлению человека от объекта исследования, которым является окружающий мир. Этот процесс усугубляется стремительным развитием отдельных наук, каждая из которых вносит свой вклад в создание обособленных друг от друга фрагментов общей картины мира. Научной фрагментарности противостоит современное естествознание с его системным подходом к описанию окружающего мира. Основная идея такого подхода — сформировать единый взгляд на существующую природу, построить с помощью отдельных естественнонаучных дисциплин единую картину существующего мира, частью которого является человек. Если конкретные науки исследуют особенности взаимодействия отдельных природных объектов, то естествознание изучает общие закономерности. о Задача естествознания — установить общность системных закономерностей различных уровней организации материи, связь между системами различных уровней, между объектами живой и неживой природы, определить место и роль человека в существующем мире. 52 Естествознание — основа научного мировоззрения При обсуждении отношений между отдельными естестнеиио-научными дисциплинами и современным естествознанием молено провести аналогию с изучением ландшафтов Земли традиционными и космическими методами. Например, из космоса на поверхности Земли видны такие структуры, которые при изучении наземными средствами остаются незамеченными. Из космоса можно увидеть метеоритные кратеры, следы падения в далеком прошлом малых астероидов. Можно наблюдать развитие циклонов, гигантские океанические вихри, структуру современных городских мегаполисов, влияние деятельности человека на природные комплексы. Наконец, из космоса видна вся наша Земля, как планета Солнечной системы, наш космический дом, колыбель жизни в космическом пространстве. При этом можно наблюдать шарообразную форму Земли, материки и океаны на поверхности планеты, тонкий слой атмосферы, защиш;аюп^ий Землю от 1убительных для жизни космических излучений. Методы естествознания, подобно космическим методам исследований, помогут нам открыть крупномасштабные фрагменты, из которых складывается единая естественноназ^чная картина существующего мира. Подведем итоги • В современной науке существуют два направления развития: специализация и интеграция научных исследований. • Первое направление ведет к дальнейшему увеличению числа узких научных дисциплин. Второе направление связано с поиском идей, объединяющих результаты исследований нескольких наук. • Естествознание — это наука второго направления. В рамках естествознания природа рассматривается как единый объект изучения, а человек как часть природы. Что нужно обязательно запомнить • Содержание системного подхода к описанию природы. Что необходимо понять и усвоить • Природа представляет собой единую систему, отдельные части которой находятся во взаимодействии друг с другом и непрерывном развитии. а Научный метод • Исторический подход к анализу окружающего мира — характерная черта современного естествознания. Что нужно научиться делать о Выявлять основные фрагменты единой картины мира, е Контрольные вопросы 1. в чем заключается суть системного подхода в естествознании? 2. Что дает естествознание при изучении природных объектов и явлений? 3. Чем определяется единство существующего мира? 4. Что, с вашей точки зрения, можно считать фрагментами единой картины мира? ^ Задания 1. Дайте оценку своего отношения к окружающему миру. Ощущаете ли вы себя частью природы или воспринимаете ее только как внешнюю среду? 2. Составьте схему, поясняющую соотношение между отдельными естественными науками и естествознанием. §9 Как естествознание связано с расширением возможностей человека О чем пойдет речь О связи результатов естественнонаучных исследований с развитием техники. О расширении возможностей человека благодаря научным и техническим достижениям. Обсудим затронутые проблемы Естественные науки и естествознание оказывают сильное влияние на развитие техники и технологий. Открытие фундаментальных законов природы, отдельных опытных закономерностей спо- 54 Естествознание и расширение возможностей человека гобствует созданию новых устройств, расширяющих возможности человека. Природные способности человека позволяют ему при беге развивать скорость около 40 км/ч на короткой стометровой дистанции. Тренированный спортсмен способен поднимать груз массой примерно 300 кг, метать спортивный снаряд массой в несколько килограмм на расстояние около 100 м. В настоящее время человек с помощью технических устройств, созданных на основе законов механики и других наук, способен передвигаться по поверхности Земли со скоростью (ЮО км/ч, в воздухе — со скоростью 4000 км/ч, в космосе — со скоростью 36 000 км/ч. С помощью подъемного крана человек может перемещать груз массой свыше 500 т. Ракета доставит груз массой около 10 т в любую точку Земли со сверхзвуковой скоростью. В обычных земных условиях человек живет при средней температуре 20 ®С, давлении примерно 1 атм, при концентрации кис-.порода в воздухе около 20%. Благодаря достижениям науки чело-и(ж работает в открытом космосе, где нет воздуха, а давление практически равно нулю. Человек покорил океанские глубины, (Ч1устившись в Марианскую впадину на глубину 11 км, где давление превышает 1000 атм. В специальных скафандрах человек может работать при температуре среды более 1000 °С. Благодаря природной способности человек воспринимает электромагнитные волны (свет) в диапазоне частот (4-8) *10^'^Гц. В природных условиях связь людей ограничена расстоянием прямой видимости (10 км). Понимание природы света, создание оригиналь-П1ЛХ устройств для получения электромагнитных волн других частот позволило использовать электромагнитные волны с частотой от нескольких десятков герц до 10^^ Гц, В результате освоения радиочастотного диапазона и создания радио, телевидения и теле-(|)онии связь теперь может быть осуществлена на любых расстояни-)1Х в пределах Земли (40 000 км). В космическом пространстве у<1тойчивая связь уже реализована на расстоянии, сравнимом (‘ размерами Солнечной системы, т. е. порядка 10 млрд км. После изобретения компьютера возросли возможности человека в выполнении математических и логических операций. Ско-I >()сть обработки информации достигла в настоящее время 10**^ бит/с, что намного превышает пропускную способность центральной нервной системы человека в 30-40 бит/с. Научный метод Энергетические возможности человека ограничены биохимическими процессами в его тканях и органах. Работа, которую может совершить человек за 8-часовой рабочий день, ограничивается величиной Дж. Мощность, развиваемая при этом, в среднем составляет величину порядка 350 Вт. Энергия, освобождаемая при взрыве атомного заряда с тротиловым эквивалентом порядка 300 килотонн, составляет величину 10^® Дж. Это в 10^^ раз превышает энергетические возможности человека. Изучая живые объекты, ученые открыли механизм наследственности, победили многие болезни человека, животных и растений, получили новые виды организмов и новые свойства у существующих организмов. Успехи в области изучения строения вещества, свойств молекул и атомов позволили создать множество новых веществ и материалов. Это и легированные стали, обладающие уникальными прочностными характеристиками, и термостойкие металлокерамические материалы для нужд космической техники, и композитные материалы, на основе которых получен целый спектр материалов, объединяющих в себе подчас противоречивые свойства отдельных составляющих композита. Техника развивается благодаря достижениям науки и в свою очередь оказывает стимулирующее влияние на нее. Технические открытия дают возможность создавать новые методы исследования природы, применять новые приборы и инструменты для изучения природных объектов. Например, создание электронного микроскопа дало возможность биологам наблюдать внутриклеточные структуры и молекулу ДНК. С космических аппаратов ведутся исследования атмосферы и поверхности планет Солнечной системы и их спутников. Сверхпроводящие магнитометры измеряют слабые магнитные поля, создаваемые биотоками мозга человека. С помощью биохимических методов удалось расшифровать структуру генома человека. Подобные примеры можно продолжать. Но и приведенных примеров достаточно, чтобы понять, что взаимодействие науки и техники обеспечивает их совместное развитие. Применение научных достижений в технике и производстве является критерием правильности результатов научных исследований. о Достижения науки способствуют развитию производительных сил общества, расширяют познавательные способности человека и его возможности в изучении природы. 56 Естествознание и расширение возможностей человека §9 Подведем итоги • Взаимодействие науки и техники обеспечивает их совместное развитие. • Результаты научных исследований, используемые для создания новых технических устройств и развития современных технологий, увеличивают производительные силы общества, расширяют познавательные способности человека и его возможности в изучении природы. Что нужно обязательно запомнить • Количественные характеристики природных возможностей человека. • Количественные характеристики возможностей человека, использующего достижения современной техники и науки. Что необходимо понять и усвоить • Взаимодействие науки и техники обеспечивает их совместное^ развитие. • Технические достижения являются критерием правильности научных исследований. • Результаты научных исследований расширяют познавательные способности человека и его возможности в изучении природы. Что нужно научиться делать • Приводить примеры взаимного влияния науки и техники, используя возможности Всемирной информационной сети Интернет. • Дополнять количественные характеристики возможностей человека, использующего достижения современной техники и науки, с помощью различных источников информации. 57 Научный метод Контрольные вопросы 1. Как влияет наука на развитие техники? Приведите примеры. 2. Как влияет техника на развитие науки? Приведите примеры. 3. С помощью каких методов создаются новые материалы с заданными свойствами? 4. Как научно-технический прогресс изменил возможности человека? Задания 1, Приведите примеры влияния естественных наук на вашу жизнь. 2. С помощью презентации проиллюстрируйте роль естественных наук в развитии цивилизации. §10 Основные выводы по второй главе Научный метод — йто один из методов познания природы. Основными составляющими научного метода являются наблюдение, измерение, эксперимент, гипотезы, модели, теория, практика. 58 Основные выводы по второй главе § И) Современные науки образуют единую систему. Научный метод Естествознание — научная область, интегрирующая достижения естественных наук. Естественные науки и естествознание оказывают сильное вли яние на развитие техники и технологий. Новые технологии Информационные технологии 60 Основные выводы по второй главе § 10 Результаты научных исследований расширяют возможности человека. Глава 3 Вещество в природе » §11 Дискретное строение вещества О чем пойдет речь О веществе как одном из видов материи. О роли вещества в истории развития человеческой культуры. О дискретном строении вещества. Обсудим затронутые проблемы Вещество — один из видов материи. Из вещества состоят окружающие нас тела, мы сами. Вещество находится и в межпланетном пространстве, из него состоят Земля, Солнце и другие астрономические объекты. Несмотря на всеобщую распространенность вещества в природе, однозначно ответить на вопрос о том, что такое вещество, практически невозможно. Это связано с многообразием свойств вещества и объектов, которые содержат вещество. Изучением свойств вещества занимаются различные науки. Каждая из них обращает внимание на отдельные свойства вещества. Физика, например, исследует строение вещества, устанавливает значения величин, характеризующих вещество как материал. Примером таких величин являются плотность, электропроводность, теплопроводность, прочность, упругость и др. Химия исследует превращение вещества, изучает и разрабатывает методы создания новых веществ. Биология изучает роль вещества в развитии живых организмов. Геология исследует происхождение и эволюцию вещества на Земле. Технические науки в основном исследуют те характеристики вещества, которые представляют интерес при создании технических устройств, строительных сооружений, транспортных средств. 62 Дискретное строение вещее m;i Естествознание изучает общие свойства вещества: его виды. структурные уровни строения, взаимодействия, состояние, проис-хождение и эволюцию в природе. Изучение свойств вещества и его использования для нужд человека началось в древности. История развития человечества разделена на века, названия которых определяются веществом, которое преимущественно использовалось в этот период: каменный (8-5-е тысячелетие до н. э.), медный (5-3-е тысячелетие до н. э.), бронзовый (3-1-е тысячелетие до н. э.), железный (1-е тысячелетие до н. э. — 2-е тысячелетие н. э.). Первоначально люди использовали прочностные, упругие^, г(шловые свойства вещества. Постепенно область знаний о свойст-imx вещества расширялась. Было замечено, что объекты из вещества можно делить im части, смешивать друг с другом. При смешивании разных веществ получалось новое вещество. Иногда его свойства можно Г)ыло свести к свойствам исходных частей. В других случаях при гмешивании веществ получалось вещество с совершенно новыми <чюйствами. При этом вещества вступали во взаимодействие друг (' другом, которое назвали химическим взаимодействием. Возможность превращения веществ навело некоторых людей па мысль о существовании такого вещества, с помощью которо1ч> можно было бы превращать недрагоценные металлы в золото. Поисками такого удивительного «философского камня» занимались алхимики Средневековья. Область их деятельности называется i^лxимиeй. Умозрительные утверждения алхимиков оказались не-шфными — многочисленные эксперименты не подтвердили существования «философского камня». Однако в ходе его поисков было сделано много открытий в области изучения свойств различных веществ и их превращений. Таким образом, алхимия помогла развитию химии. При изучении химических взаимодействий, сопровождающихс>1 111)евращением вещества, был открыт закон постоянства состава химического вещества. Оказалось, что полное химическое превращение веществ наблюдается лишь при некоторых определенных соотношениях их масс или объемов. Например, при химическом взаимодействии кислорода и водорода образуется вода, в которой водород и кислород связываются по массе в соотношении 1 : 8. Вещество в природе Ясно, что в этом случае воду можно рассматривать как сложное вещество, состоящее из более простых веществ: кислорода и водорода. Выполнить обратное превращение воды, т. е. разложить воду на кислород и водород простым перемешиванием или нагреванием, не удается. Это можно сделать с помощью химического взаимодействия или электролиза. При фильтрации, нагревании, замораживании химические свойства воды не меняются. Такие наблюдения приводят нас к мысли о том, что в природе существуют элементы, из которых могут быть построены все сложные вещества. Вещества, состоящие из одного элемента, называются простыми. Вещества, состоящие из нескольких элементов, называются сложными. Различные простые вещества могут состоять из одного и того же элемента. Например, простые вещества алмаз и графит состоят из одного и того же элемента — углерода. Элементы вступают друг с другом в химическое взаимодействие в определенном количественном соотношении, образуя сложные химические вещества. Идея существования химических элементов, или химического элементаризма, перекликается с античными идеями Аристотеля и Эмпедокла о существовании четырех стихий, составляющих основу мира. Но в отличие от умозрительных рассуждений древних греков, она основана на опытных фактах. Впервые положение о существовании химических элементов было сформулировано английским естествоиспытателем Р. Бойлем в его работе «Химик-скептик» в 1661 г. В соответствии с положениями теории Бойля все химические вещества состоят из неизменных химических элементов, каждый из которых обладает определенными свойствами. Каждое сложное химическое вещество характеризуется определенным химическим составом. Состав сложного химического вещества характеризуется перечнем химических элементов с указанием их долей. Таким образом, во второй половине XVII в. был сделан важный шаг в описании химического состава вещественных объектов. Была высказана гипотеза о существовании химических элементов и о построении всех веществ из этих элементов. В отличие от стихий Аристотеля эти элементы являлись структурными элементами сложных веществ. Хотя идея химического элементаризма находила подтверждение в законе постоянства состава химических веществ, для окончательного доказательства существования химических элементов 64 Дискретное строение вещества §11 )того было недостаточно. Прежде всего нужно было найти другие экспериментальные доказательства существования элементов, определить их число, установить свойства, выяснить связь этих свойств с характеристиками сложных веществ, установить естественнонаучную природу элементов вещества, их происхождение. Все эти задачи были успешно решены учеными на протяжении XIX и XX столетий. В настоящее время достоверно установ-'имю существование 118 элементов, из которых 88 элементов, в1слючая уран, встречаются в естественном состоянии. Остальные .'{() элементов созданы искусственно. Каждый химический элемен'г состоит из атомов определенного вида, что подтверждает атомистическую теорию Демокрита. Атомы, взаимодействуя между собой, образуют молекулы, ивляющиеся частицами другого уровня организации вещества. Понятие молекулы введено в химии в 1860 г. Экспериментальное доказательство существования молекул получено французским с|)изиком ж. Перреном в 1906 г. Реальный атом вещества отличается от умозрительных представлений Демокрита своей сложной внутренней структурой. М 1911 г. английский физик Э. Резерфорд, обстреливая тонкие мисточки золота частицами, вылетающими из атомов радиоактивных солей урана, установил наличие в атомах золота компактно-|'о, положительно заряженного ядра (нуклида). Размер ядра ока-.1П.ИСЯ в 10^ раз меньше размера атома золота. В 1933 г. было установлено, что ядра всех элементов состоят нл еще более мелких частиц: протонов и нейтронов. В атоме, кроме» ядра, содержатся электроны, число которых равно числу прогонов в ядре. Электрические заряды протона и электрона одина-|<<»вы по величине и противоположны по знаку, поэтому электри-•нч'кий заряд атома равен нулю. Частицы, входящие в состав ядра атома, были названы элемен-liipHbiMH частицами. Однако исследования, проведенные во второй половине XX в., установили, что и они не являются истинно бесструктурными, т. е. элементарными, частицами вещества. Были проведены опыты, подобные опытам Резерфорда, в которых протоны и нейтроны обстреливались электронами. В результате исследователи выявили внутреннюю структуру этих части,: составляющие протонов и нейтронов назвали кварками. V кварков и электронов внутренней структуры не обнаружено, поэтому они были названы фундаментальными частицами. 65 Вещество в природе Таким образом, в настоящее время известно несколько структурных уровней строения вещества: вещественные объекты, молекулы, атомы, ядра атомов (нуклиды), элементарные частицы, фундаментальные частицы. Знакомство со структурными уровнями строения вещества начнем с рассмотрения фундаментальных частиц. Подведем итоги • Вещество — один из видов материи. • Из вещества состоят окружающие нас тела. Вещества делятся на простые и сложные в зависимости от своего элементного состава. Простые вещества состоят из одного химического элемента, сложные — из нескольких. Наименьшей частью вещества, сохраняющей его химические свойства, является молекула. Молекулы состоят из атомов. • Атомы содержат в своем составе ядро и электроны. Ядро состоит из протонов, и нейтронов. Число протонов в ядре равно числу электронов в атоме. • Протоны и нейтроны состоят из кварков. Кварки и электроны не имеют внутренней структуры. Что нужно обязательно запомнить • Число химических элементов. • Структурные уровни строения вещества. Что необходимо понять и усвоить • Обоснование идеи элементаризма вещества. Что нужно научиться делать ® Называть составляющие структурных элементов вещества на разных уровнях его строения. 66 фундаментальные частицы § г* Контрольные вопросы 1. Какими свойствами характеризуется вещество? 2. Какие виды вещества существуют в природе? 3. Что такое химическое вещество? 4. Что такое простое химическое вещество? 5. Что называется химическим элементом? 6. Чем отличается простое вещество от химического элемента? 7. Каково количественное соотношение между простыми веществами и химическими элементами? 8. Сколько в настоящее время известно химических элементов? 9. Какие структурные уровни строения вещества известны в настоящее время? Задание А Определите радиус круглого отверстия в картонном экране, считая, что площадь экрана известна. В вашем распоряжении имеется более 100 горошин. §12 Фундаментальные частицы О чем пойдет речь О классификации фундаментальных частиц, которые, по современным представлениям, являются бесструктурными частицами. Обсудим затронутые проблемы Фундаментальные частицы — бесструктурные составляющие исех природных объектов. В настоящее время известны два вида (|)ундаментальных частиц. Одни входят в состав элементарных частиц и называются участниками взаимодействий. Вторые обеспечивают фундаментальные взаимодействия между частицами и называются переносчиками взаимодействий. Частицы — участники взаимодействий разделяются на квар-1СИ и лептоны. Название для кварков предложил американский физик Марри Гелл-Манн из Калифорнийского технологического института о 67 Вещество в природе О О В 1964 г. Это название взято им из книги английского писателя Д. Джойса «Поминки по Финнегану», герои которой живут странной, с точки зрения нормального человека, жизнью. Кварки — это плод воображения одного из героев романа. Когда физики стали изучать кварки, то обнаружили у них очень необычные свойства. Казалось, что кварки — это действительно плод воспаленного воображения. Кварки не наблюдаются в свободном состоянии. Являясь составной частью элементарных частиц, они не могут их покинуть. Кварки находятся как бы в заточении внутри этих частиц. В то же время на малых расстояниях внутри элементарных частиц кварки ведут себя как свободные, почти не взаимодействующие друг с другом частицы. Наглядно взаимодействие между кварками можно представить в виде струны, связывающей эти частицы. Когда струна не натянута, кварки могут перемещаться относительно свободно. Если же они начинают удаляться друг от друга, то струна натягивается и не дает кваркам разлететься на большое расстояние. С помощью современных ускорителей элементарных частиц экспериментально обнаружено шесть видов, или ароматов, кварков: верхний (и), нижний (d), очарованный (с), странный (s), прелестный (Ь), вершинный или истинный (t). Каждый вид кварков имеет определенное значение массы, электрического заряда, спина и других величин. Масса, как известно, характеризует меру инертности тела и гравитационное взаимодействие тел. Массу можно измерить, исследуя взаимодействие между частицами. Особенность взаимодействия микрочастиц проявляется в сохранении определенной комбинации значений энергии Е и импульса частиц р до и после взаимодействия, а именно: (Е/с)^ - где т — масса частицы; с — скорость света; = const. Из формулы следует, что если р = О, то энергия частицы, называемая энергией покоя £q, связана с массой соотношением £q= тс^. Это соотношение впервые получено Эйнштейном. Электрический заряд микрочастицы характеризует ее участие в электромагнитных взаимодействиях. Кварки, как оказалось, имеют дробный электрический заряд, равный 2е/3 или -с/3, где € — элементарный электрический заряд, равный модулю заряда электрона \е\ = 1,6 * 10~^^ Кл. Дробный электрический заряд никогда прежде не наблюдался в природе. 68 фундаментальные частицы §1 Спин — новое понятие. Его название происходит от англий-с.кого глагола to spin — крутиться, вертеться. Понятие «спин» отражает наличие у каждой фундаментальной частицы внутреннего свойства, подобного свойству вращающегося волчка. Состояние внутреннего вращения удобно измерять в единицах энергии, умноженной на время. В Международной системе единиц ("И это джоуль на секунду (Дж*с). Особого названия данная единица измерения не имеет. Тщательные исследования показали, что спин — это векторная величина. Проекция спина на некоторое выделенное направление в пространстве может принимать целые или полуцелые значени>1 постоянной Планка h = 1,01 * 10“^^ Дж-с. Направление, относитель-1*0 которого ориентируется спин частицы, определяется внешними причинами, например направлением внешнего магнитного поля. В зависимости от значения проекции спина частица имеет целый или полуцелый спин. Частицы с полуцелым спином были названы фермионами, частицы с целым спином — бозонами по именам известных физиков Ферми и Бозе, изучавших их свойства. Экспериментально было обнаружено, что частицы с полуцелым спином не могут находиться вместе в одном состоянии, а во'г число частиц с целым спином (бозонов) в одном состоянии неограниченно. Чем больше бозонов находится в определенном состоянии, тем более предпочтительным это состояние является и для других бозонов. Спиновые свойства микрочастиц приводят к тому, что фермионы в отдельных состояниях испытывают отталкивание друг от друга, а бозоны — взаимное притяжение. Частицы — участники взаимодействия являются фермионами. Участие кварков в сильном взаимодействии зависит от наличия у них особого вида заряда, получившего название цветового заряда. Существуют три вида цветового заряда кварков. Каждый кварк определенного аромата может обладать тремя различными цветовыми зарядами: красным, зеленым и синим. Конечно, эти названия не имеют никакого отношения к привычным для нас цветам, а выражают лишь особенности взаимодействия кварков друг с другом. Переносчиками цветовых зарядов при сильном взаимодействии кварков служат глюоны. Кроме кварков к частицам — участникам взаимодействия относятся лептоны (от греч. leptos — легкий). Это название связано {* тем, что первым хорошо изученным лептоном был электрон. Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона о 69 Вещество в природе О И нейтрона, которые, так же как и электрон, прежде относили к бесструктурным частицам. Впоследствии были открыты лептоны, масса которых превышает массу протона, а у протона и нейтрона была обнаружена кварковая структура. Лептоны, как и кварки, бывают шести видов: электрон (е), мюон (р), таон (т), электронное нейтрино (v^), мюонное нейтрино (v^), таонное нейтрино (v^). По своим свойствам мюон и таон — это более массивные копии электрона. Электроны можно получить, нагревая металлическую нить. При нагревании металла в результате термоэлектронной эмиссии из него вылетают электроны. Если между поверхностью металла и дополнительным электродом создать электрическое поле, ускоряющее и фокусирующее электроны, то можно получить направленный пучок электронов. Этот прием используется во всех электронно-лучевых трубках телевизоров или дисплеев компьютеров. Если электрон ускоряется электрическим полем с напряжением Uj то его кинетическая энергия увеличивается на. Е = eU, где € — величина заряда.электрона. При ?7 = 1 В энергия электрона изменится на один электрон-вольт (эВ). Электрон-вольт — это энергия движения, которую приобретает электрон в ускоряющем электрическом поле с напряжением 1 В. Электрон-вольт — небольшая энергия, равная 1,6 • 10“l^ Дж. Она применяется для описания взаимодействия объектов микромира. Часто в электрон-вольтах выражают массу микрочастиц, используя формулу Эйнштейна Eq = где Eq — энергия покоя микрочастицы. Например, электрон имеет массу 9,1 • 10“^^ кг, что соответствует энергии 8,19 • 10“^^ Дж или 0,511 • 10® эВ. В этом случае говорят, что масса электрона равна 0,511 МэВ, т. е. масса электрона равна 0,511 млн электрон-вольт. Взаимодействие между кварками и лептонами осуществляется за счет обмена частицами — переносчиками взаимодействия. Наглядное представление о возможности взаимодействия за счет обмена частицами можно получить, проведя простой опыт. Если перекидывать баскетбольный мяч между двумя игроками, стоящими на легких подвижных тележках, то постепенно они будут отъезжать друг от друга. То есть обмен мячом-частицей приводит к отталкиванию взаимодействующих игроков. Чем тяжелее мяч, тем сильнее отталкивание и тем на меньшем расстоянии можно наблюдать взаимодействие. Притяжение может возникнуть при обмене бумерангом. 70 Фундаментальныо час1ицы § 12 Нечто подобное происходит и в мире фундаментальных частиц. Роль мяча или бумеранга здесь выполняют частицы — переносчики взаимодействия. Эти частицы обладают целочисленным гнином и являются бозонами. Гравитационное взаимодействие, предположительно, переносится еще не открытой частицей — гравитоном, электромагнитное взаимодействие — фотонами, сильное взаимодействие — глюонами, слабое — W-- и Z^-бозонами. Из перечисленных частиц наиболее известны фотоны. Свет представляет собой поток фотонов. Корпускулярные свойства фотонов проявляются в таких явлениях, как фотоэффект, фотосинтез в зеленых листьях растений, излучение нагретых тел, в спектрах излучения различных тел. В настоящее время основную роль среди фундаментальных фермионов играют четыре вида фундаментальных частиц: и- и (/-кварки, электроны и электронные нейтрино. Из этих четырех частиц с помощью четырех фундаментальных взаимодействий можно «построить» весь существующий мир. Как тут не вспомнить гениальные догадки древних греков! Свойства фундамен-м'альных частиц отражены в табл. 1 и 2. Таблица I Свойства кварков Символ Вид кварка Масса Электрический заряд [е] Спин [//] и Верхний 1-5 МэВ 2 3 1 2 d Нижний 3-9 МэВ 1 3 1 2 с Очарованный 1,1-1,4 ГэВ 2 3 1 2 S Странный 75-170МэВ 1 3 1 2 t Вершинный (174 ±5) ГэВ 2 3 1 2 Ь Прелестный 4,0-4,4 ГэВ 1 3 1 2 71 Вещество в природе Свойства лептонов Таблица 2 Символ Вид лептона Масса Электрический заряд [е] Спин [^] е Электрон 0,511 МэВ 1 1 2 Ц Мюон 105,7 МэВ 1 1 2 т Таон 1777МэВ 1 1 2 Vg Электронное <3 эВ 0 1 нейтрино V Мюонное <0,19 МэВ 0 1 > нейтрино 2 Таонное < 18,2 МэВ 0 1 с\ т нейтрино ' 2 Подведем итоги Фундаментальные частицы — бесструктурные составляющие всех природных объектов. По роли в строении объектов микромира фундаментальные частицы делятся на частицы — участники взаимодействий и частицы — переносчики взаимодействий. К частицам — участникам взаимодействий относятся кварки и лептоны. К частицам — переносчикам взаимодействий относятся гравитоны, W-- и Z^-бозоны, фотоны и глюоны. Частицы — переносчики взаимодействий обеспечивают фундаментальные взаимодействия между фундаментальными участниками взаимодействия. Из четырех частиц: и- и d-кварков, электронов и электронных нейтрино с помощью четырех фундаментальных взаимодействий можно «построить» весь существующий мир. 72 фундаментальные частицы § 12 Что нужно обязательно запомнить • Виды фундаментальных частиц. • Число фундаментальных частиц. • Значение постоянной Планка. Что необходимо понять и усвоить • Классификацию фундаментальных частиц. • Механизм взаимодействия между фундаментальными частицами. Что нужно научиться делать • Называть фундаментальные частицы. • Выражать энергию частиц в электрон-вольтах. Контрольные вопросы 1. Какие частицы называются фундаментальными? 2. Какие виды фундаментальных частиц известны в настоящее время? 3. Назовите известные кварки и их характеристики. 4. Назовите известные лептоны и их характеристики. 5. Что такое фермионы и бозоны? 6. В чем необычность свойств кварков? 7. Какова связь между единицами энергии: джоулем и электрон-вольтом? 8. Почему массу частиц можно выражать в единицах энергии? 9. Какие виды нейтрино известны в настоящее время? 10. Каков механизм взаимодействия между фундаментальными частицами? Задание Найдите массу таона в килограммах. Сравните массу таона с массой электрона. А 73 Вещество в природе О §13 Элементарные частицы О чем пойдет речь О классификации, кварковом составе и свойствах элементарных частиц-адронов. Обсудим затронутые проблемы В настоящее время под элементарными частицами понимается совокупность адронов — частиц, обязательно участвующих в сильном взаимодействии. Адроны могут участвовать и в других взаимодействиях. Например, протоны, кроме сильного, участвуют в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Но участие в сильных взаимодействиях — отличительная черта адронов. Отсюда происходит и название этих частиц. Греческое слово adros в переводе на русский язык означает «сильный». К адронам относятся свыше 400 элементарных частиц. Большое разнообразие адронов косвенно свидетельствует об их сложном внутреннем строении. Классификация элементарных частиц осуществляется по нескольким признакам. В зависимости от величины спина элементарные частицы делятся на барионы и мезоны. Барионы — это элементарные частицы с полуцелым спином, а мезоны — частицы с нулевым или целым спином. Самые легкие барионы — это нуклоны, в число которых входят протоны и нейтроны. Массивные барионы называются гиперонами. По времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильной называется частица, свойства которой не меняются со временем. Примером стабильной элементарной частицы является протон. Нестабильной называется частица, сохраняющая свои свойства определенное время, называемое временем жизни. К числу нестабильных частиц относятся, в частности, так называемые резонансы, время жизни которых составляет величину порядка 10"^^ — с. В состав адронов входят кварки, связанные между собой сильным взаимодействием. Например, в состав протона входят два и-кварка и один d-кварк (рис. 8). При таком кварковом составе протона его электрический заряд равен элементарному заряду: % = = 4в/3 - е/3 = е. 74 Элементарные частицы § 13 П Рис. 8. Строение протона (слева) и нейтрона В состав нейтрона входят два d-кварка и один и-кварк (см. |)ис. 8). Нетрудно убедиться в том, что электрический заряд нейтрона равен нулю: = + = 2е/3 - 2е/3 = 0. Спины трех кварков в составе протона и нейтрона направлены так, что суммарный спин этих частиц — полуцелый. Таким образом, протон и нейтрон являются ферми-частицами. Все мезоны состоят из двух кварков. В состав мезонов входит кварк и античастица — антикварк. Античастицей называется частица, имеющая заряд, противоположный заряду своей частицы, и массу, равную массе частицы. Как оказалось, каждая частица имеет свою античастицу. При взаимодействии друг с другом частица и античастица превращаются и электромагнитное излучение или, как говорят, аннигилируют друг с другом. Античастица обозначается той же буквой, что и частица, но с черточкой или значком заряда наверху. Например, античастицей электрона е~ является позитрон античастицей а-кварка — пптикварк -и. Некоторые мезоны служат переносчиками сильного взаимодействия между барионами. Например, протоны и нейтроны взаимодействуют между собой посредством обмена л-мезонов. Мезон я' состоит из п-кварка и d-кварка. Мезон к~ состоит из й-кварка и d-кварка. Из кваркового состава этих мезонов видно, что они являются античастицами. В настоящее время известно 290 барионов и антибарионов. Количество мезонов и антимезонов составляет 171 частицу. Таким образом, всего известен 461 адрон*. о Приведенное число адронов не является окончательным. За последние годы было открыто еще более десятка новых элементарных частиц. 75 Вещество в природе Подведем итоги • Мир элементарных частиц гораздо разнообразнее мира фундаментальных частиц — в нем насчитывается свыше 460 частиц. • Элементарные частицы состоят из фундаментальных частиц. • В зависимости от структуры и свойств элементарные частицы делятся на барионы и мезоны, легкие и тяжелые, стабильные и нестабильные, фермионы и бозоны, частицы и античастицы. Что нужно обязательно запомнить • Виды элементарных частиц. • Строение элементарных частиц. Что необходимо понять и усвоить • Классификацию элементарных частиц. • Виды взаимодействий элементарных частиц. Что нужно научиться делать • Называть основные свойства элементарных частиц. Контрольные вопросы 1. Какие частицы называются элементарными? 2. Как классифицируются элементарные частицы? 3. Каков кварковый состав барионов? 4. Каков кварковый состав мезонов? 5. Какую роль играют мезоны при взаимодействии протонов и нейтронов? 6. Что такое античастица? ^ Задание Составьте таблицы классификации элементарных частиц в зависимости от выбранного классификационного признака. 76 Волновые и корпускулярные свойства микрочастиц § 14 §14 Волновые и корпускулярные свойства микрочастиц О чем пойдет речь О необычных с точки зрения здравого смысла свойствах микрочастиц. Об идеях, позволяющих выразить эти свойства микрочастиц количественными соотношениями. Обсудим затронутые проблемы Свойства микрочастиц удобно изучать, наблюдая за движени-(JM электронов. Пучок электронов, или электронный луч, можно получить с помощью электронной «пушки», подобной той, что имеется в любой телевизионной трубке. Трубка представляет собой стеклянную колбу с вакуумом, т. е. колбу, из которой откачан воздух и в которую впаяны металлические катод, анод п фокусирующие электроды (рис. 9). Катод является источником электронов и представляет собой металлическую спираль, нагреваемую до красного каления. При нагревании из металла вылетают электроны. Это явление, открытое американским изобретателем Т. Эдисоном в 1883 г., получило название термоэлектронной эмиссии. Между анодом и катодом подается ускоряющее напряжение. Фокусирующие электроды о Катод Сетка Вертикально-отклоняющие Аноды пластины Яркость Фокусировка - Горизонтально- отклоняющие пластины Рис. 9. Схема электронно-лучевой трубки Вещество в природе Рис. 10. Дифракция электронов на щели о о обеспечивают фокусировку электронов на торец трубки, покрытый веществом, способным светиться под действием падающих электронов. Если на пути электронов поставить экран с двумя узкими параллельными щелями, расположенными достаточно близко друг к другу, то на экране трубки можно обнаружить электроны не только непосредственно за щелями, но и в стороне от прямолинейного направления их распространения (рис. 10). Это явление называется дифракцией. В некоторых местах экран светится ярко, что свидетельствует о большом числе электронов, попадающих в эти области экрана. В другие места электроны совсем не попадают. Казалось бы, больше всего электронов должно попадать на экран трубки в местах, расположенных напротив щелей. Однако опыт показывает, что это не так, больше всего электронов приходится на участок экрана, лежащий посередине между щелями. Затем число электронов уменьшается, а далее снова растет. Таким образом, распределение электронов на экране за щелями подчиняется вполне определенной закономерности. Эта закономерность аналогична распределению интенсивности световой волны, проходящей через две щели, или распределению амплитуды волны на поверхности воды, прошедшей через преграду с двумя щелями. Явление, при котором волны, распространяясь в пространстве, в одних точках усиливают друг друга, а в других местах ослабляют, называется интерференцией волн. С явлением интерференции более подробно мы познакомимся позже, а пока под- 78 Волновые и корпускулярные свойства микрочастиц § 1^1 меркнем, что интерференция — это явление, в котором проявляются волновые свойства наблюдаемого объекта. Если снизить температуру нити накала, то поток электронов уменьшится. Можно добиться такой ситуации, когда электроны будут проходить через ш;ели по одному. При этом, попадая на экран, они будут давать вспышку. Регистрируя место вспышки с помощью чувствительного приемника, можно установить, в какое место экрана попал очередной электрон. Отмечая места их ударов, можно най-'ги распределение электронов, прошедших через обе щели. При анализе результатов экспериментов было установлено, что предсказать место удара для отдельного электрона невозможно. Но (Ч!ли через щели по одному пролетает много электронов, то их распределение на экране повторяет распределение электронов от интенсивного пучка. Это свидетельствует о том, что электрон, проходя через экран с двумя щелями, проявляет волновые свойства. Впервые явление интерференции для электронов было экспериментально обнаружено в 1927 г. в опытах американских физиков К. Девиссона и Л. Джермера и английского физика Дж. Томсона. Итак, электроны, представляющие собой частицы, проявляют и определенных условиях и волновые свойства. Как оказалось, все микрообъекты обнаруживают подобные свойства, что, с точки зрения наших привычных представлений, кевозможно. Действительно, мы привыкли считать, что движение 'гела, например камня, нельзя представить в виде волны. Однако и микромире это возможно. Получается, что микрообъекты не являются ни частицами, ни волнами. Эти своеобразные квантовые объекты в одной ситуации проявляют волновые свойства, а в другой — корпускулярные. Такое свойство микрочастиц было названо корпускулярно-волновым дуализмом. о французский физик Луи де Бройль сформулировал в 1924 г. гипотезу, согласно которой волновые и корпускулярные свойства (мюбодной микрочастицы связаны между собой соотношениями Е = h/T; р = йД, где Е — энергия частицы; р = то — ее импульс; X — длина волны; Т — период волны, соответствующей свободной частице; h = 2nh = 6,63 * 10"^^ Дж • с — постоянная Планка. 79 Вещество в природе О При обсуждении волновых свойств микрочастиц возникает естественный вопрос о природе этих волн. Многочисленные дискуссии на эту тему привели к выводу о том, что проявление волновых свойств микрочастиц связано с тем, что они могут находиться одновременно в нескольких состояниях, отвечающих вполне определенным физическим ситуациям. Например, электрон после прохождения через две щели находится в суперпозиции (наложении) двух состояний. Одно состояние соответствует его прохождению через одну щель, другое — его прохождению через другую щель. Означает ли это, что электрон одновременно проходит через две щели? Такой вопрос не имеет физического смысла, так как экспериментально в таком опыте нельзя установить, через какую щель проходит электрон. Можно лишь утверждать, что взаимодействие с двумя щелями так изменяет движение электронов, что, достигая экрана, они перераспределяются в пространстве по закону интерференции волн, проходящих через каждую из щелей. Поскольку эти волны определяют случайное движение электрона за щелями, то их называют волнами вероятности или волнами де Бройля, а математические выражения для них называют волновыми функциями. Принципиальное отличие волн вероятности (или волн де Бройля) от звуковых или электромагнитных волн состоит в том, что они не связаны с колебаниями какой-либо среды или физической величины. Волновые свойства микрочастиц не позволяют одновременно определить положение частицы в пространстве и ее скорость. Волновые свойства ограничивают точность определения положения частицы Ах величиной длины волны X. Если через Ар^ обозначить неопределенность составляющей импульса микрочастицы по оси Ох, то оказывается, что произведение Ар^ на Дх есть величина порядка Й, т. е. Ар^ Ах а Й. Это соотношение впервые получил немецкий физик В. Гейзенберг в 1927 г. Аналогичные соотношения можно записать для других составляющих импульса и координат, а также для энергии и времени: Ару Ау « Й; Ар^ Az Й; AjEA^ » Й. г Волновые и корпускулярные свойства микрочастиц § 14 Эти соотношения носят название соотношений неопределенностей Гейзенберга. Они играют в физике микромира важную роль, так как устанавливают принципиальные ограничения им точность измерения положения и скорости микрочастицы. Подведем итоги • Эксперименты Дж. Томсона, К. Девиссона и Л. Джермера выявили, что электроны имеют волновые свойства. Аналогичные свойства были обнаружены и у других микрочастиц. • Свойство микрочастиц проявлять волновые или корпускулярные свойства в зависимости от условий эксперимента получило название корпускулярно-волнового дуализма. Это свойство нашло отражение в соотношениях неопределенностей Гейзенберга и формулах де Бройля. Что нужно обязательно запомнить • Формулы де Бройля. • Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Что необходимо понять и усвоить • Особенности проявления волновых и корпускулярных свойств микрочастиц. Что нужно научиться делать • Применять формулы де Бройля для расчета волновых и корпускулярных свойств микрочастиц. Контрольные вопросы 1. Что такое корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц? 2. Как согласно гипотезе де Бройля связаны между собой величины, характеризующие волновые и корпускулярные свойства mhkj)o-объектов? 3. В каких явлениях проявляется корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов? е 81 Вещество в природе 4. Какие свойства микрообъектов выражают соотношения неопределенностей Гейзенберга? 5. В чем заключается физический смысл соотношений неопределенностей? ^ Задания 1. Определите длину волны электронов в телевизионной трубке с анодным напряжением 40 кВ. 2. Определите импульс протонов с длиной волны де Бройля, равной 10 м. §15 Применение волновых свойств микрочастиц О чем пойдет речь О применении волновых свойств электронов в электронном и туннельном микроскопах. О преимуществе этих микроскопов перед оптическими микроскопами. Обсудим затронутые проблемы Волновые свойства электронов используются в электронном микроскопе. Как уже упоминалось в § б, первый электронный микроскоп был создан немецкими учеными М. Кноллем и Э. Рус-кой в 1931 г. В электронном микроскопе имеются две специальные линзы. Эти линзы воздействуют на электроны, вылетающие из определенной точки объекта наблюдения, и создают увеличенное изображение объекта на экране электронно-лучевой трубки. Увеличение может достигать миллионов раз, а разрешение — порядка 10"^^ м. Электронный микроскоп позволяет получать изображение как «самосветящихся» объектов, так и тел, отражающих или пропускающих электронные пучки. С помощью современных электронных микроскопов можно получить трехмерное изображение микрообъектов (рис. 11). Как уже отмечалось, соотношения неопределенностей для координат и проекций импульса устанавливают предел точности 82 11рименение волновых свойств микро*;;^ i i, Рис. 11. Трехмерное изображение светочувствительных клеток глаза кальмара измерения этих величин. Соотношение неопределенностей для зпергии и времени указывает на возможность самопроизвольного изменения энергии частицы за промежуток времени At на величину определяемую соотношением неопределенностей АЕ = h/At, Это необычное свойство микрочастиц проявляется в различных физических явлениях, например в туннельном эффекте. Всем известно, что нельзя преодолеть крутую горку на велосипеде, если не разогнаться до определенной скорости. На языке < I )изики можно сказать так: для преодоления потенциального барьера (крутой горки) тело должно обладать кинетической энергией, превышаюш;ей величину потенциальной энергии, соответст-иуюш;ей высоте горки Н. В микромире частица может преодолеть барьер, даже если ее кинетическая энергия меньше высоты барьера. Это явление и называется туннельным эффектом. Оно объясняется соотношением неопределенностей между зиергией частицы и временем. За время At возможного прохождения барьера толш;иной d энергия частицы может принимать любые значения в пределах Е ± AJ5, где АЕ находится из соотношения неопределенностей: АЕ = ti/At = fiv/d. Если толш;ина барьера Вещество в природе Рис. 12. Схема туннельного микроскопа достаточно мала, то частица может преодолеть его за счет неопределенности значения своей анергии. Примером туннельного эффекта является прохождение электронов через зазор между поверхностью металлического или полу- 4 проводникового образца и тонкой иглой-зондом, расположенной вблизи этой поверхности. Если между поверхностью образца и зондом создать небольшую разность потенциалов, то в электрической цепи пойдет ток даже в том случае, если зонд не касается поверхности образца. Этот эффект используется в туннельном микроскопе. Зонд сканирует поверхность образца (рис. 12) на постоянном расстоянии от нее. Сила тока в цепи зонда пропорциональна плотности электронов на поверхности образца. Измеряя силу тока в цепи зонда, можно получить картину распределения плотности электронов на поверхности образца с разрешением, определяемым диаметром зонда. В настояш;ее время диаметр зонда можно сделать меньше расстояния между молекулами или атомами исследуемого веш;ества. При этом удается получить изображение отдельных микрочастиц на поверхности образца (рис. 13). Увеличение скани-руюш;его туннельного микроскопа составляет примерно 100 млн применение волновых свойств микрочастиц § 15 Рис. 13. Изображение поверхности полупроводникового материала из арсенида галлия, полученное с помощью туннельного микроскопа: видны ионы исследуемого вещества раз, а разрешение — порядка размера атомов кристаллической решетки образца. Сканирующий туннельный микроскоп был создан в 1981 г. го'грудниками исследовательской лаборатории фирмы IBM в Цюрихе Г. Биннигом и Г. Рорером. В 1986 г. за создание микроскопа авторам была присуждена Нобелевская премия по физике. Подведем итоги • Свойства микрочастиц были использованы для создания электронных и туннельных микроскопов, увеличение и разрешение которых позволяют получать изображения отдельных атомов. Создание таких приборов открыло для человека новые возможности в познании микромира. Что нужно обязательно запомнить • Параметры электронного и туннельного микроскопов. Что необходимо понять и усвоить • Принцип действия электронного и туннельного микроскопов. 85 Вещество в природе Что нужно научиться делать е О Применять соотношение неопределенностей «энергия — время» для оценки возможности туннелирования частиц через барьер. Контрольные вопросы 1. Каков принцип действия электронного микроскопа? 2. Почему разрешение электронного микроскопа гораздо больше разрешения оптического микроскопа? 3. Что такое туннельный эффект? 4. Где используется туннельный эффект? 5. Что удается увидеть с помощью электронного и туннельного микроскопов? А Задание Сделайте презентацию понравившихся вам изображений природных объектов, полученных с помощью электронного или туннельного микроскопов. Используйте интернет-ресурс. о §16 Нуклиды* О чем пойдет речь О классификации, составе и свойствах нуклидов — ядер химических элементов. О явлении радиоактивности. Обсудим затронутые проблемы о Экспериментальные исследования позволили установить, что на расстоянии порядка 10^^^ м между элементарными частицами существует сильное притяжение. Это притяжение вызвано одним из видов фундаментального взаимодействия — сильным взаимодействием. 86 Нуклиды § 16 Характер притяжения не зависит от электрического заряда иааимодействующих элементарных частиц. Два нейтрона притя-гпкаются друг к другу так же, как два протона, имеющих положительные заряды, и так же, как протон и нейтрон. Это свой-i Г1Ю называется зарядовой независимостью сильного взаимодействия. Благодаря сильному взаимодействию элементарные частицы могут объединяться в более сложные образования. Примером та-\<их объектов служат нуклиды, в состав которых входят протоны п нейтроны. В настоящее время известно около 3000 нуклидов. Часть их является природными объектами, а часть — созданы искусственно в физических лабораториях различных стран. Нуклиды образуют ядро атома. Поэтому они обозначаются символом химического элемента X с указанием числа нуклонов Л п (юставе нуклида и зарядового числа Z. Это число показывает, сколько протонов содержится в нуклиде: -|Х. Разность (А - Z) равна числу нейтронов в нуклиде N, т. е. N (А - Z). Например, ядро атома гелия обозначается как 2^6. Эта запись говорит о том, что нуклид содержит четыре нуклона: протона и два нейтрона. Ядер с четным значением Z значительно больше, чем ядер с почетным значением Z. Ядер с четным значением А больше, чем нд<Ф с нечетным значением А. Ядра со значениями Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 являются и]1иболее устойчивыми. Числа Z, соответствующие наиболее ста-Гтльным ядрам, называются магическими числами. Ядра со значениями Z = 0, 43, 61, 85, 87, 93-118 не встречаются в природе в устойчивом состоянии. Размеры нуклидов определяют из экспериментов по рассеянию нейтронов с энергией 50 МэВ на ядрах атомов. Радиус ядра R увеличивается с ростом А по закону 1\ 1,4 10~^^ А^/^ м. Объем ядра V прямо пропорционален А: V = (7-14) * 10"^^ А м'*. Плотность ядерного вещества Рд = (1,2-1,4) кг/м^. Если им капля воды обладала такой плотностью, то она весила бы млн тонн. о о 87 Вещество в природе О Энергия взаимодействия нуклонов в нуклиде составляет порядка 8,6 МэВ на один нуклон. Благодаря сильному взаимодействию элементарные частицы, входящие в состав нуклидов, находятся в потенциальной яме. Их энергия может принимать только определенный набор разрешенных значений. Если минимальное разрешенное значение энергии превышает глубину ямы, то нуклид не может существовать в устойчивом состоянии. Из-за этого в природе не существует нуклидов, состоящих из двух и более нейтронов. Если нуклид имеет минимальное значение внутренней энергии, то ядро находится в невозбужденном состоянии. Если энергия нуклида превышает минимальную энергию, то ядро находится в возбужденном состоянии. Увеличение числа протонов в нуклиде сопровождается возрастанием электрического взаимодействия между ними. При этом энергия взаимодействия нуклонов в нуклиде изменяется по-разному. На расстояниях, превышающих радиус ядра, энергия взаимодействия между протонами резко уменьшается. В этом случае нуклон может покинуть нуклид за счет туннельного эффекта. Под действием электрических сил отталкивания массивные нуклиды способны самопроизвольно (спонтанно) распадаться на нуклиды меньшей массы. Самопроизвольное изменение состава нуклида называется радиоактивным распадом нуклида или радиоактивностью. Радиоактивность впервые обнаружил французский физик А. Беккерель в 1896 г., исследуя излучение солей урана. В 1898 г. французские химики Мария и Пьер Кюри открыли новый источник радиоактивности — химический элемент торий. В следующем году им удалось выделить из урановых руд два новых химических элемента: полоний и радий, также обладающих высокой радиоактивностью. В 1903 г. за исследования явления радиоактивности супруги Кюри были удостоены Нобелевской премии по физике, а в 1911 г. Марии Склодовской-Кюри была присуждена Нобелевская премия по химии за получение радия в металлическом состоянии. 88 Нуклиды 3 Известно несколько видов распада нуклидов: • а-распад — испускание ядер гелия Не; • р-распад — испускание электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино; • у-распад — испускание фотонов большой энергии; • спонтанное деление ядер, испускание нуклонов; • испускание легких нуклидов от до Самопроизвольно распадаюп^иеся нуклиды называются радионуклидами. Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада радионуклидов. о Период полураспада для различных радионуклидов изменяет-в широких пределах. Например, ядра изотопа урана име- ют период полураспада 4,47 млрд лет, а изотоп ^g^Po — период полураспада 1,64 -10"^ с. Число распадов ядер в радиоактивном образце за 1 с называ-<'тся его активностью. Единицей активности служит один беккерель (Бк) — такая активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада. Подведем итоги • Элементарные частицы в результате сильного взаимодействия объединяются в нуклиды. Нуклиды, состояпдие из нуклонов, являются ядрами химических элементов. Энергия связи нуклона в ядре составляет около 8,6 МэВ. Нуклиды с большим числом нуклонов могут самопроизвольно распадаться. • Число распадов ядер в радиоактивном образце называется его активностью. Единицей активности служит один беккерель (Бк), численно равный одному распаду в секунду. а Что нужно обязательно запомнить • Виды нуклидов. • Единицу активности нуклидов. Вещество в природе Что необходимо понять и усвоить • Классификацию нуклидов, в Виды радиоактивного распада нуклидов. Что нужно научиться делать в По символу нуклида определять его состав. Контрольные вопросы 1. За счет какого взаимодействия элементарные частицы объединяются в нуклиды? 2. Какие виды нуклидов известны в природе? 3. Каково число нуклидов в природе? 4. Что такое радиоактивный распад нуклидов? 5. Какие виды радиоактивного распада вам известны? 6. Что такое период полураспада нуклидов? Задания 1. Определите, какая доля радионуклидов останется спустя время, равное трем периодам полураспада. 2. Приведите примеры периода полураспада для различных радионуклидов. §17 Взаимодействие между ядрами. Ядерные реакции О чем пойдет речь О классификации и природе ядерных реакций. Об особенностях реакций деления и синтеза ядер и возможности их применения в ядерной энергетике. О последствиях воздействия радиоактивного излучения на организм человека. 90 Взаимодойс! вио м<'жду чдрзми ш Обсудим затронутые проблемы Ядра могут отталкиваться друг от друга как частицы с поло->1сительным электрическим зарядом и притягиваться благодаря» сильному взаимодействию. Притяжение между ядрами проявля-<'тся на расстояниях порядка 10"^^ м. Чтобы сблизить ядра на такое расстояние, нужно сообщить им :»иергию, превышающую энергию электрического взаимодействия. 1*]сли это удается, то ядра в результате столкновения могут изменить свой состав и состояниё. Превращение ядер в результате их мзаимодействия называется ядерной реакцией. Ядерная реакция протекает при соблюдении определенных законов. Основными законами для ядерных реакций являются законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Первыми были получены ядерные реакции с участием а-час-■гиц или ядер гелия Это объясняется тем, что а-частицы, испускаемые природными радиоактивными веществами, имеют :тергию, достаточную для преодоления сил отталкивания между ядрами мишени. В результате взаимодействия ядра могут притянуть налетающие а-частицы и образовать новые ядра в возбужденном состоянии. Как правило, такие ядра через некоторое время испускают у-излучение и переходят в невозбужденное состояние. Образовавшееся ядро будет иметь заряд, равный сумме зарядов исходных ядер, и энергию, равную разности энергии исходных ядер и энергии у-излучения. Разность кинетических энергий продуктов ядерной реакции и исходных ядер составляет энергию реакции Q. Если Q > 0, то реакция называется экзотермической, если Q < 0, то реакция на-:*1»1вается эндотермической. Под действием налетающей а-частицы ядро может расколоться на два более легких ядра с испусканием нескольких нейтронов. Такой сценарий характерен для тяжелых ядер с большим значением Z, например для ядер урана U или тория Th. Ядерные реакции, при которых одно ядро делится на два бо-по.е легких ядра, называются реакциями деления ядер. Ядра могут делиться под влиянием не только а-частицы, но * п нейтрона. Эту реакцию осуществить проще, так как нейтрон но имеет электрического заряда и потому не испытывает отталкивания от ядра. )> Вещество в природе Усовершенствованный газоохлаждаемый реактор Топливо Пар, направ ляемый на турбину Ъ Регулирующие стержни Железобетонный корпус Турбина Вода, поступающая от турбины Электрогенератор Насос Теплоноситель (углекислый газ) Замедлитель (графит) Насосы Рис. 14. Схема реактора атомной электростанции Если в результате такой реакции высвобождается несколько нейтронов, то можно получить цепную реакцию деления ядер. В этом случае испущенные нейтроны взаимодействуют с другими ядрами, вызывая появление новых нейтронов и т. д. (см. цветной блок: рис. Ц4). Цепные экзотермические реакции деления используются в ядерных реакторах для получения тепловой энергии. На атомных электростанциях (АЭС) эта энергия преобразуется в электрическую и передается потребителям. Схема одного из типов ядерных реакторов для атомной электростанции приведена на рис. 14. Работа АЭС при неправильной их эксплуатации может представлять радиационную опасность для обслуживающего персонала и населения. Опасность для человека представляет также радиоактивное излучение, сопровождающее технологические процессы получения и переработки ядерного горючего. 92 Взаимодействие между ядрами Излучение продуктов а-, р- и у-распада по-разному воздсйст-иует на организм человека: а-излучение, состоящее из ядер гелия, практически не проникп-(‘'г через кожные покровы человека; однако если источники а-излу-чения попадают внутрь организма с пищей, водой или вдыхаем i>iM иоздухом, то это большая опасность для внутренних органов; Р-излучение может проникать в ткани организма на глубину 1-2 см; у-излучение обладает еще большей проникающей способностью: оно способно поразить практически любой орган человеческого тела. Уменьшить воздействие у-излучения можно с помощью защи'г-иых устройств из толстых свинцовых листов или бетонных плит. Воздействие радиоактивных излучений на организм человека оценивают по количеству энергии, поглощенной единицей массы облучаемого тела. Эта величина называется поглощенной дозой. о Единицей измерения поглощенной дозы является один rpoii (1'’р). 1 Гр численно равен энергии ионизирующего излучения и 1 Дж, поглощенной 1 кг массы облученного тела (1 Гр = 1 Дж/кг). Различные ткани человеческого тела по-разному реагируют на отдельные виды радиоактивного излучения. Оказывается, что при одинаковой поглощенной дозе а-излучение гораздо опаснее, чем р- или у-излучение. С учетом этого обстоятельства вводят так на-аываемую эквивалентную дозу. Ее получают умножением поглощенной дозы на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиационную опасность различных видов излучения. Единицей экви-налентной дозы служит зиверт (Зв). Для рентгеновского, р- и j' излучений 1 Зв соответствует поглощенной дозе в 1 Гр. При дозе облучения в 100 Гр человек умирает через несколько часов из-за повреждения центральной нервной системы, при дозе а 10-50 Гр — через одну-две недели из-за внутреннего кровоизлияния, при дозе 3-5 Гр смерть наступает через несколько месяцем* из-за поражения клеток костного мозга. Взаимодействие радиоактивного излучения с тканями челово-ж^ского организма происходит на атомном и молекулярном уровнях. Оно сопровождается изменением структуры белков, генного аппарата, влияет на протекание химических реакций в организме, вызывает раковые заболевания. Самым распространенным МИДОМ рака от радиоактивного поражения является рак молочной и 1ЦИТОВИДНОЙ желез. 93 Вещество в природе О При правильной эксплуатации работа атомных электростанций практически безвредна, потому что излучение в результате работы АЭС сравнимо по величине с естественным радиоактивным фоном. Значительно большие дозы человек получает при рентгеновском обследовании. Для контроля радиоактивного фона применяют дозиметры — приборы, в которых датчиками радиоактивного излучения служат газоразрядные счетчики. Большая энергия выделяется не только при делении тяжелых ядер, но и при синтезе (объединении) легких ядер, например ядер изотопов водорода: трития и дейтерия (см. цветной блок: рис. Ц5). При синтезе ядра гелия из ядер изотопов водорода высвобождается энергия, равная 17,6 МэВ (миллионов электрон-вольт): ЗН+2Н-|Не+„Ы О где п — нейтрон. Для осуществления реакции синтеза необходимо, чтобы ядра легких элементов сблизились примерно на м, т. е. на расстояние действия ядерных сил. Для этого нужно преодолеть силы электрического отталкивания, которые на таком расстоянии весьма значительны. Что может сблизить ядра? Например, огромное внешнее давление, существующее внутри звезд под действием сил гравитационного притяжения. На Земле подобное давление можно обеспечить, освещая ядерную мишень мощным излучением. Современные лазерные источники света развивают такое давление на освещаемую поверхность, при котором возможна реакция ядерно-го синтеза. Другой метод заключается в разгоне ядер до скоростей, при которых они могут преодолеть барьер электрического отталкивания и сблизиться на расстояния, необходимые для ядерного синтеза. Такая возможность была продемонстрирована на установках , типа «Токамак». Это название образовалось из первых слогов названий основных частей данных установок: ТОроидальная КАмера с МАГНИТНОЙ Катушкой. Токамаки впервые были созданы в Советском Союзе под руководством академика Л. А. Арцимовича (рис. 15). Центральной частью Токамака является камера с высокотемпературной плазмой — нейтральным газом, атомы которого распа- ]1 лись при высокой температуре на равное количество отрицательно и положительно заряженных частиц. Плазма удерживается в на- 94 Взаимодействие между qAptiMM Рис. 15. Схема Токамака: 1 — плазма; 2 — первичная обмотка; 3 — катушки продольного поля; 4 — вакуумная камера; 5 — сердечник трансформатора §17 гретом состоянии с помощью магнитного поля в течение времени, достаточного для начала термоядерной реакции. В последние годы ведутся работы по созданию термоядерных реакторов, способных производить дешевую электроэнергию. Термоядерные реакции идут в недрах звезд и служат одним из основных источников звездной энергии. Можно сказать, что звезды являются природными термоядерными реакторами, в которых непрерывно происходит синтез химических элементов. Поэтому мы являемся детьми Солнца не только в переносном, но и в прямом смысле этого сравнения. Нуклиды, взаимодействуя с электронами, могут образовывать птомы-микрообъекты на следующем структурном уровне строения вещества. Подведем итоги • Превращение ядер в результате их взаимодействия называется ядерной реакцией. Разность кинетических энергий продуктов ядерной реакции и исходных ядер называется энергией реакции Q. Если Q > О, то наблюдается экзотермическая реакция, если Q <0 — эндотермическая. • Ядерная реакция, при которой одно ядро делится на два более легких, называется реакцией деления ядра. • Ядерная реакция, при которой происходит объединение легких ядер, называется реакцией синтеза ядер. • Цепные экзотермические реакции деления используются в ядерных реакторах для получения тепловой энергии. □ Вещество в природе • Опасность ДЛЯ человека представляют радиоактивное излучение, сопровождающее работу атомных электростанций, и технологические процессы получения и переработки ядерного горючего. Воздействие а-, р- и у-излучения на организм человека различно. • Для контроля радиоактивного фона применяют дозиметры — приборы, в которых датчиками радиоактивного излучения служат газоразрядные счетчики. Что нужно обязательно запомнить • Виды ядерных реакций. • Единицы поглощенной и эквивалентной дозы излучения. Что необходимо понять и усвоить • Характеристики ядерных реакций. • Степень опасности радиоактивного излучения при ядерных реакциях. Что нужно научиться делать • Пользоваться дозиметром для контроля радиоактивности. Контрольные вопросы 1. Что такое цепная ядерная реакция? 2, Что происходит при ядерной реакции синтеза? 3- Каков принцип действия атомной электростанции? 4. Каков принцип действия термоядерного реактора? 5. В чем преимущества и недостатки атомных электростанций? А Задания 1. Объясните работу реактора атомной электростанции. 2. Обоснуйте свое отношение к использованию ядерной энергии. 96 Атомы §18 Атомы О чем пойдет речь О строении и свойствах атомов. Обсудим затронутые проблемы На рис. 16 приведена фотография атомов золота, расположенных в узлах кристаллической решетки этого драгоценного металла. Фотография получена с помощью электронного микроскопа V. увеличением в 30 млн раз! Видно, что атомы расположены на расстоянии порядка м. Эта величина, характерная для межатомного расстояния в металлах, называется ангстремом (А) — по имени шведского физика Ангстрема: 1 А = м. # I i # ^ ШФ Ф 0 »0 ^ ФФФ Рис. 16. Кристаллическая решетка золота Как уже упоминалось в § 11, исторически первым экспериментом, в котором была установлена ядерная структура атомов золота, был опыт Резерфорда, выполненный в 1911 г. (рис. 17). Лтомы золота обстреливались а-частицами, излучаемыми радиоактивным радием; а-частицы проходили через золотую фольгу F Вещество в природе I izz^ Рис, 17. Схема опыта Резерфорда о и попадали на экран S, покрытый сернистым цинком. Под действием а-частиц сернистый цинк испускал вспышки света, которые можно было наблюдать с помощью оптического микроскопа М. В результате экспериментов выяснилось строение атома: внутри него находится компактное образование — ядро, имеющее положительный электрический заряд; ядром атома служит нуклид, содержащий определенное число нуклонов. Размеры ядра составляют величину порядка 10“^^ м, или один фемтометр. Величина 10"^^ м, характеризующая размер ядра, принята за внесистемную единицу ядерных размеров и получила название один ферми (Ф) в честь итальянского физика Энрико Ферми. В пространстве вокруг ядра находятся легкие частицы — электроны, суммарный отрицательный заряд которых по модулю равен заряду ядра. В целом атом — электрически нейтральная система. Электроны связаны с ядром электромагнитным взаимодействием. о Масса атома определяется массой ядра и электронов. Массу атомов удобно измерять в атомных единицах массы. Одна атомная единица массы (1 а. е. м.) равна 1/12 массы изотопа атома углерода “ЧС и составляет 1,66 -10"2^кг. 98 Атомы § 10 Рис. 18. Зависимость потенциальной энергии U электрона в атоме от расстояния г до ядра; расположение энергетических уровней Е электрона в атоме Часто массу атомов выражают в относительных безразмерных величинах, равных отношению массы атома к атомной единице массы. Это отношение называется относительной атомной массой. По определению относительная атомная масса атома равна 12. Для определения массы атома в килограммах нужно умножить относительную атомную массу на атомную единицу массы. Рассмотрим простейший из суш;ествуюш;их атомов — атом водорода. Ядром в атоме водорода служит один протон. Электрические силы взаимодействия удерживают один электрон в атоме водорода на определенном расстоянии от ядра. Потенциальная энергия и взаимодействия электрона с ядром атома зависит от рас-«'тояния г между ними и имеет отрицательную величину (рис. 18). Говорят, что электрон около ядра находится в потенциальной яме. В силу волновых свойств электрона его энергия и импульс могут принимать только определенные значения, зависящие от целого числа я. При некотором значении п энергия электрона принимает минимальное значение при г„, равном = Шев *2 ’ (1) о 99 Вещество в природе О О где — радиус орбиты; п — главное квантовое число; Й янная Планка; — масса электрона; е — тарный заряд; Sq =8,85 • 10"^^ Кл^/(Н - м^). Энергия электрона в этом случае равна — посто-элемен- _ " 2га2й2 (2) Таким образом, энергия электрона в атоме водорода может принимать только значения, определяемые выражением (2). При значении п = 1 атом находится в основном, невозбужденном, состоянии. Его энергия при этом равна = = -13,6 эВ. С увеличением значения п энергия атома возрастает. Примерное расположение уровней энергии электрона в атоме водорода показано на рис. 18. Состояния атома, соответствующие значениям /г > 1, называются возбужденными состояниями. Чтобы перевести атом из основного в возбужденное состояние ему необходимо сообщить энергию, равную Е^ - Е^. При переходе из возбужденног^о состояния Е^ в основное состояние атом в соответствии с законом сохранения энергии отдает энергию, равную Е^ - Е-^. Вообще при переходе из состояния т в состояние п атом изменяет свою энергию на величину Е^ - Е^, Если такой переход сопровождается излучением света, то энергия порции излучаемого света 8 равна изменению энергии атома: Немецкий физик Макс Планк в 1900 г. предположил, что энергия излучения переносится отдельными порциями — квантами света, т. е. фотонами. В соответствии с гипотезой Планка энергия кванта света г равна г =hVy где V — частота света. Следовательно, частота света, излучаемого атомом при переходе из состояния т в состояние п, равна '^тп = Это соотнопхение было впервые получено датским физиком Нильсом Бором в 1913 г. 100 Аюмы I Значение числа п характеризует не только энергию электрона II атоме, но и местонахождение электрона в пространстве около ядра. Наиболее часто электрон можно обнаружить там, где амплитуда волны де Бройля для электрона имеет максимальное значение. При п = 1 наиболее часто или с большей вероятностью электрон будет обнаружен на расстоянии Из выраже- ния (1) получаем, что i?o = (3) Значение Rq определяется фундаментальными физическими постоянными. Подставляя в формулу (3) их значения, получим, что i?o = 0,51 • 10"^^ м. Эта величина называется радиусом первой боровской орбиты и характеризует размер атома водорода и основном невозбужденном состоянии. Нуклиды, у которых число протонов Z > 1, могут притягивать к себе электроны, образуя сложные атомы. Состояние электрона в атоме характеризуется, кроме энергии, орбитальным движением электрона, магнитными свойствами элект- (||^ рона при его движении вокруг ядра и ориентацией его спина. Каждому из перечисленных свойств соответствуют определенные значения целых чисел. Таких чисел, кроме я, которое называется главным квантовым числом, имеется еще три. Это орбитальное квантовое число Z, магнитное квантовое число т и спиновое квантовое число а. Спиновое число электрона s может принимать только два значения: ±i. При заданном значении главного квантового числа п орбитальное квантовое число I может принимать значения от 0 до (п - 1), т. е. всего п значений. Магнитное квантовое число т при данном значении I может принимать значения от - Z до Z, включая 0, т. е. всего (2Z 4- 1) значений. Каждому набору квантовых чисел соответствует одно со-(“гояние электрона в атоме. Одному значению п соответствует 2п^ состояний электрона II атоме с различными возможными значениями остальных квантовых чисел. Электроны, обладая полуцелым спином, подчиняются принципу Паули. Вольфганг Паули — швейцарский физик, лауреат Вещество в природе Нобелевской премии по физике, в 1925 г. сформулировал знаменитый принцип запрета. Согласно принципу Паули каждый фермион (частица с полу-целым спином) может находиться в некотором квантовом состоянии только в единственном числе. о в соответствии с принципом Паули в каждом состоянии, характеризуемом набором четырех квантовых чисел, может находиться только один электрон. Это индивидуальное состояние электрона в атоме называется спин-орбиталью. Состояние электрона в атоме без учета ориентации его спина называется атомной орбиталью. Атомная орбиталь характеризуется набором трех чисел: п, Z, т. Атомные орбитали с одинаковым значением п образуют электронные слои. Для обозначения электронных слоев применяют большие латинские буквы. Электронный слой с гг = 1 обозначается буквой iT, слой с гг = 2 — буквой L и т. д. по латинскому алфавиту. Атомные орбитали с одинаковым значением I образуют электронные оболочки. Оболочка с Z = О обозначается буквой s, оболочка с / = 1 обозначается буквой р, следуюш;ие буквами f и далее по латинскому алфавиту. Распределение электронов в атоме по отдельным атомным орбиталям, принадлежащим отдельным слоям и оболочкам атома, называется электронной конфигурацией. Электронную конфигурацию можно выразить с помощью электронной формулы, представляющей последовательность квантовых чисел (гг Z) в степени а (п 1Г, где а указывает число электронов в этих состояниях. Например, электронная формула Is^ выражает электронную конфигурацию атома гелия, в котором в if-слое в s-оболочке находятся два электрона с противоположными спинами. Состояние электрона в пространстве изображают окрашенной областью определенной формы, контраст которой зависит от вероятности нахождения электрона около ядра атома. Для s-орбиталей эта область имеет сферическую форму, для р-орбиталей — форму гантели. 102 Атомы § 18 Подведем итоги Э. Резерфорд в 1911 г. экспериментально обнаружил наличие в атомах золота компактного ядра, диаметр которого в 100 тыс. раз меньше размеров атома. Впоследствии было установлено, что ядра есть у всех атомов, и они состоят из протонов и нейтронов. Кроме ядер в атомах имеются электроны, которые удерживаются около ядер атомов за счет электромагнитного взаимодействия. Число положительно заряженных протонов в ядре равно числу электронов, поэтому атомы электрически нейтральны. Массу атомов удобно измерять в атомных единицах массы. Одна атомная единица массы (1 а. е. м.) равна 1/12 массы атома и составляет 1,66 * 10"^'^ кг. Так как движение электрона в атоме ограничено, то его энергия квантуется. Значения энергии электрона в атоме равны где Е-у — энергия основного невозбужденного состояния, равная -13,6 эВ. Состояние электронов в атоме подчиняется принципу Паули. Расположение электронов в атоме выражается электронной формулой. Что нужно обязательно запомнить • Значение атомной единицы массы. • Значение радиуса первой боровской орбиты электрона в атоме водорода. Что необходимо понять и усвоить • Причину квантования импульса и энергии электрона в атоме водорода. • Понятие относительной атомной массы. • Понятия орбитали и спин-орбитали. • Принцип Паули. 103 Вещество в природе Что нужно научиться делать о Вычислять значение энергии основного состояния атома водорода. • Применять принцип Паули для описания состояния электронов в атоме. Контрольные вопросы 1. Как было открыто сложное строение атома? 2. Какими величинами характеризуется состояние электрона в атоме? 3. Что выражают квантовые числа для электрона в атоме? 4. Что такое спин-орбиталь, атомная орбиталь? 5. Что такое электронная конфигурация атома? 6. Что выражает электронная формула для атома? А Задание Прокомментируйте цитату из книги известного английского физика Артура Эддингтона «Относительность и кванты»: «Атом так же пуст, как Солнечная система. Если бы в человеческом теле не было пустот и его протоны и электроны собрались в одну массу, то от человека остался бы комочек, едва различимый в увеличительное стекло». §19 Заполнение электронных состояний в атомах О чем пойдет речь О порядке заполнения электронных состояний в атомах. О пе рекрытии или гибридизации атомных орбиталей. Обсудим затронутые проблемы Заполнение электронных состояний происходит в соответствии с тремя принципами, или правилами, обобщаюш;ими большое число экспериментальных фактов (рис. 19). 104 Рис. 19. Принципы заполнения электронных состояний в атоме Первый принцип — это уже сформулированный нами принцип запрета Паули, выполнение которого обязательно для всех (1)ермионов. Второй принцип — это принцип минимальности потенциальной энергии атома. Для атома устойчивыми состояниями являются состояния с наименьшей энергией. Устойчивым называется такое состояние системы, которое восстанавливается после кратковременного внешнего воздействия. Примером устойчивого состояния является состояние небольшого тела, подвешенного на длинной нити над поверхностью Земли. При отклонении тела от положения равновесия появляются силы, возвраш;аюп;ие маятник в исходное состояние. Значения энергии определяются правилом Клечковского, согласно которому энергия атома определяется суммой главного и орбитального квантовых чисел (л + Z). Сначала заполняются оболочки с меньшими значениями (л -!- /). При одинаковом значении этой суммы для разных состояний сначала заполняются состоя- о о Вещество в природе О О ния с большими значениями числа Z. Правило Клечковского имеет исключения, но в целом хорошо выполняется для химических элементов. Третий принцип, определяю1ций порядок заполнения атомных орбиталей — это правило Хунда. Правило Хунда говорит о том, что заполнение любой Z-й оболочки в атоме происходит так, чтобы суммарный спин электронов данной оболочки имел максимальное значение. Рассмотрим, как происходит заполнение электронных состояний в атомах по мере увеличения заряда их ядер. Простейший атом водорода имеет ядро с зарядовым числом Z = 1 и один электрон в Is-состоянии. Электронная формула атома водорода имеет вид Is^. В состав атома с Z = 2 должны входить два электрона. В основном состоянии с наименьшей энергией они займут два Is-состояния с противоположными спинами. Такую конфигурацию имеет атом гелия Электронная формула атома гелия имеет вид Is^. Атом лития имеет Z = 3. Два электрона в атоме лития занимают Is-состояние, а третий занимает 2з-состояние. Электронная формула лития ®1л запишется в виде ls^2s^. В дальнейшем по мере увеличения зарядового числа Z ядра атома заполняют по-следуюш;ие электронные состояния. Электронные формулы атомов от бериллия до неона включительно имеют вид: Be (бериллий): ls^2s^; В (бор): ls^2s^2p^; С (углерод): ls^2s^2p^'\ N (азот): ls^‘2s^2p^\ О (кислород): ls^2s^‘2p'^; F (фтор): 1s^2s^2^7^; Ne (неон): ls^‘2s^-2p^. На атоме неона заканчивается заполнение электронных состояний второго слоя. При небольшом значении Z в атоме может происходить перекрытие S- и р-орбиталей с образованием так назывемых гибридизированных орбиталей. Понятие гибридизации (сочетания) орбиталей впервые ввел американский химик Лайнус Полинг, нобелевский лауреат по химии и лауреат Нобелевской премии мира. 106 I Заполнение электронных состояний в атомах § 19 а) б) Рис. 20. Гибридизированные двухатомные (а), трехатомные (б) и четырехатомные (в) орбитали Поскольку для отдельных состояний электрона справедлин принцип суперпозиции, то сумма или разность s- и р-орбиталей электрона также есть его состояние. Из-за этого в атомах возможны гибридизированные sp-состояния. Например, гибридизация «-и /?-орбиталей в атоме углерода может привести к появлению двух, трех и четырех атомных гибридизированных орбиталей. В первом случае при sp-гибридизации новые орбитали лежат на одной прямой (рис. 20, а), во втором случае — в одной плоскости под углом 120** по отношению друг к другу (рис. 20, б). Н третьем случае получаются четыре орбитали, ориентированные в пространстве под углом 109° (рис. 20, в). В атоме углерода возможны все три вида гибридизации, поэтому его атомы могут (Ч)здавать чрезвычайно широкий спектр различных по форме и структуре молекул. Подведем итоги • Порядок заполнения электронных состояний в атомах определяется тремя принципами. • В атомах с небольшим Z может происходить перекрытие s- и /?-орбиталей с образованием гибридизированных орбиталей. • Разнообразие видов гибридизации орбиталей в атоме углерода обеспечивает чрезвычайно широкие возможности для создания различных по форме и структуре молекул. ✓ 107 Вещество в природе Что нужно обязательно запомнить • Принципы заполнения электронных состояний в атоме. Что необходимо понять и усвоить • Причины гибридизации орбиталей в атоме. Что нужно научиться делать • Составлять электронную формулу для определенного атома, е Контрольные вопросы 1. По каким правилам заполняются электронные состояния в атоме? 2. Запишите электронные формулы для атомов первых двух периодов в таблице Менделеева. 3. Что называется гибридизацией атомных орбиталей? 4. Как меняется пространственное расположение атомных орбиталей при их гибридизации? ^ Задание Увеличим ядро атома водорода до размеров яблока. Обоснуйте, как изменится при этом размер атома. §20 Взаимодействие между атомами. Природа химической связи о чем пойдет речь О взаимодействии атомов, природе химической связи и валентности атомов. о Обсудим затронутые проблемы Атомы являются устойчивыми природными объектами. Для того чтобы удалить электрон из атома водорода, потребуется энергия 13,6 эВ. Энергия, необходимая для удаления электрона из атома, называется энергией ионизации. Если энергия внешнего 108 Взаимодействие между атомами иоздеиствия намного меньше энергии ионизации, то атом но проявляет внутренней структуры, Сложное строение атома проявляется только в том случае, если внешнее воздействие приводит к возбуждению атома или его разрушению. о Атомы могут взаимодействовать друг с другом. Взаимодействие атомов между собой приводит к образованию молекул или конденсированных сред (жидкостей и твердых тел), из которых состоят окружаюш;ие нас тела. Взаимодействие атомов вызывает электромагнитное взаимодействие между частицами, входящими в состав атомов. Например, атомы натрия и хлора, притягиваясь друг к другу, образун)т при определенных условиях кристаллическое вещество — всем хорошо известную поваренную соль NaCl (хлорид натрия). Взаимодействие этих атомов объясняется взаимным притяжением ионов натрия и хлора, которые образуются в результате перехода электрона натрия из Зз-состояния в Зр-состояние атома хлора. Такой переход обусловлен уменьшением энергии взаимодействия между атомами. Электромагнитное взаимодействие между ионами в пространстве формирует упорядоченную структуру из чередующихся ионов натрия и хлора. Подобная связь между атомами называется ионной связью. Энергия ионной связи составляет величину порядка 10^-10® джоулей на один моль (Дж/моль). Другим видом взаимодействия между атомами служит ковалентная связь. Происхождение ковалентной связи удалось объяснить только на основе квантово-механических представлений. Впервые это сделали в 1927 г. немецкие физики В. Гайтлер и Ф, Лондон, рассчитав взаимодействие двух электрически ней-'гральных атомов водорода. Их работы послужили основой для |)азвития новой научной дисциплины — квантовой химии. Картину образования ковалентной связи в молекуле водорода можно представить следующим образом. По мере сближения нейтральных атомов водорода друг с другом начинается перекрытие s-орбиталей этих атомов; взаимодействие между атомами при этом увеличивается. На рис. 21 представлен график, характеризующий изменение энергии взаимодействия между нейтральными атомами яодорода в зависимости от расстояния г между их ядрами. Из графика видно, что энергия взаимодействия при заданном значении г зависит от направления спинов электронов. Если спины направлены в противоположные стороны, то при некотором значении Го наблюдается отчетливый минимум энергии взаимодействия. о о 109 Вещество в природе Рис. 21. График зависимости энергии взаимодействия атомов водорода от расстояния г между атомами В этом случае электроны становятся общими для обоих атомов, происходит, как говорят, обобществление электронов с противоположно направленными спинами и образование молекулы. Ковалентная связь, таким образом, осуществляется парой электронов с антипараллельными спинами. Следовательно, число неспаренных электронов, находящихся на внешних орбиталях атомов, определяет их валентность, т. е. возможность атомов вступать в химические соединения с определенным числом других атомов, например атомов водорода. Если химическая связь между атомами осуществляется с помощью одной ковалентной связи, то говорят об одинарной ковалентной связи. Если взаимодействие между атомами обеспечивается двумя или тремя ковалентными связями, то она называется соответственно двойной или тройной ковалентной связью между атомами. Проследим за изменением валентности наиболее простых химических элементов в зависимости от зарядового числа Z их ядер, опираясь на квантово-механические представления о природе ковалентной связи- Атом водорода имеет валентность, равную единице, так как на его ls-орбитали находится один неспаренный электрон. Валентность гелия равна нулю — это инертный газ. Химическая пассивность гелия объясняется тем, что его два электрона на ls-орбитали находятся в устойчивом спаренном состоянии с противоположно направленными спинами. Взаимодействие между атомами §20 Валентность лития равна единице, поскольку на его 2s-opGn-тали имеется один неспаренный электрон. В атоме бериллия в 28-состоянии находятся два электрона V. противоположными спинами, и, следовательно, валентность этого элемента должна быть равна нулю. Однако связь электрона н этом состоянии слаба, и он может легко возбуждаться в 2р-состоя-пие. В результате появляются два неспаренных электрона — один а 2s-, другой в 2/?-состоянии. При этом валентность бериллия становится равной двум. В атоме бора один электрон в 2р-состоянии обеспечивает валентность, равную единице. Если в процессе химической реакции один электрон из 2з-состояния переходит в 2р-состояние, то бор становится трехвалентным элементом, потому что все три электрона на внешних орбиталях становятся неспаренными. Углерод по этим же причинам может быть или двух-, или ч(!-тырехвалентным элементом. Способность образовывать четыре ковалентные связи делает углерод чрезвычайно важным элементом мри формировании сложных, в том числе органических, молекул. В азоте три электрона в 2/?-состоянии обеспечивают валентность, равную трем. Два атома азота за счет обобществления сво-iix валентных электронов могут образовать весьма устойчивую молекулу азота. Атмосферный воздух содержит примерно 78% газообразного азота. Атом кислорода двухвалентен. Атомы кислорода так же, Kaic атомы азота, могут объединяться в молекулы. Однако молекулы кислорода имеют меньшую энергию связи, так как в них атомы объединяются двумя, а не тремя ковалентными связями, как в ( лучае азота. На кислород приходится 20% состава атмосферы !^емли, кроме того это самый распространенный элемент в земной icope нашей планеты. Фтор имеет валентность, равную единице, поскольку в 2р-со-гтоянии находятся пять электронов, из которых только один г «неспаренным» спином. У неона 2р-оболочка занята полностью, поэтому неон так же, как и гелий, является инертным газом с нулевой валентностью. Кроме ионных и ковалентных связей между атомами возможны вандерваальсовские связи и металлические связи. Вандерва-альсовская связь характерна для атомов, которые имеют заполненные орбитали. При сближении таких атомов происходит дс-(1>ормация распределения электрических зарядов внутри атомов. 111 Вещество в природе что приводит к их взаимному притяжению. Вандерваальсовское взаимодействие характерно главным образом для атомов инертных газов. Металлическая связь возникает между атомами металла за счет обобществления валентных электронов. В этом случае электроны внутри металла ведут себя как разреженный газ и обеспечивают устойчивость положения ионов металла, находящихся в узлах кристаллической решетки. Подведем итоги • Атомы могут взаимодействовать друг с другом. В результате взаимодействия атомов между собой могут образовываться молекулы или конденсированные среды (жидкости и твердые тела), из которых состоят окружающие нас тела. ® В результате электромагнитных взаимодействий между атомами могут возникать различные связи: ионные, ковалентные, металлические и вандерваальсовские. ® Возможность атома вступать в химические соединения с определенным числом других атомов называется валентностью атома. Что нужно обязательно запомнить • Виды взаимодействия между атомами. Что необходимо понять и усвоить ® Понятие валентности. ® Причины ковалентной и других типов связи между атомами вещества. Что нужно научиться делать • Называть различные виды связи между атомами, е Контрольные вопросы 1. Как изменяется энергия взаимодействия нейтральных атомов при изменении расстояния между ними? Периодический закон Д. И. Менделеева §?« 2. При каких условиях наблюдается минимум энергии взаимодейстиия между атомами? 3. От чего зависит валентность химических элементов? 4. Как изменяется валентность химических элементов второго периода периодической системы в зависимости от их положения в таблиц*' Менделеева? Задание Используя представления о гибридизации атомных орбиталей в атоме углерода, изобразите возможные расположения атомов углерода относительно друг друга в молекулах. А §21 Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева О чем пойдет речь О содержании одного из основных законов естествознания — периодического закона химических элементов Д. И. Менделеева. Обсудим затронутые проблемы Рассматривая порядок заполнения электронами отдельных квантовых состояний в различных атомах, можно установить зависимость их валентности от заряда ядра атома. А так как свойства химических элементов, в свою очередь, зависят от валентности атомов, значит, они зависят от значения зарядового числа. Впервые такую зависимость установил великий русский химик Д. И. Менделеев в 1869 г., обобщив экспериментальные данные о свойствах химических элементов. Менделеев сформулировал открытый им закон следующим образом. Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, ими образуемых, стоят в пери-одической зависимости от их атомного веса. 113 Вещество в природе Менделеев открыл, что свойства элементов зависят от одного параметра, характеризующего их существенные внутренние свойства, и в этом его заслуга! В дальнейшем этот параметр был уточнен — им оказался не атомный вес (атомная масса), а зарядовое число Z ядра атома. В 1913 г. нидерландский физик А. Ван ден Брук, основываясь на результатах исследований строения атома, предположил, что порядковый номер химического элемента определяется зарядом ядра атома. В 1913-1914 гг. английский физик Г, Мозли экспериментально подтвердил это предположение, изучив спектры рентгеновского излучения атомов. Это уточнение не повлияло на основное содержание закона. Менделеев не только правильно расположил известные элементы в отдельных клетках таблицы, но и предсказал свойства некоторых еще не открытых элементов: экаалюминия, экабора, экасилиция. Приставка «эка» означает «следующий за...». Впоследствии, когда эти элементы были обнаружены, их свойства оказались именно такими, как предсказал Менделеев. Экаэлемен-ты открыли спустя 1.0—15 лет, они получили следующие названия: экаалюминий — галлий Ga, экабор — скандий Sc, экасили-ций — германий Ge. Д. И. Менделеев предсказал также существование аналогов марганца (будущие технеций Тс и рений Re), теллура (открытый впоследствии полоний Ро), йода (будущий астат At), цезия (франций Fr), бария (радий Ra). На основе Периодического закона Менделеев построил свою таблицу. Теперь это всем известная Периодическая система элементов Д. И. Менделеева (см. форзац учебника). Таблица разделена на восемь групп, обозначаемых римскими цифрами, и семь периодов, обозначаемых арабскими цифрами. В шестом и седьмом периодах имеются группы элементов с очень близкими свойствами, которые объединены в семейство редкоземельных элементов, или лантаноидов, и семейство актиноидов. Каждое семейство занимает в таблице по одной клетке. Принадлежность элемента к определенной группе соответствует строению его валентной оболочки. Каждая группа разделена на две подгруппы: А и Б. Подгруппа А — главная подгруппа, подгруппа Б — побочная. Например, в подгруппу (IA) входят щелочные металлы, в подгруппу (ПА) — щелочноземельные металлы, а подгруппу (VIIA) образуют галогены. С увеличением Z свойства элементов в каждой подгруппе изменяются вполне определенным образом. Периодический закон Д. И. Менделеева §21 Внутри каждого периода с ростом Z наблюдается изменеши' свойств химических элементов: вначале это химически актиниьк» металлы, затем менее активные металлы, далее следуют слабоактивные неметаллы, активные неметаллы и, наконец, инертньк^ газы. Инертные газы замыкают каждый период. Особенности строения таблицы Менделеева стали понятными после того, как свойства отдельных атомов были описаны с помощью квантовой физики. В настоящее время поиски новых химических элементов продолжаются. Появились сообщения о синтезе 118-го элемента. Со времени создания таблицы Менделеева, в которую вошли 63 известных элемента, было открыто 55 новых, свойства которых соответствуют предсказаниям периодического закона. Подведем итоги • В 1869 г. русский химик Д. И. Менделеев открыл периодический закон химических элементов. В соответствии с этим законом химические и физические свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от их зарядового числа. • Периодический закон позволил не только систематизировать все известные химические элементы, но и предсказать существование новых, еще не открытых элементов. • Предсказательная сила периодического закона подтвердилась в дальнейших исследованиях. В настоящее время таблица Менделеева объединяет 118 элементов. Что нужно обязательно запомнить • Формулировку периодического закона химических элементов. Что необходимо понять и усвоить • Структуру таблицы химических элементов Менделеева. • Значение закона Менделеева. Что нужно научиться делать • Определять свойства элемента по его местоположению в таблице. 115 Вещество в природе Контрольные вопросы 1. Сформулируйте периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева. 2. Какова структура периодической таблицы химических элементов? 3. Как изменяются свойства химических элементов в каждом периоде при увеличении Z? 4. В чем проявляется предсказательная сила периодического закона? 5. Как можно объяснить периодичность свойств химических элементов? А Задание Оказалось, что элементарных частиц в природе гораздо больше, чем химических элементов. Опишите, в чем вы видите причину такого явления? §22 Молекулы о чем пойдет речь О Об особенностях состояния электронов в молекулах. О строении молекулы водорода. Обсудим затронутые проблемы При взаимодействии атомов между собой могут образовываться устойчивые системы, называемые молекулами. Состояние электронов в молекуле, как и в атоме, задается набором квантовых чисел. Каждый набор характеризует молекулярную орбиталь. В отличие от атомных орбиталей для молекулярных орбиталей нет однозначного соответствия между значением главного квантового числа и энергией молекулы. Главным признаком молекулярных орбиталей являются их пространственные характеристики, определяющие форму и размеры молекулы. По форме молекулярные орбитали делят на орбитали а- и тс-типов, сходных с атомными орбиталями s- и р-типов. Аналогично атомным орбиталям молекулярные орбитали заполняются электронами в соответствии с принципом Паули, принципом минимальности энергии и правилом Хунда. 116 Молекулы §22 При образовании молекулы исходные атомы располагаются так, чтобы получалось максимальное перекрытие их атомных орбиталей. Используя представление о молекулярных орбиталях, рассмотрим строение простейшей молекулы водорода Н2, В каждом из атомов водорода, образуюш;их его молекулу, состояние электрона можно описать атомными орбиталями. В невозбужденном состоянии электрон занимает Is-состояние. При сближении атомов водорода на расстояние, сравнимое с размерами первой бо-ровской орбиты, происходит перекрытие атомных орбиталей в пространстве и суперпозиция атомных состояний. Электрон может находиться около каждого из атомов с равной вероятностью. Теперь результирующее состояние электрона в молекуле можно представить как в виде суммы атомных орбиталей, так и их разности. Молекулярная орбиталь а, равная сумме двух атомных орбиталей за = (ls)i И- (ls)2, характеризуется тем, что вероятность нахождения электрона между ядрами атомов водорода увеличивается. Это приводит к компенсации взаимного электрического отталкивания этих ядер. Энергия взаимодействия атомов водорода в этом состоянии меньше суммарной энергии отдельных атомов. Следовательно, атомам водорода выгоднее находиться в связанном состоянии с такой орбиталью, чем в свободном состоянии. Такую молекулярную орбиталь называют связывающей. Молекулярная орбиталь за* = (ls)i - (ls)2 характеризуется нулевым значением вероятности нахождения электронов в пространстве между ядрами атомов водорода, что приводит к дополнительному отталкиванию ядер и увеличению энергии взаимодействия атомов водорода. Такая орбиталь называется разрыхляющей. Соотношение между энергиями электронов в атомах Н и молекуле Н2 показано на рис. 22 в виде так называемой энергетической диаграммы. Оба электрона в молекуле водорода в основном состоянии находятся на связывающей орбитали с противоположно направленными спинами, согласно правилам заполнения молекулярных орбиталей. Взаимодействие между атомами в молекулах называется химической связью. На примере образования молекулы водорода видно, что химическая связь устанавливается в результате суперпозиции атомных состояний электрона в атоме или перекрытия атомных орбиталей. о о о Вещество в природе Рис. 22. Энергетическая диаграмма молекулы водорода Взаимодействие тем сильнее, чем ближе энергии перекрывающихся атомных орбиталей и чем больше орбитали перекрываются друг с другом. Если перекрытия орбиталей нет, то взаимодействие отсутствует. При перекрытии каждая пара близких по энергии атомных орбиталей образует две молекулярные орбитали — связывающую и разрыхляющую. Каждая молекулярная орбиталь заполняется в соответствии с тремя правилами заполнения атомных орбиталей. С помощью этих представлений рассмотрим заполнение молекулярных орбиталей в молекуле кислорода О2, имеющей большое значение для жизни на Земле. Электронная формула атома кислорода имеет вид ls^2s^2p^. При сближении атомов кислорода атомные орбитали 1$ образуют две молекулярные орбитали Isa и Isa* с четырьмя электронами. Атомные орбитали 2s образуют две атомные орбитали 2sa и 2sa* также с четырьмя электронами. Оставшиеся восемь электронов размещаются на молекулярных орбиталях, которые образуются из атомных 2/?-орбиталей. Эти атомные орбитали могут создавать как а-, так и ти-молекулярные орбитали. Состояниям электронов на /?а-орбиталях соответствует большая по модулю энергия взаимодействия, поэтому их заполнение идет преимущественным образом. В итоге на связывающих орбиталях ра и рк размещаются шесть электронов с противоположно направленными спинами, а на рл*-орбитали находятся два электрона с одинаково направленными спинами. Суммарный спин молекулы кислорода оказывается равным единице, что под- Молекулы §22 Энергия ii 2оа 2р 2s Is Атом А Молекула АВ Атом В Рис. 23. Энергетическая диаграмма молекулы кислорода гверждается магнитными свойствами молекулярного кислорода. Энергетическая диаграмма для молекулы кислорода приведена на рис. 23. Подведем итоги Атомы химических элементов могут объединяться в молекулы. Состояние электронов в молекулах описывается с помощью молекулярных орбиталей, которые получаются в результате наложения (суперпозиции) атомных орбиталей. В зависимости от характера молекулярных орбиталей электроны отдельных атомов могут увеличивать или уменьшать энергию взаимодействия атомов в молекуле. Электроны заполняют молекулярные орбитали по тем же правилам, что и в атомах. 119 Вещество в природе Что нужно обязательно запомнить • Виды молекулярных орбиталей. Что необходимо понять и усвоить • Причины объединения атомов в молекулы. • Разницу между связывающей и разрыхляющей орбиталями. • Порядок заполнения электронных состояний в молекулах. Что нужно научиться делать е А • Составлять энергетическую диаграмму для простейших молекул. Контрольные вопросы 1. Что характеризует молекулярная орбиталь? 2. Какие виды молекулярных орбиталей вам известны? 3. Что такое связывающая молекулярная орбиталь? 4. Что такое разрыхляющая молекулярная орбиталь? 5. Как «устроена» молекула водорода? 6. Как «устроена» молекула кислорода? Задание Каждые 20 мин в химических лабораториях мира синтезируется новая молекула. Обоснуйте ваше отношение к этому процессу. §23 Разнообразие молекул О чем пойдет речь О классификации молекул и особенностях строения отдельных молекул. 120 Разнообразие молекул 23 Обсудим затронутые проблемы В природе из протона и нейтрона, всего лишь двух разновидностей нуклонов, образовано около 3000 разных нуклидов. Попятно, что из 118 видов атомов может сформироваться гораздо больше видов молекул. В настоящее время известно более 12 млн молекул: примерно 2 млн — неорганические молекулы и более 10 млн — органичо-гкие. Многие молекулы получены искусственным путем. В состав простейшей молекулы водорода входят всего два атома водорода. Расстояние между протонами в молекуле водорода (юставляет примерно 0,74 А (1 А = 10"^® м), что на 0,3 А меньии» удвоенного боровского радиуса атома водорода. Следовательно, орбитали атомов водорода сильно перекрываются друг с другом при образовании молекулы. Молекулу водорода условно можно изобразить в виде двух до-(|юрмированных кругов, радиус которых в 10^ раз больше радиус^а мтома химического элемента в невозбужденном состоянии. Для наглядности изобразим атомы разноцветными кружками: атомы иодорода будем изображать красными кружками, азота — фиоле-говыми, кислорода — голубыми. Простейшие молекулы кислорода, азота и других газов состо->tT, подобно молекуле водорода, всего лишь из двух атомов (см. цветной блок: рис. Ц6). Более сложной молекулой является молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода (см. цветной блок: рис. Ц7). Чем больше атомов входит в состав молекулы, тем больше ее размер и масса. Наиболее сложными и крупными являются молекулы белков, нуклеиновых кислот и полимеров. В состав молекулы некоторых видов белков входят сотни тысяч атомов, поэтому их структура очень сложна для описания. Молекулы имеют различную форму. Известны линейные молекулы, молекулы-пирамиды, молекулы, имеющие форму куба, кольца, цилиндра, футбольного мяча и др. Форма молекул зани-(жт от взаимного расположения атомов в молекуле. Paccтoяни(i между атомами определяется длиной валентных связей, а про-<ггранственное расположение атомов — величиной валентных углов между валентными связями. Например, одинарная связь о т Вещество в природе Рис. 24. Атомы Демокрита между атомами углерода составляет 1,5 А. В молекуле воды валентный угол равен 104,5**. На рис. 24 приведены различные пространственные структуры атомов в представлении Демокрита. Надо сказать, что умозрительные фантазии Демокрита удивительным образом перекликаются с открытиями современных исследователей, изучающих форму отдельных молекул. На рис. 25, а~г представлено расположение атомов в сложных молекулах: аммиака NH3, метана СН^, бензола CgHg и фуллере-на CgQ. При всем многообразии в формах молекул просматривается пространственная симметрия в расположении атомов. Например, некоторые молекулы обладают вращательной симметрией. Это означает, что поворот молекулы на определенный угол относительно некоторой оси в пространстве не изменяет формы молекулы. Часто наблюдается зеркальная симметрия, что означает неизменность формы при зеркальном отражении. Одна и та же молекула может иметь несколько видов пространственной симметрии. Какие причины могут вызывать пространственную симметрию молекул? Одной из них является взаимное отталкивание между парами валентных электронов и парами неподеленных электронов в атомах, входящих в состав молекул. Конфигурация молекулы, ее форма определяется взаимным расположением пар валентных электронов, которые находятся на максимальном расстоянии друг от друга, что обеспечивает минимальную потенциальную энергию электрического взаимодействия всех частиц в составе молекулы. Разнообразие м »п < ‘ Н ‘NI sp2- Гибридизированный С-атом Н Рис. 25. Строение сложных молекул: а — аммиака; б — метана; в — бензола; г — фуллерена Учитывая взаимное отталкивание электронных пар валентной оболочки, нетрудно понять, что двухатомные молекулы имеют линейную структуру, трехатомные — треугольную, четырехатом-мые — пирамидальную и т. д. Это подтверждается и экспериментально. Правда, нужно учесть, что в многоатомных молекулах (|)орма молекул зависит и от других факторов, связанных с взаимодействием всех частиц в составе молекулы. Молекулы разделяют также на простые и сложные. Если число атомов в молекуле невелико, то говорят о простых молекулах, ('сли же в состав молекулы входит порядка нескольких тысяч и более атомов, то говорят о сложных молекулах. Примером сложных молекул являются полимерные цепи — молекулы, состоящие из концевых групп и расположенных между ними повторяющихся мономерных звеньев. К сложным молекулам относятся также биомолекулы, например белки, ДНК, РНК и др. Вещество в природе Подведем итоги • Взаимодействие атомов химических элементов создает многообразие молекул. В настоящее время насчитывается более 12 млн видов различных молекул, что значительно больше количества различных видов элементарных частиц, нуклидов и атомов вместе взятых. • Классификация молекул зависит от выбора классификационных признаков. Различают молекулы органические и неорганические, имеющие различную форму, массу и размер, симметричные и несимметричные, простые и сложные. Что нужно обязательно запомнить • Виды молекул. Что необходимо понять и усвоить Причины разнообразия молекулярных форм. Что нужно научиться делать Приводить примеры молекул разной формы. Контрольные вопросы 1. Сколько примерно видов молекул известно в настоящее время? 2. Как молекулы отличаются друг от друга по структуре и по массе? 3. Чем определяется форма молекулы? 4. От чего зависит пространственное расположение атомов в составе молекулы? 5. Чем определяется разнообразие молекул в природе? Задание Приведите примеры молекул, имеющих линейную, треугольную, сферическую, пирамидальную и кубическую структуру. 124 Макромолекулы и синтетические полимеры §21 §24 Макромолекулы и синтетические полимерные материалы О чем пойдет речь О свойствах макромолекул, содержащих тысячи и десятки тысяч атомов. О полимерах и биополимерах. Обсудим затронутые проблемы Макромолекулы содержат тысячи и десятки тысяч атомои. К макромолекулам относятся молекулы полимеров — полимерные цепи, состоящие из последовательности звеньев атомов, между которыми существуют ковалентные связи. Примером полимерной цепи является молекула полиэтилена, структурная формула и пространственная структура участка цепи которой приведены на рис. 26. СН2 - СНз - СН2 - СНз - СН2 - СН2 - СНг Рис. 26. Молекула полиэтилена Из рисунка видно, что отдельным звеном в молекуле полиэтилена является группа атомов CHg. Число звеньев N называется степенью полимеризации молекулы полимера и достигает десятков тысяч. Если все звенья полимерной цепи одинаковые, то молекулу называют гомополимерной; если звенья цепи разные, то молекулу называют гетерополимерной или молекулой сополимера. о 125 Вещество в природе Рис. 27. Виды полимерных молекул: а — гребнеобразная; б — звездообразная; в — случайно-разветвленная; г — сетчатая о Наибольшую степень полимеризации имеют молекулы биополимеров. К числу биополимеров относятся молекулы белков, дезорибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот. В молекуле ДНК значение N достигает величины 10^-10^®. Длина таких молекул составляет несколько сантиметров. Наряду с простыми линейными полимерными молекулами существуют более сложные по форме молекулы, изображенные на рис. 27: гребнеобразные (а), звездообразные (б), случайно-разветвленные (в), кольцевые и сетчатые (г). Кольцевые молекулы образуют структуры типа кольчуги. Молекулы полимеров широко распространены в природе. Примером естественных полимерных молекул служат молекулы белков, ДНК, РНК, каучука, натурального шелка, целлюлозы и др. Большой интерес как с научной, так и с практической точки зрения представляет получение полимерных молекул искусственным путем. Существуют два способа получения полимеров из мономеров: полимеризация и поликонденсация. Наприкер, полиэтилен получают из этилена CHg путем полимеризации — последовательного наращивания полимерной цепи при определенных 126 Макромолекулы и синтетические полимеры §24 условиях. При поликонденсации молекула полимера образуется путем объединения отдельных фрагментов молекулы полимера. Полимерные молекулы более сложной формы, например по-;шмерной сетки, получают физико-химическими методами сши-иания линейных молекул. К таким методам относится процесс иулканизации каучука: каучук нагревается в присутствии серы и превращается в эластичную резину. Натуральный каучук был открыт европейцами еще во время первой экспедиции X. Колумба и Америку (1492 г.). Впервые вулканизацию натурального каучука осуществил американский изобретатель Ч. Гудьир в 1839 г. Из молекул полимеров получают различные материалы: высокоэластичные резины, твердые пластмассы, полимерные волокна. Примером эластичного полимерного вещества служит смола бразильской гевеи — натуральный каучук. Молекулы натурального каучука образуют полимерные цепи изопрена C^Hg, структурная (|)ормула которого приведена на рис, 28. Длинные молекулы каучука беспорядочно переплетаются между собой, образуя вязкую, липкую массу. При нагревании природного каучука в присутствии серы он теряет липкость и становится эластичным, т. е. получается новый материал — резина. ЬЗсли вулканизацию проводить при большой концентрации серы, то получается эбонит — прочный, химически стойкий материал. Искусственный каучук был получен в 30-х гг. XX в. посредством синтеза полимерных молекул из мономеров, сходных по строению с изопреном. К числу таких молекул относятся молекулы изобутилена C^Hg и хлорбутадиена C4H5CI. Рис. 28. Структура изопрена 127 Вещество в природе О По сравнению с природным каучук, полученный из молекул изобутилена, — бутилкаучук, представляет собой более плотный материал. Его применяют для изготовления автомобильных камер и бескамерных шин. Каучук из хлорбутадиена вулканизируется при нагревании при отсутствии серы, посредством образования углерод-углерод-ных связей между отдельными полимерными молекулами. Этот каучук устойчив к нагреванию и воздействию масел и находит широкое применение в автомобильной промышленности. В качестве примера природной пластмассы можно привести хитин — твердое веш;ество, служаш;ее материалом для внешнего скелета насекомых. К природным полимерным волокнам относятся шерсть, волосы, шелковые и целлюлозные волокна. Длина шелкового волокна гусеницы шелкопряда может достигать длины около километра: Полимерные волокна имеют большое практическое значение при производстве тканей. Природные волокна получают из хлопка, льна, конопли и других растений. Полимерные волокна можно производить искусственным путем. В этом случае они называются химическими волокнами. Существуют два типа волокон: искусственные и синтетические: Искусственные волокна получают из природной целлюлозы. Например, вискозные волокна делают из древесной массы, ацетатные — из хлопковой целлюлозы. Синтетические волокна получают из химических веществ. К синтетическим волокнам относятся капрон и найлон (полиамидное волокно), лавсан, терилен (полиэфирное волокно), нитрон, орлон (полиакрилнитриль-ное волокно). Нити из синтетических волокон получают, растворяя полимер в подходящем растворителе и продавливая полученный раствор через тонкие отверстия фильеры (рис. 29). После продавливания (экструдирования) в воздухе растворитель испаряется. Для ориентации молекул полимера вдоль волокна его вытягивают и затем свивают в нити, из нитей ткут ткани. Ткани из синтетических волокон обладают высокой прочностью, эластичностью, устойчивостью к внешним воздействиям. Изделия из синтетических волокон нашли широкое применение в производстве одежды, спецодежды, покрытий, оболочек для летательных аппаратов легче воздуха и в других случаях. 128 Макромолекулы и синтетические полимеры §24 Нагретая жидкость Нагретый воздух Рис. 29. Схема получения синтетического волокна: 1 — прядильная головка; 2 — фильера; В — образующиеся волокна; 4 — шахта Подведем итоги • Среди сложных молекул особый интерес для изучения представляют макромолекулы, имеющие в своем составе десятки и сотни тысяч атомов. Примером таких молекул являются полимеры, состоящие из последовательности звеньев — групп атомов, между которыми существуют ковалентные связи. • Из молекул полимеров можно ползгчить различные материалы: высокоэластичные резины, твердые пластмассы, полимерные волокна. • Особое значение в природе имеют биополимеры, молекулы которых являются структурными элементами живых объектов. Что нужно обязательно запомнить • Виды полимеров. Вещество в природе Что необходимо понять и усвоить • Механизм образования полимеров, • Способы получения полимерных молекул. Что нужно научиться делать • Приводить примеры применения полимеров. ф Контрольные вопросы 1. Какова особенность строения полимерных молекул? 2. Чем полимерная молекула отличается от молекулы сополимера? 3. Какие существуют виды полимерных молекул? 4. Какими способами получают полимерные молекулы? 5. Что представляет собой молекула природного каучука? 6. Что такое вулканизация каучука? 7. Где применяется каучук? 8. Что такое искусственные волокна? 9. Какие химические волокна вы знаете? 10. Где применяются синтетические волокна? Задание t Приведите примеры использования полимерных материалов, которые вам известны. §25 Роль макромолекул в человеческом организме О чем пойдет речь О строении белковых молекул и молекулы ДНК. О роли бел ков и нуклеиновых кислот в организме человека. 130 Роль макромолекул в человеческом организме §21 Обсудим затронутые проблемы Макромолекулы играют большую роль в организме человека. К числу сложных биологических макромолекул относятся, прс'-жде всего, белки и нуклеиновые кислоты. Их молекулярные массы составляют величину порядка а. е. м. Эти молекулы относятся к гетерополимерным молекулам. Каждая из таких молекул имеет остов, к которому присоединены молекулярные группы нескольких сортов — радикалы, характерные для данной молекулы. Строение полимерной цепи белка показано на рис. 30. н о н 1 II 1 N- -С- -с- -N- -с— -С 1 1 1 II н н R2 О Рис. 30. Структурная формула белка Радикалы и Rg в молекуле белка определяются радикалами (юответствующих аминокислот, входяш;их в ее состав. Белковьи' молекулы человека образованы аминокислотами 20 различных сортов, отличающихся строением радикалов. В состав молекулы аминокислоты входит аминогруппа NHg и карбоксильная группа соон. Белки синтезируются в клетках человеческого организма и выполняют разнообразные функции. Они служат строительным материалом тела человека, катализаторами химических реакций, обеспечивают защитные функции организма, переносят энергию. о Синтез белков носит матричный характер и осуществляется в соответствии с генетическим кодом с помощью молекул информационной рибонуклеиновой кислоты (иРНК). Эта кислота определяет последовательность аминокислотных остатков для каждого белка, синтезируемого в клетке. Хранителем генетической ин-(1>ормации, необходимой для синтеза белков, служит молекула дезорибонуклеиновой кислоты (ДНК). Структура ДНК впервые была расшифрована в 1953 г. английскими физиками Уотсоном и Криком с помощью метода реит-гсноструктурного анализа. Молекула ДНК является сополимером п имеет вид двойной спирали. Каждая спираль состоит из четы- о 131 Вещество в природе О рех чередующихся молекулярных групп, называемых нуклеотидами. В состав нуклеотида входят азотистые основания, дезокси-рибоза и фосфорная кислота. К азотистым основаниям относятся четыре соединения: тимин, аденин, цитозин и гуанин. Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК определяет генетический код, по которому синтезируется тот или иной белок. Расположение нуклеотидов в спиралях молекулы ДНК носит комплементарный характер. Это означает, что каждому нуклеотиду в одной спирали соответствует один определенный нуклеотид в другой спирали. Напротив аденина располагается тимин. Гуанин всегда расположен напротив цитозина. Нуклеотидные пары соединяются водородными связями. Благодаря такому дублированию по строению одной спирали всегда можно восстановить структуру другой. Молекула ДНК человека имеет следующие параметры: расстояние между спиралями в молекуле ДНК шаг спирали общее число звеньев в молекуле ДНК длина одной молекулы ДНК длина всех молекул ДНК в клетке 2 нм 3,4 нм - 3 млрд * 0,04 м -2 м Длина всех молекул ДНК, содержащихся в клетках взрослого человека, в 1000 раз превышает расстояние от Земли до Солнца и составляет 10^^ км. Строение молекулы ДНК показано на рис. Ц8 (см. цветной блок). Группа нуклеотидов в составе ДНК, определяющая синтез белка, называется ген. Совокупность генов в составе ДНК образует геном. Каждый организм имеет уникальный набор генов, т. е. свой геном. Геном человека был расшифрован в 2001 г. Более подробное обсуждение строения генов и структуры генома человека отложим до 11-го класса. Подведем итоги • Макромолекулы играют большую роль в организме человека. К числу сложных биологических макромолекул относятся белки и нуклеиновые кислоты. Их молекулярные массы составляют величину порядка а. е. м. • Белки в организме человека выполняют разнообразные функции: служат строительным материалом для тела человека и катализаторами химических реакций, обеспечивают защитные функции организма, переносят энергию. 132 Взаимодействие молекул §2b • Молекула ДНК является сополимером и имеет вид двойной спирали. Каждая спираль состоит из четырех чередующих(01 молекулярных групп, называемых нуклеотидами, • Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК определж'т генетический код, по которому синтезируется тот или иной белок. Что нужно обязательно запомнить • Строение молекул белка и ДНК. Что необходимо понять и усвоить • Какие макромолекулы играют большую роль в организме человека и почему. Что нужно научиться делать • Называть функции основных макромолекул в организме человека. Контрольные вопросы 1. Какие макромолекулы играют особенно важную роль в организме человека? 2. Что представляют собой молекулы белка? 3. Каковы функции белков в организме человека? 4. Какая молекула содержит генетический код человека? 5. Что такое геном человека? Задание Перечислите функции основных макромолекул в организме человека. о А §26 Взаимодействие молекул О чем пойдет речь О механизме взаимного притяжения и отталкивания молекул О видах межмолекулярного взаимодействия. 133 Вещество в природе Обсудим затронутые проблемы О Молекулы, так же как и атомы, могут взаимодействовать между собой. Их взаимодействие проявляется во взаимном притяжении на расстоянии нескольких молекулярных радиусов и взаимном отталкивании при уменьшении расстояния до радиуса молекулы. Каждая молекула — это совокупность атомов, образующих устойчивую систему за счет химического взаимодействия. о о Ядра атомов и ближайшие к ядру электроны образуют своеобразный скелет, остов молекулы. Валентные электроны окружают молекулярный остов «шубой», от размеров которой зависит молекулярный радиус. Вся эта система находится в состоянии непрерывного движения, в результате которого в отдельных местах молекулы появляется избыточный положительный или отрицательный электрический заряд. В целом молекула электрически нейтральна, поэтому появление заряда на одном участке молекулы приводит к появлению противоположного заряда на другом участке. Пара равных по модулю и противоположных по знаку электрических зарядов называется электрическим диполем. Суммарный заряд электрического диполя равен нулю. Однако из-за неравномерного распределения электрического заряда диполи могут взаимодействовать друг с другом. На расстояниях, сравнимых с размерами диполя, они притягиваются друг к другу. Притяжение диполей объясняется тем, что при взаимодействии они ориентируются так, что противоположные по знаку электрические заряды диполей располагаются ближе, чем одноименные заряды. Когда же молекулы сближаются на расстояние молекулярного радиуса, они начинают отталкиваться в результате электрического взаимодействия валентных электронов. Взаимодействие молекул за счет дипольного механизма называется вандерваальсовским взаимодействием по имени голландского физика Ван дер Ваальса, открывшего это взаимодействие. Кроме вандерваальсовского взаимодействия между молекулами возможно установление так называемой водородной связи. Фактически водородная связь также обусловлена дипольным взаимодействием, но энергия водородной связи супдественно выше энергии вандерваальсовского взаимодействия. Это объясняется тем, что молекулы, участвуюш;ие в водородном взаимодействии, обладают дипольными свойствами сами по себе, независимо от 134 Взаимодействие молекул окружающих молекул. Как правило, это обусловлено наличием и составе молекулы атомов водорода, участвующих в ковалентной связи с другими атомами. В той части молекулы, где располагаются атомы водорода, возникает положительный заряд, а на другом конце молекулы — отрицательный. Примером такой молекулы является вода. Молекулы воды образуют диполь, положительный заряд которого сосредоточен около атомов водорода, а отрицательный — около атома кислорода. При сближении молекул воды диполи устанавливаются таким образом, что каждый атом водорода оказывается связанным с атомом кислорода соседней молекулы (см. цветной блок; рис. Ц9). Именно из-за наличия водородной связи расстояние между молекулами воды в твердом состоянии больше, чем в жидком, и лед имеет меньшую плотность, чем вода. Это обстоятельство играет большую роль в сохранении и развитии жизни на Земле. Подведем итоги • В результате электрического взаимодействия между молекулами образуются вандерваальсовские и водородные связи. • Вандервальсовские связи являются следствием взаимодействия электрических диполей, наведенных в молекулах в процессе хаотического движения атомов, входящих в состав молекул. • Водородные связи присущи молекул£1М, имеющим дипольный момент в результате характерного строения молекул. Как правило, это обусловлено наличием в составе молекулы атомов водорода, участвующих в ковалентной связи с другими атомами. Положительный заряд возникает в той части молекулы, где располагаются атомы водорода, а отрицательный — на противоположном конце молекулы. • Взаимодействие молекул может приводить к образованию надмолекулярных структур. Что нужно обязательно запомнить • Виды взаимодействия между молекулами. Что необходимо понять и усвоить • Причины межмолекулярного взаимодействия. 135 Вещество в природе Что нужно научиться делать • Приводить примеры различных видов межмолекулярного взаимодействия. Контрольные вопросы 1. Как молекулы взаимодействуют между собой? 2. Почему молекулы взаимодействуют между собой? 3. Что такое молекулярный радиус? 4. Что представляет собой вандерваальсовское взаимодействие? 5. Что такое водородная связь? 6. Почему плотность льда меньше плотности воды? А Задание Представьте себе, что плотность льда была бы больше плотности воды. Перечислите возможные последствия этого явления. §27 Основные выводы по третьей главе Вещество — один из видов материи. Структурные уровни вещества Фундаментальные частицы Элементарные частицы N. Ч. Нуклиды Атомы Молекулы Природные тела ] ] 136 Основные выводы по третьей главе §27 Фундаментальные частицы — бесструктурные составляющие всех природных объектов. Элементарные частицы-адроны по кварковому составу делятся на барионы и мезоны. Барионы состоят из трех кварков. 137 Вещество в природе Мезоны состоят из двух кварков: кварка и антикварка. Нуклиды состоят из протонов и нейтронов, 4^ ■ Атомы состоят из нуклидов и электронов. ' При взаимодействии атомов между собой могут образовывать- . ся молекулы. f 4 1 Макромолекулы содержат тысячи и десятки тысяч атомов. К числу органических макромолекул относятся биополимеры, играющие большую роль в живых организмах. 138 i Глава 4 Свойства вещества §28 Вещества О чем пойдет речь О веществе и макроскопических телах. О классификации ве-пдеств и единице количества вещества. Обсудим затронутые проблемы Атомы или молекулы, взаимодействуя друг с другом, образуют различные вещества. Из веществ состоят макроскопические тела. Телом называется объект, который состоит из вещества и характеризуется объемом, массой, формой. Тела могут иметь одинаковые массу или форму, но состоять из разных веществ. Например, две одинаковые по форме чашки из стекла и фарфора будут отличаться друг от друга массой, теплопроводностью и другими свойствами. В макроскопических телах число атомов и молекул огромно. Оценим, сколько атомов или молекул содержится в твердом теле, имеющем характерный размер 1 м. На длине в 1 м может уместиться около 10^® микрочастиц размером порядка 10"^^ м. Следовательно, в 1 м^ может находиться около 10^® микрочастиц. Такое число трудно себе представить. Физики подобные числа коротко называют большими числами, а тела, состоящие из такого числа отдельных частиц — макрообъектами, большими системами или макросистемами. Своеобразным эталоном больших чисел в мире макросистем (служит постоянная Авогадро Итальянский ученый Амедео Лвогадро (1776-1856) изучал свойства газов. В 1811 г. он установил закон, согласно которому в равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул. о 139 Свойства вещества О Число структурных единиц в составе макроскопического об'ь-екта называется количеством вещества. Единицей количества вещества является моль. Моль — количество вещества, содержащее столько структурных единиц, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг. Так как атомная масса углерода равна 12, то в одном моле] углерода, как и в одном моле любого вещества, содержится одно и то же число атомов или молекул, равное постоянной Авогадро^ Na = 6,02 • 10^^ моль'^. Действительно, по определению Na = 0,012 кг/(А^ - 1 а. е. м.), где Aq — относительная атомная масса углерода, равная 12у 1 а. е. м. — атомная единица массы, равная 1,66 • кг. Под- ставляя в данную формулу значение Aq и величину 1 а. е. м., по" лучим значение постоянной Авогадро Na = 6,02 • 10^^ моль~^. о Так как в любом моле вещества содержится число структурных единиц (атомов или молекул), равное постоянной Авогадро, то масса" моля, или молярная масса, любого вещества численно равна относительной атомной или молекулярной массе, выраженной в граммах. Молярная масса вещества М равна отношению массы вещесА тва т к количеству вещества v: М = m/v. Следовательно, число] молей вещества массой т равно отношению массы вещества к его] молярной массе: v = т!М, И Образование вещества из огромного числа частиц обусловлено взаимодействием между отдельными атомами или молекулами вещества. Хотя взаимодействие между отдельными частицами имеет, разное происхождение, характер зависимости от расположения меж-i ду ними одинаковый. На малых расстояниях частицы отталкиваются друг от друга, а на расстояниях, превышающих размер частиц и несколько раз, — притягиваются. На некотором расстоянии отталкивание и притяжение компенсируют друг друга. При этом энергия взаимодействия частиц вещества имеет минимальное значение. Моделью взаимодействующих друг с другом молекул могут служить мыльные пузырьки, созданные на поверхности мыльного раствора. Для получения пузырьков воздух продувают через тон-кую металлическую иглу от медицинского шприца (рис. 31). 140 г Вгщ « м : и I.» Каждый из таких пузырьков притягивается к соседнему за счет прогиба поверхностной пленки жидкости. При соприкосновении пузырьки начинают отталкиваться друг от друга за счет упругости воздуха, которым они наполнены. На рис. 32 показана картина расположения множества пузырьков на поверхности мыльного раствора. Видно, что они образуют регулярную структуру, характер которой зависит от взаимодействия отдельных пузырьков. Примерно такая же картина, только в трехмерном пространстве, возникает при взаимодействии молекул вещества, входящих в состав твердого тела. Молекулы пристраиваются друг к другу в определенном порядке, который зависит от характера сил взаимодействия между ними (см. цветной блок: рис. Ц10). Окончательное их местоположение соответствует минимальной энергии взаимодействия между ними. Число различных природных веществ превышает совокупное число видов атомов и молекул. Для классификации веществ применяются различные признаки. В зависимости от физических условий вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком или газообразном. В зависимости от электрических свойств вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Свойства вещества !)eoec)ec>eeoooeo€)eeeec)t)€)e< ееееФФФеФеФеоеоееееееее ЬФШ>Ш>Ш>ФФШ>Ш>Ш>9>ФШ>Ш>ФФФФФ€ФФФ^ leoeoeeeee^eeeeeoeceeoee Deoeeeeoeoeeceoeeeoecieei оФФФеееееееео.ФФСФФоеФее ^)€)ФФес>Феееоееес)ееФоееее< ooeeeeeeoeeeoeeoeeeeeec ^eeeeeoeeeeeeoeeeeeeeoei ееФФФееФее€>ФФ«)ФФОФсегес> ^Ф€)ФС)ффФооее€)ФеФФеоееее4 еФееоеоеееееФФФФееФееее ^eeececeeeeoeeoceoc>cc>ee4i ceceeeeeeoeeeoeoeeeeeeel ^ФФеФееФФФФееФеееосоеееи е€)е€>еее€)С)ФееееФеоФС)еФФе| !)еееееееоФеееееее€)еоооФ1| eeeeeeeeeeeeeeeeeeooeees е>еееФ€)ФФФОФеееоо€)Феесео<| eoeeoeeoeeeoocoeeeeeoeel !)€>еФееееееФеее€)еееоФФФФ<1 ееееееесФСФФееесеееееео! ^ес>ес>еееес>€>ОФоеееФФеоое<^ •eeejt^eeeeeeeeeeeoooeeecg ■ tfimiillilllllllllll Рис. 32. Расположение пузырьков на поверхности мыльного раствора о о о в зависимости от* химического состава различают просты*» и сложные, органические и неорганические вещества. Если ве-щество образовано одинаковыми атомами, то оно называется простым. Вещество, образованное молекулами из различных атомов, называется сложным. Вещества, образованные из молекул, содержащих углерод и водород или группы атомов, заменяющие водород, как правило, принимают участие в жизненных процессах и называются органическими веществами. Остальные вещества относятся к неорганическим веществам. И тех и других веществ достаточно много, но органических веществ намного больше. По совокупности характерных свойств вещество делят на физические тела, материалы, биологические объекты и химически*» вещества. В последнем случае выделяют свойство вещества учас твовать в химическом взаимодействии. В зависимости от происхождения вещества бывают природными и искусственными. В последнее время число искусственных веществ, созданных человеком, неуклонно растет. Это приводит к экологическим проблемам, так как в окружающую среду попадают химические вещества, нарушающие протекани*» естественных процессов в природе и отрицательно влияющие на развитие жизни. 142 Вещостип §20 Подведем итоги • Атомы или молекулы, взаимодействуя друг с другом, образуют различные вещества. По совокупности характеры ы х свойств вещество делят на физические тела, материалы, биологические объекты и химическое вещество. • Из веществ состоят макроскопические тела. • Физическая величина, характеризующая количество однотипных структурных единиц в составе макроскопического объекта, называется количеством вещества. Единицей количества вещества является моль. Моль — количество вещества, содержащее такое число структурных единиц, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг. • В последнее время число искусственных веществ, созданных человеком, неуклонно растет. Это приводит к экологическим проблемам. Что нужно обязательно запомнить • Определение моля. • Значение постоянной Авогадро. Что необходимо понять и усвоить • В результате чего образуются вещества. • Для классификации вещества применяются различные признаки, • Способы классификации вещества. Что нужно научиться делать • Вычислять число молей вещества с определенной массой, Контрольные вопросы 1. Что представляют собой различные вещества? 2. Что называется постоянной Авогадро? 3. Что называется молем вещества? 4. Что называется макросистемой? 143 Свойства вещества 5. Что называется количеством вещества? 6. Что служит единицей количества вещества? 7. По каким признакам классифицируются вещества? А Задание Найдите массу 10-копеечной монеты. Определите массу одного моля таких монет. §29 Связь между стру1сгурой атомов и молекул и свойствами вещества о чем пойдет речь О О связи между структурой молекул и свойствами вещества. О зависимости свойств простых и сложных веществ от структуры атомов и молекул. Обсудим затронутые проблемы Разнообразие веществ определяется разнообразием атомов и молекул и характером взаимодействия между ними. Изучение свойств различных веществ позволило установить связь между свойствами этих веществ и строением атомов или молекул, из которых они состоят. Свойства простых веществ определяются, в основном, положением атомов в таблице Менделеева. Например, вещества, атомы которых имеют на внешних орбиталях один или два электрона, относятся к металлам. Они характеризуются типичными физическими и химическими свойствами: обладают характерным блеском, высокой электропроводностью, большинство из них при комнатной температуре находится в твердом состоянии. Для металлов типичны высокая плотность, большая прочность, высокая химическая активность при взаимодействии с кислородом. Вещества относятся к неметаллам, если электроны их атомов почти полностью заполняют последнюю орбиталь до предела, определяемого принципом Паули. 144 Связь между атомами и свойствами вещества §29 И I Типичный пример таких веществ — галогены. Все они явл>1-ются диэлектриками. При комнатной температуре это газы или жидкости. Химически активны. Атомы углерода, занимая место в четвертой группе элементов второго периода, могут образовывать вещества с разнообразными свойствами из-за особенностей своего электронного строения. Например, атом углерода может иметь разную валентность, образуя с соседними атомами одинарные, двойные, тройные связи. Вещества из углерода существуют в различных аллотропных формах: в виде алмаза, графита, фул-лерена, графена (рис. 33). Все они состоят из атомов углерода, по имеют разную пространственную структуру. Алмаз Бакминстерфуллерен Графен Г рафит Рис. 33. Структура молекул алмаза, графита, фуллерена и графена Для сложных веществ установить связь между строением молекул и свойствами вещества намного труднее, чем для простых веществ. Но и для них удается выделить основные классы химических соединений с характерными свойствами, которые позволяют предсказывать свойства молекул с аналогичным строением. Эта возможность связана с тем, что взаимодействия веществ в процессе химических превращений определяются, в основном, структурой молекул, а точнее, определенными частями молекул, называемыми функциональными группами. Другие части молекул при этом не принимают участие в реакциях. Эти группы называются радикалами. о 145 Свойства вещества Подведем итоги • Свойства вещества зависят от свойств атомов и молекул, входящих в состав вещества, и особенностей их взаимодействия. Свойства простых веществ определяются, в основном, положением атомов в таблице Менделеева. • Вещества, атомы которых имеют на внешних орбиталях один или два электрона, относятся к металлам. Вещества, атомы которых имеют почти до предела заполненные внешние орбитали, относятся к неметаллам. Предел заполнения определяется принципом Паули. • Свойства сложных веществ во многом зависят от наличия функциональных групп у молекул сложного вещества. Что нужно обязательно запомнить • Метод классификации веществ по расположению их атомов в таблице Менделеева. Что необходимо понять и усвоить • Зависимость свойств вещества от электронного строения атомов. Что нужно научиться делать • Определять свойства простого вещества по расположению химических элементов вещества в таблице Менделеева. е Контрольные вопросы 1. По каким признакам классифицируются вещества? 2. Какая связь существует между строением атомов и молекул, структурой и свойствами вещества? Ж Задание Приведите примеры химических элементов, атомы которых образуют металлы или неметаллы. 146 Неорганические и органические вещества §30 §30 Неорганические и органические вещества 0 чем пойдет речь О классификации сложных неорганических и органических веществ. Обсудим затронутые проблемы Деление веществ на органические и неорганические имеет историческое происхождение и связано с источниками получения веществ. Неорганические вещества получали из неживых объс'к-тов минерального происхождения. Органические вещества — и и живых организмов, продуктов их жизнедеятельности или их останков. Со временем выяснилось, что состав неорганических и органических веществ на атомном уровне не имеет различий. Всл' химические элементы, входящие в состав органических веществ, были обнаружены в составе неорганических. В то же время были установлены различия в строении и химической активности этих классов веществ, что послужило основанием для сохранения подобной классификации. В зависимости от своих характерных свойств неорганические и органические вещества делятся, в свою очередь, на соответствующие классы. Основные классы сложных неорганических соединений. К ним относятся оксиды, основания (гидроксиды), кислоты и соли. Оксиды — это сложные вещества, молекулы которых состо^гт из кислорода и другого химического элемента. Примером оксидов служат вещества: К2О, СаО, Р2О5, FegOg. Основания (гидроксиды) — это сложные вещества, молекулы которых содержат атомы металлов и гидроксильную группу (гид-роксогруппу) ОН". Часть молекулы основания без гидроксильной 1'руппы часто называют основным остатком. Гидроксиды, раство-|)имые в воде, называются щелочами. КОН, NaOH — это пример1>1 1 целочей. Кислоты — это сложные вещества, молекулы которых содержат водород и кислотный остаток. В растворах молекулы кислот распадаются (диссоциируют) на ионы водорода Н"*" и ионы кислотного остатка. В реакциях с основаниями водород замещаето* основным остатком с образованием соли. Примеры кислот: серная II2SO4, хлороводородная (соляная) кислота НС1, азотная HNO3, сс-роводородная кислота H2S. о о 147 вещества о Соли — это сложные вещества, молекулы которых состоят из кислотного остатка и основного остатка. Примеры солей: хлорид натрия NaCl, карбонат кальция СаСОд, карбид кальция СаС^, сульфат железа FeS04- Основные классы органических веществ. Основой классификации органических веществ является теория химического строения органических веществ, основоположником которой был русский химик А. М. Бутлеров (1828-1886). В современном изложении теория А. М. Бутлерова устанавливает зависимость сложного химического вещества от его качественного и количественного состава и от химического строения. Под химическим строением и теории Бутлерова понимается последовательность расположения атомов в молекуле. А. М. Бутлеров впервые предсказал и объяснил явление изомерии — существование нескольких веществ с одинаковым составом, но обладающих различными свойствами. Теория Бутлерова установила связь между строением молекул и свойствами вещества, что позволило осуществить экспериментальное изучение структуры органических соединений и их синтез, разработать научный подход для классификации органических веществ. Так как атомы углерода во всех молекулах органических веществ обладают одинаковой валентностью, равной четырем, то химическую структуру органических молекул удобно изображать в виде структурной формулы, основой которой служат атомы углерода. Валентную связь атома углерода с соседними атомами обозначают короткой чертой. При таком подходе атомы углерода образуют своеобразный углеродный скелет молекулы. В зависимости от расположения атомов углерода органические вещества делятся на три больптие группы. В одну группу входят вещества, в составе молекул которых имеется незамкнутая или разветвленная цепь углеродных атомов. Такие органические структуры называются ациклическими соединениями. Если в таком соединении атомы углерода связаны одной валентной связью, а другие связи заняты водородом, то ациклические соединения называются предельными. Если связи между атомами углерода двойные или тройные, то это непредельные ациклические соединения. Ко второй группе органических веществ относятся изоцикли-ческие соединения с замкнутой углеродной цепью. В зависимости от характера связей между атомами углерода они делятся на насыщенные и ненасыщенные. Наконец, к третьей группе относятся гетероциклические соединения, в замкнутую скелетную цепь которой кроме углерода входят и другие атомы (N,0, S и др.). В каждой группе молекул отдельные атомы водорода могут замещаться на неутлеродные атомы или группы атомов, называемых 148 Неорганические и органические вещества §30 функциональными группами. Если в составе функционалыпих групп содержатся атомы кислорода, то говорят о кислородсодержащих органических соединениях. К их числу относятся спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, сложные эфиры, жиры, углеводы. Если в составе функциональной группы присутствует азот, то говорят об азотсодержащих органических соединениях. К их числу относятся амины, аминокислоты, белки. Если в состав органических молекул входят только атомы углерода и водорода, то соответствующие вещества называются углеводородами. К основным группам углеводородов относятся алканы (парафины), алкены (олефины), алкины, арены (бензоид-ные ароматические углеводороды). Алканы представляют собой соединения углерода и водорода. Общая формула алканов ® молекулах алканов атомы углерода четырехвалентны и образуют между собой одинарные ковалентные связи. Остальные связи углерода заняты атомами водорода. В разветвленных молекулах алканов отдельные атомы водорода заменены замещающими группами, состоящими из молекулы алкана минус атом водорода. Такую группу называют алкилом, например СНд — метил, С2Н5 — этил. Алкены — это углеводороды, в которых атомы углерода соединены между собой двойными связями. Примером может служит*» вещество СНд - СН = СЩ, которое называется пропен. Алкины — это углеводороды, в которых между атомами углерода существует тройная связь. Примером алкина служит ацетилен CgHg. Структурная формула ацетилена Н - С = С - Н. Арены — это углеводороды, молекулы которых содержат циклические структуры из атомов углерода. Простейшим представителем циклических углеводородов является бензол CgHg. Атомы углерода в молекуле бензола образуют правильный плоский шестиугольник. Каждый атом углерода связан с атомом водорода. Между атомами углерода существуют чередующиеся одинарные и двойные ковалентные связи, образованные единым электронным облаком для всех углеродных атомов цикла. Подведем итоги • Все вещества в природе условно делятся на неорганические и органические. 149 Свойства вещества • В зависимости от своих характерных свойств неорганические и органические вещества делятся, в свою очередь, на соответствующие классы. • К основным классам сложных неорганических соединений относятся оксиды, основания (гидроксиды), кислоты и соли, • К основным классам органических веществ относятся ациклические, изоциклические, гетероциклические соединения. • К основным группам углеводородов относятся алканы (парафины), алкены (олефины), алкины, арены (бензоидные ароматические углеводороды). Что нужно обязательно запомнить • Классификацию неорганических и органических веществ. Что необходимо понять и усвоить • Элементный состав неорганических и органических веществ не выходит за рамки таблицы Менделеева, Что нужно научиться делать • Приводить примеры неорганических и органических веществ различных классов. » Контрольные вопросы 1. в чем разница между неорганическими и органическими веществами? 2. Какие существуют основные классы неорганических веществ? 3. Какие существуют основные классы органических веществ? Задание Приведите примеры неорганических и органических веществ. §31 Химические реакции О чем пойдет речь О понятии химической реакции. О классификации химических реакций. О зависимости скорости химических реакций от температуры. 150 Химические реакции §31 Обсудим затронутые проблемы Если различные вещества привести в соприкосновение, то между ними может происходить взаимодействие, в результате которого получатся новые вещества. Такое взаимодействие называется химической реакцией. Исходные вещества, участвующие в химической реакции, — это реагенты. Вещества, получившиеся в результате реакции, — продукты реакции. При химической реакции из атомов или молекул реагентов образуются новые молекулы. В любой химической реакции для реагентов и продуктов реакции выполняются законы сохранения энергии, массы, импульса и элек- Ай трического заряда. В зависимости от характера изменения реагентов различают химические реакции разложения, соединения, замещения, обмена, окислительно-восстановительные реакции. Реакцией разложения называется реакция, при которой из одного вещества образуется несколько новых веществ. Реакцией соединения называется реакция, при которой из нескольких веществ образуется одно вещество. Реакцией замещения называется реакция, в которой одна часть молекулы замещается другой частицей аналогичного строения. Реакцией обмена называется реакция, в которой молекулы обмениваются своими структурными фрагментами. Окислительно-восстановительные — это реакции, при которых у атомов реагентов и продуктов реакции изменяется число электронов. При этом процесс потери электронов называется окислением, а процесс присоединения электронов — восстановлением. Кинетические энергии атомов или молекул реагентов К-^ не раины кинетическим энергиям продуктов реакции ^2* Разница между К2 и называется энергией или теплотой химической реакции Q: Q-K2- Если Q > О, то происходит экзотермическая реакция, если Q < О, — эндотермическая. Химическая реакция характеризуется скоростью протекания. Скоростью протекания химической реакции называется количес- о о 151 Свойства вещества О тво вещества реагента, вступающего в реакцию в единицу времени в единице объема реакционного пространства, либо количество продуктов реакции, получаемых в единицу времени в единице объема реакционного пространства. Скорость протекания реакции зависит от концентрации реагентов, температуры реакции, площади поверхности соприкасающихся реагентов, ориентации их молекул, наличия катализатора или ингибитора. Катализатором называется вещество, которое увеличивает скорость реакции, не входя в состав конечных продуктов реакции и не изменяя своего количества во время реакции. Вещества, замедляющие скорость реакции, называются ингибиторами. Некоторые реакции протекают очень быстро, практически мгновенно, например взрывы. Резкое увеличение объема и давления газов, образовавшихся в результате взрыва, может или привести к большим разрушениям, или совершить полезную работу в мирных целях, например при создании защитных дамб, подземных газохранилищ и других сооружений. Другие реакции протекают очень медленно, например соединение водорода и кислорода при комнатной температуре. Если же температуру такой смеси (гремучего газа) увеличить, то реакция приобретет взрывной характер. Повышение температуры увеличивает скорость химической реакции. Впервые количественную связь между температурой и скоростью реакции установил шведский ученый С. Аррениус в 1889 г. Зависимость скорости химических реакций от температуры играет большую роль в протекании биохимических процессов. Снижение температуры биологических объектов применяют для замедления скорости обмена веществ. Хранение пищевых продуктов в холодильнике увеличивает срок их годности из-за уменьшения скорости химических реакций. Существует несколько экспериментальных методов определения скорости химических реакций. Например, можно измерять объем газов, выделяющихся в процессе реакции. На рис. 34 приведена схема лабораторной установки для измерения объема газа СО2, выделяющегося в реакции между мраморной крошкой и разбавленной соляной кислотой. Скорость реакции находят, измеряя объем образовавшегося диоксида углерода в зависимости от времени. Этот метод относится к физическим методам определения скорости реакции. Для нахождения количества продуктов реакции и скорости реакции можно использовать и химические методы. 152 Химические реакции §31 Рис. 34. Установка для определения скорости реакции Подведем итоги и • Химической реакцией называется такое взаимодействие между веществами, в результате которого получаются новые вещества. • Исходные вещества, участвующие в химической реакции, называются реагентами. Вещества, получившиеся в результате реакции, — продуктами реакции. • В зависимости от характера изменения реагентов различают химические реакции разложения, соединения, замещения, обмена, окислительно-восстановительные реакции. • Если теплота химической реакции Q > О, то реакция называется экзотермической; если Q < О, — эндотермической. • Скорость протекания реакции зависит от концентрации реагентов, температуры реакции, площади поверхности соприкасающихся реагентов, ориентации их молекул, наличия катализатора или ингибитора. Что нужно обязательно запомнить • Виды химических реакций. 153 Свойства вещества Что необходимо понять и усвоить • От чего зависит скорость химических реакций, Что нужно научиться делать Приводить примеры химических реакций, е Контрольные вопросы 1. Что называется химической реакцией? 2. Что такое реагенты? 3. Что такое продукты реакции? 4. Что называется скоростью протекания химической реакции? 5. От чего зависит скорость протекания химической реакции? 6. Что называется катализатором? 7. Что называется ингибитором? Ж Задания 1. Приведите примеры экзотермических и эндотермических реакций. 2. Приведите примеры использования в быту зависимости скорости химических реакций от условий их протекания. §32 Вещество и биологические объекты О чем пойдет речь О вещественном составе и единстве элементного состава биологических объектов на Земле. Обсудим затронутые проблемы Земля — единственная планета Солнечной системы, на которой существует уникальное явление — жизнь. Исследование жизни как природного процесса — задача науки биологии. Естествознание изучает жизнь с точки зрения общих природных закономерностей, к числу которых относятся: материаль- 154 Вещество и биологические объекты §32 иость окружающего мира, единство элементного состава природных объектов, сохранение и превращение энергии и др. Изучение живых объектов показало, что все они состоят из вещества. В состав вещества биологических объектов входят w же химические элементы, что и в состав неживых объектов. С точки зрения современного естествознания так и должно быть, так как живые организмы существуют в природной среде, объекты которой состоят из химических элементов, входящих в таблицу Менделеева. Вместе с тем соотношение между химическими элементами в живых объектах не соответствует распределению химических элементов в литосфере Земли и ее атмосфере. Элементы в живых организмах по их количественному содержанию условно делят на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы- К макроэлементам относят элементы, массовая доля которых больше 0,001%. К микроэлементам относятся элементы, доля которых в организмах меняется от 0,001 до 0,000 001%. Доля ультрамикроэлементов меньше 0,000 001%. Установлено, что к макроэлементам относятся такие химические элементы как водород Н, кислород О, углерод С, азот N, фосфор Р, сера S, кальций Са, натрий Na, магний Mg, хлор С1, железо Fe. К микроэлементам относятся в основном металлы: цинк Zn, медь Си, молибден Мо, кобальт Со, марганец Мп и др. К ультрамикроэлементам относятся: золото Аи, ртуть Hg, селен Sc, серебро Ag и др. Эти элементы входят в состав веществ, играющих определяющую роль в жизнедеятельности организмов. Наиболее распространенным веществом в составе биологических объектов являето! вода. Она составляет около 75% всей массы живых организмов па Земле. Содержание воды колеблется от 40-50% у древесных растений до 99% у медуз. Высокое содержание воды в живых организмах объясняется тем, что она служит средой, в которой осуществляются основные биохимические процессы, обеспечивающи(» поддержание жизнедеятельности. Несмотря на преимущественное содержание воды в живых организмах, главную роль в них играют другие вещества и прежде всего белки. В среднем в сухом веществе организмов содержится 40-50% белков. Белки выполняют различные функции: служат строительным материалом для клеток, обеспечивают защиту организма от чужеродных микроорганизмов, регулируют о 155 Свойства вещества О скорость химических реакций, обеспечивают взаимодействи** между клетками, переносят кислород, энергию и т. д. Белки, ускоряющие скорость протекания химических реакций в организме, называются ферментами. Являясь катализаторами, ферменты увеличивают скорость отдельных процессов и организме в десятки и сотни тысяч раз. Химическая активность ферментов определяется сложным строением белковой молекулы. Остальные 50% сухого вещества организмов приходятся на нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и минеральные вещества. Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение, передачу и воспроизводство генетической информации. Углеводы и липиды играют важную роль в энергетических процессах и в образовании мембранного аппарата клеток. Кроме перечисленных веществ в состгш организмов в небольших количествах входят биологрхчески активные вещества, влияющие на скорость протекания биохимических процессов. Это витамины, гормоны, фитонциды, биостимуляторы и т. д. Обмениваясь с окружающей средой веществом, энергией и информацией, живые объекты сами поддерживают необходимый уровень внутренней организации, размножаются, приспосабливаются к изменению внешних условий и изменяют внешнюю среду в соответствии со своими потребностями. Подведем итоги Химический анализ различных веществ, содержащихся в биологических объектах, показал, что их атомный состав не отличается от состава объектов неживой природы. У биологических объектов не обнаружено таких атомов, которых но было бы в окружающей среде. Наиболее распространенным веществом в составе биологических объектов является вода. Она составляет около 75% от всей массы живых организмов на Земле. В наибольшем количестве в составе организмов обнаружены следующие химические элементы: водород Н, кислород О, углерод С, азот N, фосфор Р, сера S, кальций Са, натрий Na, магний Mg, хлор С1, железо Fe. Разница между живыми и неживыми объектами заключается в чрезвычайно высокой согласованности всех процессов, протекающих в живых организмах. 156 Вещество и физические тела §33 Что нужно обязательно запомнить • Перечень макроэлементов биологических объектов. Что необходимо понять и усвоить • Атомный состав биологических объектов не отличается от состава объектов неживой природы. Что нужно научиться делать • Называть состав сухого вещества биологических объектов. Контрольные вопросы 1. Какие элементы относятся к макроэлементам в живых организмах? 2. Какие элементы относятся к микроэлементам в живых организмах? 3. Какое вещество составляет наибольшую долю в живых организмах? 4. Какова роль белков в живых организмах? 5. Какова роль нуклеиновых кислот в живых организмах? 6. Что является признаком материальности окружающего мира? Задание Подготовьте доклад о ферментах, используя интернет-ресурсы. о А §33 Вещество и физические тела О чем пойдет речь Об отдельных физических свойствах вещества. Обсудим затронутые проблемы Из вещества состоят окружающие нас тела. Среди многообразия вещественных тел выделяют физические тела, имеющие определенные физические признаки. Под физическими признаками понимают такие свойства тел, которые включаются в круг понятий, изучаемых физикой как наукой. 157 Свойства вещества Примером таких свойств вещественных тел являются масса, электрический заряд, объем, температура, электрическое сопротивление и другие характеристики. Физические свойства тел изучают в определенных условиях, которые не изменяют существенных признаков вещественных объектов. Например, в процессе механического движения объекты изменяют только взаимное расположение друг относительно друга, оставаясь тождественными самим себе. Тепловые свойства вещества изучают в условиях теплового равновесия. о Один и тот же объект может обладать разнообразными физическими свойствами. Проявление этих свойств зависит от состояния объекта, условий взаимодействия изучаемого объекта с другими телами и наблюдателем. о о Свойства объекта удобно изучать, когда состояние объекта но изменяется со временем. Состояние объекта, не изменяющееся со временем, называется стационарным состоянием. Стационарное^ состояние может наблюдаться при отсутствии взаимодействия или в условиях равновесия объекта с окружающими телами, окружающей средой. В зависимости от условий взаимодействия физических тел с окружением различают механическое равновесие и тепловое равновесие. При механическом равновесии силы, действующие на тело, равны друг другу и направлены в противоположные стороны. Например, неподвижный груз, подвешенный на нити около поверхности Земли, находится в равновесии, так как силы, действующие на груз со стороны Земли и нити, уравновешивают друг друга. Тепловым равновесием называется такое равновесное состояние тела, при котором его параметры не изменяются со временем и одинаковы во всех точках пространства, занимаемого телом. Вода в стакане находится в тепловом равновесии с комнатным воздухом, так как энергия, передаваемая воде от воздуха, и энергия, передаваемая от воды воздуху, равны друг другу. В зависимости от температуры свойства тел, имеющих постоянный химический состав, могут существенно отличаться друг от друга. Для описания состояния объекта используют величины, характеризующие существенные свойства объекта в определенных условиях. 158 Вещество и физические тела §за Величины, характеризующие зависимость состояния тол or времени при механическом движении, называются кинематическими величинами. Примеры кинематических величин: радиус-вектор, перемещение, скорость, ускорение. Величины, характеризующие изменение механического состояния объектов в условиях взаимодействия с другими объектами, называются динамическими величинами или динамическими переменными. К их числу относятся импульс и радиус-вектор. Величины, характеризующие свойства тел при тепловом рам новесии, называются термодинамическими величинами. Температура, объем, давление, масса, внутренняя энергия — примо1)1л термодинамических величин. По определению, внутренней энергией тела называется сумма кинетической энергии частиц, образующих тело, и потенциальной энергии их взаимодействия. В зависимости от конкретной задачи при изучении свойсти физических тел нужно учитывать внутреннюю структуру вещества, из которого состоит это тело, или считать его сплошным. Оба подхода широко применяются при изучении физических свойств вещественных объектов. Подведем итоги о о • Отдельные тела характеризуются физическими свойствами, составляющими предмет физики как науки. Один и тот ж(* объект может обладать разнообразными физическими свойствами. Проявление этих свойств зависит от состояния объекта, условий взаимодействия изучаемого объекта с другими телами и наблюдателем. • Для описания состояния объекта используют величины, характеризующие существенные свойства объекта в определ<п1-ных условиях. Что нужно обязательно запомнить • Определение стационарного состояния. Что необходимо понять и усвоить • Признаки физических тел. 15 Свойства вещества Что нужно научиться делать • Приводить примеры кинематических, динамических, термодинамических величин. Контрольные вопросы 1. Какие объекты называются физическими телами? 2. Какие признаки характеризуют физические тела? 3. Какое состояние объекта называется стационарным? 4. Какое состояние тела называется равновесным? 5. Какие величины применяются для описания свойств физических тел? 6. Что называется внутренней энергией тела? ^ Задание Приведите примеры механического и теплового равновесия. §34 Тепловые свойства вещества о чем пойдет речь О О тепловых свойствах вещества. О понятиях температуры, внутренней энергии и законах термодинамики. Обсудим затронутые проблемы Тепловые свойства вещества определяются зависимостью состояния физических тел от температуры. Температурой называется физическая величина, одинаковая для тел, находящихся в тепловом равновесии. Для описания тепловых свойств макросистем были разработаны два метода: статистический и термодинамический. При статистическом методе описания используется вполне определенная модель внутреннего строения вещества, в частности атомно-молекулярная модель строения макросистем. 160 Тепловые свойства вещества Применяя методы статистической физики, можно выразить физические величины, характеризующие поведение макросистем, через характеристики микрочастиц, входящих в состав макросистем. Например, при тепловом равновесии внутренняя энергия тела равна сумме средних энергий отдельных микрочастиц, а температура тела определяется средней кинетической энергией, приходящейся на одну микрочастицу. Термодинамический метод не использует каких-либо моделей для описания внутреннего строения вещества. В рамках термодинамики физическое состояние тела характеризуется рядом величин, совокупность которых однозначно описывает состояние макросистемы. Набор таких величин, называемых термодинамическими, зависит от сложности изучаемого тела и вида его взаимодействия с другими телами. Например, газ, находящийся в комнате, вполне можно описать четырьмя величинами: температурой Т, давлением Р, объемом V и массой т. Экспериментальные исследования показали, что при тепловом равновесии эти величины связаны между собой соотношением, получившим название уравнения Клапейрона—Менделеева: PV = — RT, где ц — молярная масса газа; R = 8,31 Дж/(моль * К) — универсальная газовая постоянная. Газ, подчиняющийся уравнению Клапейрона—Менделеева, называется идеальным газом. Воздух в помещении при комнатной температуре и атмосферном давлении подчиняется уравнению Клапейрона—Менделеева и может считаться идеальным газом. С точки зрения статистической теории, идеальным называется газ, в котором молекулы находятся так далеко друг от друга, что потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Состояние идеального газа некоторой массы определяется тремя величинами: температурой, давлением и объемом. Если одну из величин, например температуру Г, поддерживать постоянной, то две другие — давление Р и объем V — будут связаны между собой определенной зависимостью. Для выражения этой зависимости удобно использовать графический метод. Вводится система координат, по осям откладываются значения объема V и давления Р и строится график P(V). о о 161 Свойства вещества Рис. 35. График изотермического процесса о Из уравнения Клапейрона—Менделеева видно, что при постоянной температуре для заданной массы газа график P(V) выражается гиперболой (рис. 35). Изменение состояния газа массой т при постоянной температуре называется изотермическим процессом (см. рис. 35). Если сохраняется постоянным давление, то процесс называется изобарическим, если не меняется объем, то процесс называется изохо-рическим. Графики этих процессов приведены на рис. 36, а я б. В каждом рассмотренном случае изменение состояния газа должно проводиться так медленно, чтобы любое промежуточное состояние можно было считать равновесным. В основу термодинамики, как научного метода описания поведения макросистем, положены три принципа (три начала) термодинамики, полученные обобщением громадного числа опытных фактов. Рис. 36. График изобарического (а) и изохорического (б) процессов 162 Тепловые свойства вещества §34 К важнейшим термодинамическим явлениям относятся; термодинамическое, или тепловое, равновесие, изменение внутренней энергии макросистем за счет совершения работы и передачи количества теплоты в процессе теплопередачи, необратимость тепловых процессов. о Вышеперечисленные явления хорошо известны. Действительно, каждый знает, что стакан с нагретой водой, оставленный па столе в комнате, со временем остывает. Через некоторое время состояние воды в стакане не изменяется, и говорят, что температура воды, стакана и воздуха в комнате равны друг другу. Таким образом, равенство температуры разных тел устанавливается при наступлении теплового, или термодинамического, равновесия между ними. Если равновесие еш;е не достигнуто, то тело, которое теряет свою энергию в процессе установления равновесного состояния, по определению, имеет большую температуру, а тело, которое приобретает энергию, — меньшую температуру. Обмен энергией между телами осугцествляется в процессе их взаимодействия. Это взаимодействие может приводить к перемещению частей одного тела под действием другого. В этом случаев энергия тела изменяется за счет совершения механической работы (рис. 37, а). Другой способ передачи энергии от одного тела к другому не связан с совершением работы, а может происходить за счет молекулярных процессов взаимодействия. Энергия, которая передастся без совершения работы, называется количеством теплоты (рис. 37, б). Если обозначить изменение внутренней энергии тела через ЛЕ, совершенную системой работу через ДА, а количество теплоты, переданное системе, через AQ, то, применяя закон сохранения энергии для описания взаимодействия макросистем, получим AQ = АЕ + ДА. Количество теплоты, подведенное к системе, равно изменению внутренней энергии системы и работе, совершаемой системой при взаимодействии с другими телами. Это утверждение называется первым началом термодинамики. Явление необратимости наблюдается практически во всех реальных природных процессах. Любой процесс нельзя провести в обратном направлении так, чтобы при этом в состоянии исследуемого тела и окружающих тел ничего не изменилось. Это утвер- о о 163 Свойства вещества а) б) Рис. 37. Способы изменения внутренней энергии тела ждеыие составляет содержание второго начала термодинамики, открытого в 1850 г. немецким физиком Р. Клаузиусом (1822-1888). Примером необратимого процесса является передача количества теплоты от более нагретого тела к менее нагретому в процессе теплопередачи. Преобразование работы во внутреннюю энергию тела также представляет собой необратимый процесс. Количественное описание необратимых тепловых процессов провели Р. Клаузиус и австрийский физик Л. Больцман (1844-1906). Третье начало термодинамики в нашем учебнике не рассматривается. Подведем итоги Тепловые свойства вещества определяются зависимостью состояния физических тел от температуры. Для описания тепловых свойств вещества используются два метода: статистический и термодинамический. При статистическом методе описания применяется атомномолекулярная модель внутреннего строения вещества. При термодинамическом методе физическое состояние тела характеризуется рядом величин, совокупность которых однозначно описывает состояние макросистемы. В основу термодинамики положены три принципа (три начала), являющихся обобщением громадного числа опытных фактов. |Г1 164 Тепловые свойства вещества §34 Что нужно обязательно запомнить • Важнейшие термодинамические явления, • Уравнение Клапейрона-Менделеева. Что необходимо понять и усвоить • Способы изменения внутренней энергии тел. • Основные понятия термодинамики. • Первое и второе начала термодинамики. Что нужно научиться делать Приводить примеры изменения внутренней энергии тел. Контрольные вопросы 1. В чем особенности статистического и термодинамического методоп описания макросистем? 2. Что называется идеальным газом? 3. Что такое изотермический, изобарический и изохорический процессы? 4. Что такое количество теплоты? 5. Как формулируется первое начало термодинамики? 6. Что такое необратимый процесс? 7. Как формулируется второе начало термодинамики? о Задание А Подготовьте презентацию и сделайте сообщение о невозможности создания вечных двигателей первого и второго рода, используя интернет-ресурсы. WWW 165 Свойства вещества §35 Агрегатные состояния вещества О чем пойдет речь О зависимости агрегатного состояния вещества от темпера туры. О физических особенностях твердых, жидких и газообраз ных тел. Обсудим затронутые проблемы В результате теплового движения молекулы непрерывно изменяют свое положение в пространстве. При низких температурах средняя кинетическая энергия молекулы меньше потенциальной энергии ее взаимодействия с другими молекулами. В этих условиях молекуле не удается существенно изменять свое положение в пространстве, поэтому твердые тела имеют вполне определенную форму. Особенно большое впечатление на нас производят кристаллические тела, форма которых бывает столь совершенной, что напрашивается мысль о вмешательстве каких-то разумных сил при их создании. На рис. 38 приведены изображения ряда кристаллов природного происхождения. Трудно поверить, что эти геометрические формы образовались в результате взаимодействия отдельных молекул, вызванного, в конечном счете, электромагнитным взаимодействием. Но это так. Непрерывное беспорядочное движение молекул приводит их в такое состояние, при котором потенциальная энергия взаимодействия между молекулами системы принимает минимальное значение, а полная внутренняя энергия системы равномерно распределяется между всеми молекулами — участниками взаимодействия. При этом расположение атомов или молекул регулярно повторяется в пространстве внутри кристалла. Регулярное расположение частиц вещества в кристаллах называется дальним порядком. i 166 §зь f 'f-' JjS ■>*.' Ш’ ... ш: :>!Г tv?: #1]g‘ ^ , ''■ <. £ % ' ‘w^” ^*JI m -ч\ vf« . ;*^v •* f* i)@ 10 CM> Рис. 38. Природные кристаллы: 1 — галит NaCl; 2 — кальцит CaCO^; 3 — берилл; 4 — розовый берилл; 5 — изумруд, берилл ярко-зеленого цвета; 6 — пирит FSg; 7 — кварц SiOg; 8 — амазонит; 9 — антимонит; 10 — рубеллит; 11 — топаз; 12 — топаз бразильский; 13 — диопсид; 14 — флюорит CaFg; 15 — гематит; 16 — целестин SrSO^ Поняв природу кристаллических тел, люди научились искусственно создавать самые разнообразные кристаллы, даже такие, которых в природе раньше не суш;ествовало. Например, в Физическом институте АН СССР (ФИАН) были синтезированы удивительные кристаллы — фианиты, по своим свойствам не уступа-юш;ие алмазу (рис. 39). Рис. 39. Фианиты 167 вещества Рис. 40. Искусственные кристаллы: 1,2 — кварц SiOg; 3 — триглицинсульфат; 4 — дигидрофосфат калия; 5 — фтористый литий; 6 — йодат лития; 7 — йодноватая кислота; 8 — алюмокалиевые квасцы; 9 — рубин; 10 — кремний; 11 — гранат; 12 — ниобат лития; 13 — кремний; 14 — лазерный рубин Выращивание искусственных рубинов, сапфиров, изумрудом и алмазов для научных и промышленных целей стало привычным делом (рис. 40). Особое значение имеет получение полупроводниковых кристаллических материалов, таких как кремниii и германий (рис. 41). Эти вещества широко используются для создания полупроводниковых приборов, в частности, при производстве интегральных схем для современных компьютеров, телевизоров, музыкальных центров и другой бытовой техники. 168 Рис. 41. Кристалл германия i Агрегатные состояния вещестн Г» С ростом температуры кинетическая энергия молекул жмц(м* тва увеличивается, что приводит к увеличению амплитуды кол<*-баний молекул около положения равновесия. Если средняя ктк»-тическая энергия становится сравнимой по величине с пот(мщи-альной энергией притяжения молекул, то молекула Mo>iC(vi' покинуть свое место и занять другое положение в кристалле. 11(*-реходы молекул с одного места на другое нарушают взаимное расположение молекул или атомов в кристалле. При достаточном увеличении температуры твердое тело переходит в жидкое состоя ние. В жидкостях сохраняется порядок между близко расположенными молекулами — ближний порядок, но дальний пор>|док, характерный для молекул кристаллических тел, нарушается. Мы уже говорили, что самой известной и широко распространенной жидкостью на Земле является вода. В воде Мирового окса на возникла жизнь. Уникальные свойства воды определяют характер протекания множества процессов на Земле. В свою очер)одь» свойства воды зависят от взаимодействия ее молекул между co6oii. Молекула воды, содержаш;ая атом кислорода и два атома водорода, сильно поляризована, т. е. электрический заряд в мол(»-куле распределен несимметрично. Поэтому при сближении молекулы образуют своеобразные сотовые структуры, в которых связующими элементами являются атомы водорода (рис. 42). V is' / Молекула воды Молекулы притягиваются друг к другу Атом водорода слегка положителен Атом кислорода слегка отрицателен Водородная связь Ковалентная связь Рис. 42. Водородная связь между молекулами воды Свойства вещества О Как уже отмечалось, такой способ осуществления связи между молекулами называется водородной связью. Наличие водород' ной связи приводит к тому, что расстояние между молекулами льда больше, чем между молекулами воды. Именно из-за этого лед легче воды. Благодаря этому водоемы не промерзают зимой до дна, и жизнь в них продолжается. В воде водородные связи сохраняются в пределах нескольких десятков, сотен или тысяч молекулярных диаметров в зависимое* ти от температуры. Можно сказать, что кристаллическая структу* ра льда остается и в отдельных локальных областях воды. Эта структура определяет своеобразные свойства воды как жидкости. Особенно это чувствуется при наблюдении волнующегося под действием ветра океана. Дальнейшее увеличение температуры приводит к полному разрыву межмолекулярных связей. Отдельные молекулы приобретают такую большую энергию, что могут преодолеть притяжение других молекул и уйти от них на значительные расстояния. В этом случае вещество переходит в газообразное состояние. Если расстояние' между молекулами столь велико, что их энергия взаимодействия намного меньше средней кинетической энергии молекул, то газ подчиняется уравнению Клапейрона-Менделеева. В этом случае, как уже говорилось, его называют идеальным газом. Если это условие не выполняется, т. е. расстояние между молекулами не позволяет пренебречь взаимодействием между ними, то газ называется реальным газом. Свойства реального газа впервые описал нидерландский физик Ван дер Ваальс (1837-1923). В 1873 г. ему удалось получить уравнение состояния для реального газа, подобное уравнению Клапейрона—Менделеева для идеального газа. Это уравнение с успехом описывало свойства не только газов, но и жидкостей. В 1910 г. за работы по исследованию агрегатных состояний газов и жидкостей Ван дер Ваальс был удостоен Нобелевской премии по физике. На рис. 43 приведены изотермы Ван дер Ваальса, описывающие состояние газа при различных температурах. Среди изотерм выделяется одна, имеющая точку перегиба. Эта изотерма делит все остальные на две группы; изотермы при более высокой температуре, характерные для идеального газа, и изотермы при более низкой температуре, описывающие свойства реального газа и жидкости. 170 Агрегатные состояния вещества §ЗЬ Рис. 43. Изотермы Ван дер Вальса: 1 — газ; 2 — жидкость с насыщенным паром; 3 — только жидкость Температура, соответствуюпдая граничной изотерме, называется критической температурой. Впервые понятие критической температуры ввел Д. И. Менделеев в 1860 г. Газы, имеющие температуру выше критической, невозможно перевести в жидкость. При температуре ниже критической газ при уменьшении оГгь-ема и с увеличением давления переходит в жидкость. Этот переход на диаграмме P-V соответствует плоскому участку изотермы для реального газа. Здесь могут одновременно существовать в состоянии динамического равновесия жидкость и насыщенный пар. Таким образом, вся плоскость диаграммы распадается на ti)ii области, каждая из которых соответствует определенному агрс'-гатному состоянию реального газа. В области 1 существует только газ, в области 2 — жидкость с насыщенным паром, в области 3 -только жидкость. Механизм взаимодействия молекул, основанный на квантово-механических закономерностях, позволяет не только описат!» свойства вещества в его различных агрегатных состояниях, но и предсказать особенности поведения больших совокупностей частиц, образующих разнообразные физические тела, в различных природных условиях. о 171 Свойства вещества Подведем итоги • При низких температурах расположение атомов или молекул регулярно повторяется в пространстве внутри кристалла. Ре-^ гулярное расположение частиц вещества в кристаллах называется дальним порядком. • При достаточном увеличении температуры твердое тело переходит в жидкое состояние. В жидкостях сохраняется порядок между близко расположенными молекулами — ближний порядок, но дальний порядок, характерный для молекул кристаллов, нарушается. • Дальнейшее увеличение температуры приводит к полному разрыву межмолекулярных связей. В этом случае вещество переходит в газообразное состояние. Что нужно обязательно запомнить • Виды агрегатных состояний вещества. Что необходимо понять и усвоить • Зависимость агрегатного состояния вещества от температуры. Что нужно научиться делать • Применять молекулярно-кинетическую теорию для описания зависимости агрегатного состояния вещества при изменении температуры. Контрольные вопросы 1. Как меняется энергия взаимодействия молекул в зависимости от расстояния между ними? 2. Как можно объяснить с точки зрения молекулярно-кинетической теории существование различных агрегатных состояний вещества? 3. При каких условиях совершается переход вещества из одного агрегатного состояния в другое? 4. Чем объясняются уникальные физические свойства воды? 5. Чем отличаются изотермы реального газа от изотерм идеального? 172 Жидкие кристаллы §30 6. Можно ЛИ газ с температурой, большей критической, прен1)атит1. в жидкость? 7. Есть ли разница между газом и паром? Задание Нагрейте воду до кипения. Понаблюдайте и опишите особеинос.тп перехода воды в пар. А §36 Жидкие кристаллы О чем пойдет речь О классификации, строении и свойствах жидких кристаллом. О применении жидких кристаллов. Обсудим затронутые проблемы Некоторые кристаллические тела при нагревании, прежде чем превратиться в жидкость, проходят через промежуточное сос'гоя-ние, в котором они проявляют свойства жидкости и кристалла одновременно. Это объясняется тем, что по одним направлениям внутри вещества сохраняется дальний порядок, характерный дл>1 кристаллов, а по другим уже проявляется ближний порядок, icaic у жидкостей. Вещества в таком состоянии были названы жидкими кристаллами. С одной стороны, они, как кристаллы, по-разному преломляют свет в зависимости от направления его распространения в кри<;тал-ле. С другой — обладают высокой пластичностью, легко изменяют свою форму, образуют капли, растекаются по поверхности твердых тел. В основном жидкокристаллическое состояние наблюдао'гся в органических веществах, молекулы которых сильно вытянуты вдоль одного из направлений в пространстве. В зависимости от условий образования различают термотропные, лиотропные и фототропные жидкие кристаллы. Термотропные кристаллы образуются при изменении температуры пе щества, лиотропные — при растворении некоторых кристаллов в растворителях, фототропные — при взаимодействии вещества с излучением. 173 вещества о в зависимости от ориентации молекулы в пространстве различл» ют нематические, смектические и холестерические жидкие кристал* лы. В нематиках молекулы ориентируются параллельно друг другу. При этом центры молекул располагаются беспорядочно относительно друг друга, подобно молекулам в жидкости. Для смектиков ха^ рактерна слоистость расположения молекул. В холестериках молекулы располагаются послойно. В каждом слое оси молекул параллельны друг другу, как в нематиках. В соседних слоях молекулы ориентируются так, что их оси при переходе от слоя к слою распо* латаются по винтовой линии. Отмеченные особенности внутреннего строения жидких кри(‘-таллов определяют их макроскопические свойства. Возможность хаотического движения молекул друг относительно друга при сохранении определенной ориентации их осей в пространстве создает текучесть жидких кристаллов, а упорядоченность осей молекул в пространстве — их кристаллические свойства. Жидкие кристаллы изменяют свои свойства под воздействием различных внешних факторов: температуры, электрических и магнитных полей, механических деформаций, излучения. Это свойство жидких кристаллов используется в индикаторных устройствах, в системах хранения и обработки информации. Например, жидкие кристаллы широко применяются в дисплеях современных компьютеров, телевизорах, телефонах, микрокаль» куляторах. Цвет некоторых жидких кристаллов зависит от темп('-ратуры, поэтому их можно применять в термометрах для индика* ции температуры тел, с которыми они находятся в состоянии теплового равновесия. Подведем итоги Вепдества, кроме твердого, жидкого и газообразного состояний, могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Такое состояние возникает, когда при некоторых условиях по одним направлениям внутри вещества сохраняется дальни ii порядок, характерный для кристаллов, а по другим существует ближний порядок, как у жидкостей. Вещества в таком состоянии называются жидкими кристаллами. Обладая одновременно свойствами кристаллических и жидких тел, жидкие кристаллы находят широкое применение» в устройствах отображения информации. 174 Внеземные вещественные объекты §3/ Что нужно обязательно запомнить • Виды жидких кристаллов. Что необходимо понять и усвоить • Отличие жидкокристаллического состояния вещества от других состояний. • Свойства жидких кристаллов изменяются под воздействием различных внешних факторов. • Возможное применение жидких кристаллов. Что нужно научиться делать • Отличать жидкокристаллическое состояние вещества от других состояний. Контрольные вопросы 1. Какие вещества называются жидкими кристаллами? 2. При каких условиях вещество проявляет свойства жидких кристаллов? 3. Молекулы каких веществ в основном образуют жидкие кристаллы? 4. Как классифицируются жидкие кристаллы в зависимости от ориентации молекул в пространстве? 5. Где применяются жидкие кристаллы? Задание А Подготовьте презентацию о современных применениях жидких кристаллов, используя интернет-ресурсы. §37 Внеземные вещественные объекты О чем пойдет речь О внеземных объектах, доступных для наблюдения с Земли. О единстве элементного состава земных и внеземных объектов. О классификации звезд с помощью диаграммы Герцшпрунга— Рессела. 175 Свойства вещества Обсудим затронутые проблемы Ночью при безоблачном небе можно наблюдать звезды, планеты Солнечной системы. Луну и другие астрономические объекты, находящиеся на большом расстоянии от Земли. После создания оптических и радиотелескопов, запуска в нашей стране первого искусственного спутника Земли (4 октября 1957 г.), первого полета человека, нашего соотечественника Юрия Алексеевича Гагарина в космос (12 апреля 1961 г.) стало возможным экспериментальное изучение свойств астрономических объектов. Было установлено, что Луна и планеты Солнечной системы представляют собой вещественные объекты, подобные Земле. С помощью космических аппаратов сфотографировали поверх -ность планет, взяли пробы лунного грунта, изучили состав грунта и атмосферы планет и выяснили следующее. о Вещества, образующие планеты, не содержат неизвестных элемент тов. Состояние вещества на поверхности планет полностью соответствует нашим представлениям об агрегатных состояниях вещества. о Движение планет вокруг Солнца подчиняется законам механики. Были открыты новые спутники планет-гигантов и новая планета Солнечной системы с радиусом порядка 3000 км, орбита которой находится за орбитой Плутона. Летом 2006 г. международный астрономический съезд принял решение отнести Плутон и вновь открытую планету к так называемым малым планетам. В соответствии с этим решением число планет в Солнечной системе стало равно восьми: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Изучение планет подтвердило справедливость естественнонаучных представлений о единстве природных процессов во всея Солнечной системе, имеющей размер порядка 10 млрд км. Наука, изучающая происхождение и развитие Солнечной системы, называется космогонией. Центральным телом Солнечной системы является звезда — Солнце, притяжение к которому определяет особенности движения всех планет Солнечной системы. Астрономические наблюдения показывают, что в окружающем Солнечную систему пространстве находится множество и других звезд, некоторые из них имеют свои планеты. В настоящее врем>1 176 Внеземные вещественные объекты обнаружено несколько сотен таких планет, называемых экзопланетами. Ближайшая звезда Проксима Кентавра находится от Солнца на расстоянии 4,3 световых лет. Световым годом называется расстояние, которое свет проходит за один год. Один световой год равен 9,46 * 10 м. Ближайшие к Солнцу по космическим масштабам звезды обращаются вокруг общего центра подобно тому, как планеты движутся вокруг своей звезды. Таким центром является массивным объект, называемый черной дырой. Название связано с тем, что даже свет не может покинуть поверхность черной дыры из-за сильного притяжения. Черная дыра своим притяжением заставляет обращаться вокруг нее космическую пыль, звезды, все, что попадает в сферу ее притяжения. Совокупность объектов, попавших в область притяжения черной дыры, образует галактику. Наше Солнце вместе с другими звездами входит в состав галактики под названием Млечный Путь. Число звезд в нашей Галактике составляет 10^^. Звезды характеризуются массой, размерами, светимостью (количеством энергии, излучаемой поверхностью звезды за 1 с), температурой и другими свойствами. Экспериментально была найдена зависимость между светимостью и температурой звезд. Эта зависимость изображается диаграммой Герцшпрунга-Рессела, названной так по имени ее создателей — астрономов Э. Герц-шпрунга и Г. Рессела (см. цветной блок: рис, ЦП). На диаграмм(^ по оси ординат отложена светимость звезды, т. е. полная энергия, излучаемая звездой за единицу времени, по оси абсцисс (справа налево) — температура звезды. Определение светимости и температуры звезд — сложная задача. Не имея возможности останавливаться на рассмотрении методов определения этих величии, сделаем основные выводы из полученных результатов. Из диаграммы видно, что большинство звезд располагается в пределах главной звездной последовательности, идущей из левого верхнего угла диаграммы в правый нижний угол. Есть звезды, которые не попадают на главную последовательность. Звезды с большой светимостью, но малой температурой — это красные гиганты и сверхгиганты. Звезды с малой светимостью и большой температурой — это белые карлики. Звезды состоят из полностью ионизированных атомов отдельных химических элементов. Высокая температура звезд определяется термоядерными реакциями, которые идут внутри звезды. В звездах типа Солнца происходят термоядерные реакции синтеза о 177 о Свойства вещества ядер гелия из ядер водорода. По мере выгорания водорода увели • чивается число ядер гелия в центре звезды. Внутри звезды обра* зуется гелиевый шар, диаметр которого со временем увеличивается, увеличивается и радиус звезды. Ее температура при этом уменьшается, а светимость увеличивается. Звезда уходит с глав^ ной последовательности и превраш;ается в красный гигант. Для Солнца это произойдет примерно через 10 млрд лет. Характерный размер галактик — порядка десятков и соте i с тысяч световых лет. Различные галактики имеют разную форму (см. цветной блок: рис. Ц12). На нашу Галактику похожа chip ральная галактика Андромеды (см. цветной блок: рис. Ц13), удаленная от нашей Галактики на расстояние примерно 2 млн свето-* вых лет. Отдельные галактики, притягиваясь, образуют скопления, в которые входят сотни галактик. Исследованием установлено, что космическая пыль и газы образуют в межгалактическом пространстве гигантские по своим размерам туманности. Кроме пылевых скоплений в межгалактическом пространстве 'обнаружена так называемая темная материя, состав которой и происхождение пока остаются невыясненными. Совокупность всех внеземных объектов образуют Вселенную, частью которой является наша Галактика и Солнечная система. Наука, изучающая происхождение и развитие Вселенной, называется космологией. Космология внесла существенный вклад в современное естествознание, установив единство элементного состава всех внезем' ных объектов и всеобщность законов природы в доступной для наблюдения человеком Вселенной. Подведем итоги Объекты мегамира подобно объектам микро- и макромира имеют определенные уровни структурной организации. Мега-объекты в порядке возрастания их размеров классифицируются следующим образом: малые астрономические объекты (кометы, астероиды, малые планеты); планеты (планеты Солнечной системы, экзопланеты); звезды; галактики; скопления галактик; Вселенная. I 178 Внеземные вещественные объекты §3/ • Наука, изучающая происхождение и развитие Вселенной, называется космологией. Космология внесла существенный вклад в современное естествознание, установив единство элементного состава всех внеземных объектов и всеобщность законов природы в доступной для наблюдения человеком Вселенной. Что нужно обязательно запомнить • Виды внеземных объектов. Что необходимо понять и усвоить Диаграмму Герцпгпрунга—Рессела, Что нужно научиться делать А Определять положение Солнца на диаграмме Герцшпрунга Рессела. Контрольные вопросы 1. Какие внеземные объекты вы можете назвать? 2. Какие планеты входят в состав Солнечной системы? 3. Почему планеты не могут покинуть пределы Солнечной системы? 4. Какими величинами характеризуются звезды? 5. Что представляет собой диаграмма Герцшпрунга—Рессела? 6. Что такое черная дыра? 7. На каком расстоянии от нас находится галактика Андромеды? 8. Что такое Вселенная? 9. Что изучают космология, космогония? 10. Как называется галактика, в которой находится Солнечная система? Задание Оцените количество звезд во Вселенной. 179 Свойства вещества §38 Основные выводы по четвертой главе Атомы или молекулы, взаимодействуя друг с другом, образуют различные вещества. По совокупности характерных свойств вещество делят на физические тела, материалы, биологические» объекты и химическое вещество. Число структурных единиц в составе макроскопического объекта называется количеством вещества. Единицей количества вещества является 1 моль. Моль — количество вещества, содержащее столько же структурных единиц, сколько атомов содержится в нуклиде углерода массой 0,012 кг. К основным классам неорганических соединений относятся оксиды, основания (гидроксиды), кислоты и соли. Основные выводы по четвертой г/ыве §38 К ОСНОВНЫМ классам органических веществ относятся а цикл и ческие (предельные и непредельные), изоциклические (насыщенные и ненасыщенные), гетероциклические вещества. К основным классам углеводородов — веществ, молекулы которых содержат только атомы углерода и водорода, относятся алканы (парафины), алкены (олефины), алкины, арены (бензоидные ароматические углеводороды). Если различные вещества привести в соприкосновение друг с другом, то между ними может происходить взаимодействие, в результате которого получаются новые вещества. Такое взаимодействие называется химической реакцией. Скорость протекания реакции зависит от концентрации реагентов, температуры реакции, площади поверхности соприкасающихся реагентов, ориентации молекул реагентов, наличия катализатора или ингибитора. 181 Свойства вещества Вещества могут находиться в твердом, жидком, жидкокристаллическом, газообразном и ионизированном состояниях. Свойства веществ зависят от их состояния. Тепловые свойства вещества определяются зависимостью состояния физических тел от температуры. Механические явления относятся к числу явлений, при которых вещества и физические тела не изменяют своих существенных признаков. К числу наиболее распространенных механических явлений относится механическое движение. Объекты мегамира подобно объектам микро- и макромира имеют определенные уровни структурной организации. Объекты мегамира Планеты Звезды '*N Галактики Скопления галактик Вселенная У “ч 182 Глава 5 Физические поля §39 Гравитационное поле О чем пойдет речь О гравитационном взаимодействии, гравитационном иоло и законе всемирного тяготения. Обсудим затронутые проблемы Все тела участвуют в гравитационном взаимодействии. Впервые характер гравитационного взаимодействия в 1687 г. описал Ньютон, сформулировав закон всемирного тяготения. Все тела, представляющие собой материальные точки, притягиваются друг к другу с силой F, прямо пропорциональной произведению масс взаимодействующих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: Я2 где G = 6,67 • 10"^^Н - м^/кг^ — гравитационная постоянная; т, и п?2 ” массы взаимодействующих тел; R — расстояние между взаимодействующими телами. Сила гравитационного притяжения всегда направлена по прямой линии, соединяющей взаимодействующие материальные точки. Ньютон показал, что объемные тела, имеющие форму шара, взаимодействуют друг с другом так же, как и материальные точки с той же массой, расположенные в центре шаров. Это открытие значительно упростило рассмотрение механического движения тел около поверхности Земли и за ее пределами. о 183 Физические поля О О Рассмотрим для примера тело массой находящееся над поверхностью Земли на высоте h. Под действием силы тяготения тело приобретет ускорение, направленное к центру Земли. Величину этого ускорения можно найти, воспользовавшись математической формулировкой второго закона Ньютона. та =G ® (Я + Kf ’ (1) где Мд — масса Земли; — радиус Земли; а — ускорение. Из формулы (1) получаем выражение для ускорения GM. а = (Я + hf Для высот, по величине значительно меньших радиуса Земли, можно с хорошим приближением считать ускорение равным а = GM. (2) Из выражения (2) видно, что ускорение тел у поверхности Земли не зависит от массы этих тел и определяется только массой Земли и ее радиусом. Это ускорение называется ускорением свободного падения и обозначается буквой g. Факт независимости ускорения падающих тел от их массы впервые установил Галилей в 1590 г., проводя свои знаменитые опыты на «падающей» башне в итальянском городке Пизе. Под действием силы гравитационного притяжения движутся не только тела у поверхности Земли, но и небесные тела, взаимодействующие с Землей, например ее естественный спутник Луна. Ньютон впервые понял, что причина движения Луны на околоземной орбите и яблока, падающего с дерева, одна и та же. Только ускорение, с которым движется Луна по своей орбите, из-за ее удаленности меньше ускорения свободного падения. Особенность силы всемирного тяготения заключается в том, что она может действовать между телами, находящимися на значительном расстоянии друг от друга. Как же передается гравитационное взаимодействие между телами? Обсуждая эту проблему, Ньютон писал: «Предполагать, что тело может действовать на 184 I Гравит11ЦИонноо по;и^ другое на любом расстоянии в пустом пространстве, без посред ства чего-либо, передавая действие и силу, — это, по-моему, такой абсурд, который немыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах». В настоящее время в естествознании считается, что взаимодействие между телами передается посредством физических полей. Физические поля, взаимодействуя с телами, обмениваются с ними энергией и импульсом и изменяют их состояние. Физич<'-ские поля распространяются в пространстве со скоростью свсуга в вакууме. Согласно научным представлениям, любое тело массой М создает в пространстве вокруг себя гравитационное поле. Другое» тело массой т взаимодействует с этим гравитационным полом. Мерой такого взаимодействия является сила гравитационного взаимодействия, определяемая законом всемирного тяготения. Отношение значения силы к массе т служит силовой характеристикой поля и называется напряженностью поля. Напряженность гравитационного поля Г в некоторой точке» пространства — это физическая величина, равная отношению силы, действующей на тело, помещенное в данную точку, к массе т этого тела. Напряженность поля в некоторой точке характе^-ризует силу, действующую на тело единичной массы в данно!* точке. По определению, напряженность гравитационного поля, создаваемого точечной массой М на расстоянии R от него, равна Г = GM (;i) Согласно определению напряженности ускорение свободного падения g равно напряженности поля земного тяготения около поверхности Земли. о Если поле создается несколькими телами, то напряженность результирующего поля равна геометрической сумме напряженностей, создаваемых отдельными телами. Это утверждение составляет содержание принципа суперпозиции гравитационных полей. о Для наглядного описания структуры поля удобно применять графическое изображение полей с помощью линий напряженности поля. Линией напряженности поля называется линия, каса тельная к которой в каждой точке совпадает с направлением вок- 186 Физические поля Рис. 44. Линии напряженности гравитационного поля тора напряженности поля в данной точке. Направление линии напряженности совпадает с направлением вектора напряженности ПОЛЯ • Линии напряженности точечной массы представляют собой прямые радиальные линии, идущие из бесконечности к точке, где расположено тело, создающее поле (рис, 44). Два тела с равными массами, расположенные на расстоянии d друг от друга, создают поле, линии напряженности которого показаны на рис. 45. По направлению линий напряженности можно определить направление силы тяготения в любой точке пространства. Рис. 45. Гравитационное поле, создаваемое двумя телами 86 гравитационное поле §30 Подведем итоги • В настоящее время в естествознании считается, что взаимодействие между телами передается посредством физических полей. Физическое поле, так же как и вещество, — это вид материи, характеризующийся энергией, импульсом, momcmi-том импульса. • Согласно полевым представлениям, любое тело массой М создает в пространстве вокруг себя гравитационное поле. Другое тело массой т взаимодействует с этим гравитационным полом. Мерой такого взаимодействия является сила гравитационного взаимодействия, определяемая законом всемирного тяготения. Что нужно обязательно запомнить • Формулировку закона всемирного тяготения. • Принцип суперпозиции гравитационных полей. Что необходимо понять и усвоить • Полевую теорию гравитационного взаимодействия. Что нужно научиться делать • Находить силу гравитационного взаимодействия между точечными телами. Контрольные вопросы 1. Как формулируется закон всемирного тяготения? 2. Как направлена сила притяжения между двумя точечными телами? 3. Что такое гравитационное поле? 4. Что такое напряженность гравитационного поля? 5. Как формулируется принцип суперпозиции для гравитационных полей? Задание А Определите силу притяжения между Солнцем и Землей. Сравшпч' ее с силой притяжения к Земле вашего тела. 187 Физические поля §40 Движение тел в гравитационном поле О чем пойдет речь О движении тел в гравитационном поле, явлении невесомости и влиянии невесомости на организм человека. Обсудим затронутые проблемы о Особенностью движения в гравитационном поле является независимость ускорения тел от их массы. Два тела с разными массами на близком расстоянии друг от друга около поверхности Земли будут двигаться с одинаковыми ускорениями относительно Земли. Если их скорости в некоторый момент времени равны относительно тяготеющего тела, то они будут равными и в последу' ющие моменты времени. Следовательно, их относительная скорость движения равна нулю, т. е. они будут находиться в покос относительно друг друга. Если эти тела находятся в контакте друг с другом, то они не будут давить друг на друга и, следовательно, не возникнет деформация тел. Пусть одно тело представляет собой полую камеру, например кабину лифта, а другое тело находится внутри этой камеры. При свободном падении оно не будет давить на стенки свободно падающей камеры. Такое состояние тел в гравитационном поле называется невесомостью. Невесомость возникает при свободном движении в гравитационном поле, т. е. при движении только под действием силы тяжести. Добиться невесомости в поле тяжести Земли можно несколькими способами. Любое тело, свободно падая около поверхности Земли так, что сопротивлением воздуха можно пренебречь, находится в состоянии невесомости во время падения. Для увеличения времени состояния невесомости можно заставить тело двигаться по круговой орбите вокруг Земли под действием силы тяжести. Для этого нужно, чтобы центростремительное ускорение движения было равно напряженности поля тяготения на траектории движения. Приравнивая ускорение свободного падения на траектории движения из равенства (3) к величине 188 У Движонио тол в гравитационном поло центростремительного ускорения, получим выражение для скорости движения тела на орбите GM _у^ ~ R' Отсюда v = \GM R Скорость тела, рассчитанная по этой формуле для круговом орбиты в поле тяготения Земли, радиус которой равен радиусу Земли, называется первой космической скоростью. Ее значение равно 7,9 км/с. 4 октября 1957 г. советская ракета вывела на орбиту вокруг Земли первый искусственный спутник. Это событие открыло ко(^ мическую эру в истории развития человечества. Одним из впечатляющих достижений XX в. является преодоление человеком земного притяжения и начало освоения им ко<г мического пространства. Отцом космонавтики по праву считается русский ученый К. Э. Циолковский (1857-1935). В 1903 г, он впервые предложил использовать ракету для полета в космос. Принцип действия ракеты можно понять, опираясь на BTopoii и третий законы Ньютона. При работе ракетного двигателя образуются газообразные продукты горения ракетного топлива, вырывающиеся из сопла ракеты со скоростью и. Будем считать, что за время At ракету покидает масса газа, равная Ат. При истечении из сопла импульс этой массы равен vAm. Если учесть, что до rojx» ния топливо было неподвижно относительно корпуса ракеты, то оАт есть изменение импульса массы газа, покинувшей ракету за время At. Согласно второму закону Ньютона ------ есть сила, действу- At ющая на газ со стороны ракеты. Согласно третьему закону Ньютона газовая струя с такой же силой будет действовать на ракету, заставляя ее двигаться вперед. Эта сила называется реактивном силой. Используя реактивную силу, можно преодолеть силу тяжести. Принцип реактивного движения используется для перемещения и в безвоздушном пространстве. В настоящее время в космическое пространство выведено более 2000 искусственных космических объектов. Свыше 15 лет о 189 Физические поля на околоземной орбите работала российская космическая станция «Мир». В настоящее время научные исследования ведутся lui международной космической станции (МКС), внеатмосферный оптический телескоп «Хаббл» передает на Землю ценную информацию о небесных объектах. Проводятся исследования планет Солнечной системы с помощью космических аппаратов, готовится полет человека на загадочную планету Марс. Благодаря космическим исследованиям в мировоззрении людей произошли существенные изменения. Из космоса с помощью искусственных спутников были получены фотографии как отдельных фрагментов поверхности Земли, так и ее общий вид. На рис. Ц14 (см. цветной блок) показана космическая фотографи>1 Москвы, столицы России, а на рис. Ц15 (см. цветной блок) — фотография Земли. На этой фотографии мы видим Землю глазами внешнего наблюдателя, что имеет огромное познавательное и психологическое значение. На фотографии видно, что Земля имеет форму шара. Большая часть поверхности нашей планеты покрыта океанами. Благодаря космическим исследованиям человек впервые увидел, что его дом — это уникальная планета, не очень большая и очень незащищенная. Особенно отчетливо это видно на фотографии, полученной с борта американской космической станции «Вояджер» в тот момент, когда станция покинула пределы Солнечной системы. На ней Земля видна как небольшая светлая точка на фоне космической пустоты. В космосе человек столкнулся с непривычными для него условиями. Безвоздушное пространство, сверхнизкие температуры, проникающая радиация, невесомость — все это чрезвычайно затрудняет пребывание человека в космическом пространстве. Особенно коварным явлением оказалась невесомость. В условиях невесомости нарушается натриево-калиевый баланс в организме. Это приводит к существенным изменениям в обмене веществ на клеточном уровне. Кроме этого наблюдается избыточный приток крови к голове, легким и сердцу, что связано с перераспределением давления крови. В космическом корабле можно создать искусственную атмосферу, обеспечить защиту от радиации, но избавиться от невесомости гораздо сложнее. Для преодоления отрицательного воздействия невесомости на организм человека разработаны эффективные методы, позволяющие находиться в этом состоянии длительное время. Движение тел в гравитационном поле § Подведем итоги • Особенностью движения в гравитационном поле является ik; зависимость ускорения тел от их массы. • Невесомость возникает при свободном движении в гравитационном поле, т. е. при движении только под действием силы тяжести. • Используя реактивную силу, можно преодолеть силу тяжести. • Одним из впечатляющих достижений XX в. является преодоление человеком земного притяжения и начало освоения космического пространства. • 4 октября 1957 г. советская ракета вывела первый искусственный спутник на орбиту вокруг Земли. Это событие открыло космическую эру в истории развития человечества. • Первым человеком, совершивпхим космический полет 12 апреля 1961 г., был гражданин СССР Юрий Алексеевич Гагарин (1934-1968). Что нужно обязательно запомнить • Основные этапы освоения человеком космического пространства. Что необходимо понять и усвоить • Условие возникновения невесомости. • Возможности, открывающиеся перед человечеством при освоении космического пространства. Что нужно научиться делать Выводить значение первой космической скорости. Контрольные вопросы & 1. В чем особенность движения тел в поле тяжести? 2. Что такое невесомость? 3. При каких условиях возникает невесомость? 4. Чему равна первая космическая скорость? 191 Физические поля 5* При каких условиях возникает реактивная сила? 6. Что дает человеку освоение космоса? А Задания 1. Приведите пример реактивного движения. 2. Опишите основные этапы освоения человеком космоса. §41 Электрическое поле О чем пойдет речь Об электрическом взаимодействии между заряженными тела ми, электрическом поле и законе Кулона. Обсудим затронутые проблемы о о Кроме гравитационного, тела участвуют и в других взаимодействиях, например в электрическом и магнитном. Электрическое взаимодействие можно наблюдать, если наэлектризовать две бумажные гильзы, подвешенные к штативу на шелковых нитях, от стеклянной палочки, потертой о кожу. Гиль* зы будут отталкиваться друг от друга (рис. 46, а). Если гильзы наэлектризовать от разных палочек, например одну от стеклянной, потертой о кожу, а другую от эбонитовой, потертой о мех, то гильзы будут притягиваться друг к другу (рис, 46, б). Если гильзы наэлектризовать снова от одной палочки, но то* перь эбонитовой, то гильзы снова будут отталкиваться. Очевидно, что, кроме силы натяжения нити и силы тяжести, на гильзы действуют другие силы, вызывающие их притяжение или отталкивание. Эти силы называются электрическими силами, а свойство тел, вызывающее их появление, — электрическим зарядом. Электрический заряд, судя по проявлениям электрических сил, может быть двух видов. Один заряд условно принято считать положительным, другой — отрицательным. Положительным считают тот заряд, который образуется на стеклянной палочке при (м* электризации трением о кожу, а отрицательным — заряд эбонитовой палочки, потертой о мех. 192 Электрическое поло §41 Рис. 46. Взаимодействие наэлектризованных гильз: при одноименном заряде гильзы отталкиваются друг от друга (а), а при разноименном — притягиваются (б) Электрический заряд является одним из свойств частиц, и:* которых, как из кирпичиков, построены окружающие нас тела. Ядра всех атомов имеют положительный заряд, а электроны -отрицательный заряд. Величина заряда электрона является минимальным переносимым частицами зарядом, который известен в природе. Впервые его значение было измерено американским физиком Робертом Милликеном (1868-1953) в 1910 г. и оказалось равным по величине 1,6 10"^^ Кл. Электрический заряд, так же как и масса вещества, является аддитивной величиной. Это означает, что суммарный заряд тела, содержащего несколько заряженных частиц, равен алгебраической сумме зарядов этих частиц. Электрический заряд сохраняется во всех физических процессах. Сохранение заряда — фундаментальный физический закон подобно закону сохранения энергии или импульса. о Сохранение заряда можно проиллюстрировать следующим опытом. Наэлектризуем трением стеклянную пластинку с помощью кусочка кожи, наклеенного на другую стеклянную пластинку. При электризации заряд наэлектризованных тел должен быть одинаковым по величине. 193 Физические поля Рис. 47. Электрометр с ведерком Фарадея о В этом можно убедиться с помощью электрометра — прибора, который измеряет заряд наэлектризованных тел. Электрометр имеет металлический корпус с двумя стеклянными окнами. Внутри корпуса помещена стрелка, укрепленная на металлическом стержне. Конец стержня выведен из корпуса через изолирующую шайбу. Если к стержню прикоснуться наэлектризованной стеклянной или эбонитовой палочкой, то стрелка электрометра отклонится на некоторый угол, пропорциональный заряду, переданному стержню (рис. 47). Зарядить стрелку можно, и не прикасаясь к стержню электрометра, а лишь поднеся к нему на некотором расстоянии наэлектризованную палочку. Так как электроны в металле могут свободно перемещаться по его объему, то, попав в поле наэлектризованной палочки, они будут или притягиваться к ней, или отталкиваться от нее в зависимости от знака ее заряда. В результате заряд в стержне электрометра перераспределится, и стрелка отклонится на некоторый угол. Такой способ электризации тел называется электризацией через влияние. Если стержень электрометра соединить с пустотелым металлическим цилиндром, называемым ведерком Фарадея (см. рис. 47), то электризация электрометра через влияние будет определяться только зарядом тела, помещенного внутрь цилиндра. Поместим в ведерко Фарадея две стеклянные палочки, на концах которых закреплены стеклянные диски. На одном из дисков наклеена кожа. Потрем друг о друга стекло и кожу. Стрелка 194 Электрическое поле §41 электрометра не отклоняется. Теперь удалим диск, обклеенный кожей, оставив стеклянный диск в ведерке Фарадея — стрелка электрометра отклоняется. Снова соединим оба диска вместе — стрелка снова на нуле. Уберем стеклянный диск — стрелка отклоняется на тот же самый угол. Таким образом подтверждается равенство зарядов наэлектризованных тел и закон сохранения заряда. Величину электрического заряда определяют так же, как и массу тела — по отношению сил, действующих между измеряемым зарядом и зарядом, величина которого принята за единицу. Единицей электрического заряда в системе СИ является кулон (Кл). 1 Кл — это электрический заряд, который протекает через поперечное сечение проводника при постоянном токе в 1 А за время 1 с. Единица электрического заряда названа в честь известного французского исследователя Шарля Кулона (1736-1806), который открыл закон взаимодействия заряженных тел. Свой закон Кулон сформулировал для точечных зарядов, т. е. заряженных тел, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними. По закону Кулона, между двумя точечными телами с зарядами Q/ и действует сила, прямо пропорциональная произведению этих зарядов и обратно пропорциональная квадрату расстояния Я между ними: Я2 где к — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц измерения физических величин. о в международной системе СИ k =--, где £q = 8,85 • 10 ф/м - электрическая постоянная. Закон Кулона по форме напоминает закон всемирного тяготения Ньютона. При изучении взаимодействия электрических зарядов физики пришли к выводу, что эти взаимодействия удобно описывать математически и представлять наглядно. При этом считается, что каждый заряд создает в окружающем его пространстве электрическое поле, о свойствах которого можно судить по его воздействию на другие, пробные, заряды. 195 Физические поля О О Для того чтобы различные поля можно было сравнивать друг с другом, за пробный заряд принимают точечный единичный по-^ ложительный заряд, который не искажает исследуемое пот\ Сила, действующая на такой заряд, помещенный в поле другого заряда, называется напряженностью электрического поля в это11 точке и обозначается буквой Е. Напряженность электрического поля Е — силовая векторная величина, направление которой сов^ падает с направлением силы F, действующей на положительны!*! заряд, помещенный в поле. Из закона Кулона следует, что вели* чина напряженности поля точечного заряда q определяется выра^ жением 1 _______ 4я8о Для изображения поля Фарадей предложил использовать так называемые линии напряженности электрического поля. Для этого в каждой точке поля проводится линия так, чтобы направление вектора напряженности поля в этой точке совпадало с касательной к линии в этой точке. Да рис. 48 с помощью линий напряженное* ти показаны электрические поля трех зарядов. Плотность лини!*! на рисунке пропорциональна величине напряженности поля в со* ответствующих точках пространства. Это означает, что, чем ближе линии напряженности располагаются друг к другу, тем больпк» напряженность поля. Если электрическое поле создается несколькими заряженные ми телами, то напряженность результирующего поля равна геометрической сумме напряженностей, создаваемых отдельными Рис. 48. Электрическое поле нескольких зарядов 196 Электрическое поле §41 зарядами. Это утверждение составляет содержание принципа суперпозиции для электрических полей. Утверждение о том, что электрическое взаимодействие между заряженными телами обусловлено электрическим полем, существующим в пространстве между зарядами, получило название принципа близкодействия. Подведем итоги • Электрический заряд является одним из свойств частиц, из которых построены окружающие нас тела. Ядра всех атомов имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный заряд. • Величина заряда электрона является минимальным электрическим зарядом, известным в природе, который переносится частицами. • Взаимодействие между точечными зарядами подчиняется закону Кулона. • Для напряженности электрического поля справедлив принцип суперпозиции. • Для электрического взаимодействия справедлив принцип близкодействия. Что нужно обязательно запомнить • Значение элементарного электрического заряда. • Формулировку закона Кулона. Что необходимо понять и усвоить • Понятие электрического поля. • Принцип близкодействия. Что нужно научиться делать • Определять напряженность поля точечного заряда. • Изображать электрическое поле с помощью линий напряженности. 197 Физические поля Контрольные вопросы 1. в чем проявляется электрическое взаимодействие? 2. Что называется электрическим зарядом? 3. Какие бывают заряды? 4. Что называется точечным зарядом? 5. Как формулируется закон Кулона? 6. Что такое напряженность электрического поля? 7. Что такое линия напряженности электрического поля? уу..' 8. Как можно изображать электрические поля с помощью линий на-пряженности? 9. Что составляет содержание принципа близкодействия? Задание Изобразите с помощью линий напряженности электрическое пол(»,] точечного заряда, диполя, заряженной плоскости, заряженного ме-^^ таллического шара радиусом R. §42 Электрический ток о чем пойдет речь X о законах постоянного электрического тока. О мощности постоянного электрического тока. Обсудим затронутые проблемы о На электрический заряд q в электрическом поле действует сила равная произведению величины заряда на напряженность электрического поля: F = qE, Под действием этой силы заряды перемещаются в определенном направлении. Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током. За положительное направление электрического тока принимается направление движения положительных зарядов. Количественной характеристикой электрического тока служит сила тока /. 98 Элоктричоскии ток Силой тока I называется физическая величина, равная величине электрического заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени t Единицей силы тока является ампер (А). Если сила тока не меняется со временем, то ток называется постоянным. В противном случае ток называется переменным. Постоянный ток протекает в замкнутой электрической цепи, содержащей источник тока и проводники. Источник тока, например гальванический элемент, создает в металлическом проводнике электрической цепи постоянное электрическое поле. Под действием поля в проводнике возникает направленное движение свободных электронов, т. е. электрический ток. Направление тока в металле условно принято противоположным направлению движения электронов. При движении электроны часть своей энергии передают ионам кристаллической решетки проводника. В результате устанавливается постоянная скорость направленного движения электронов, а проводник нагревается. Значение установившейся скорости электронов зависит как от напряженности электрического поля в проводнике, так и от взаимодействия электронов с кристаллической решеткой проводника. Сила тока пропорциональна скорости направленного движения электронов: чем больше скорость, тем больший заряд пройдет через поперечное сечение проводника за единицу времени. Действительно, через поперечное сечение площадью S цилиндрического проводника за единицу времени пройдут все электроны, которые находятся в объеме Sv слева от сечения, если скорость электронов направлена слева направо. Если число электронов н единице объема обозначить через п, то заряд, который электроны перенесут за единицу времени, будет равен q = envS. Полученное выражение по определению совпадает с выражением для силы тока в проводнике I = envS, Предположим, что скорость направленного движения электронов пропорциональна напряженности поля в проводнике: v = kE, о 199 Физические поля О О где k —коэффициент, зависящий от свойств проводника, выражение для I можно переписать в виде I = enklES/l, Тог/и» где I — длина проводника. Из полученного выражения видно, что силу тока в провод*, нике можно представить как отношение произведения напряжен ности поля на длину проводника к величине l/enkS, зависящей; только от свойств проводника. Величина Е1 равна работе силы, действующей на единичны П положительный заряд в электрическом поле с напряженностью на перемещении Z, и называется напряжением электрического] поля и на концах проводника. Величина U измеряется в вол1Л тах (В). Выражение l/enkS называется сопротивлением R цилиндрп^ ческого проводника. Единицей измерения сопротивления провод" ника служит ом (Ом). После замены получаем R Эту закономерность, называемую законом Ома для участил цепи, в 1826 г. впервые опытным путем установил немецкий ф^!‘ зик Георг Ом, изучая постоянный электрический ток. Электрический ток нагревает проводник. Увеличение внутренней энергии проводника происходит за счет работы сил элек’ трического поля по перемещению зарядов в проводнике длиной /. Работа по перемещению одного электрона на участке I равна eEL За время t через поперечное сечение проводника пройдет rwSt электронов. Полная работа электрического поля за время / составит eEnvlSt, Эта работа идет на нагревание проводника. Согласно закону сохранения энергии количество теплоты Q, выделяющееся в проводнике за время ^, равно работе электрического поля: Q = eEnvlSt. Преобразуем полученное равенство так, чтобы Q выражалось через силу тока, сопротивление и напряжение на участке цепи. Для этого подставим вместо v произведение вместо Е — силу тока /, деленную на enkS, вместо l/enkS — сопротивление R. После сделанных замен получаем выражение Q = I^Rt, 200 Электрический ток §42 т. е. количество теплоты, выделяемое в проводнике за время t при протекании по нему тока /, равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника R и время протекания тока t. Этот закон называется законом Джоуля—Ленца, так как его впервые независимо друг от друга экспериментально установили Дж. Джоуль и Э, X. Ленц в 1842 г. С учетом закона Ома закон Джоуля—Ленца можно переписать в виде Q = UH/R = lUt, Приведенные выражения для закона Джоуля—Ленца эквивалентны друг другу. Поскольку работа в единицу времени есть мощность, то полученные выражения для Q определяют мощность N в цепи постоянного тока: N= Q/t. Таким образом, для мощности постоянного тока можно записать эквивалентные друг другу выражения N = I^R = U^/R = IU. Подведем итоги / в Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током. • Силой тока называется физическая величина, равная модулю электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за единицу времени. • Сила тока в проводнике равна отношению напряжения ш\ концах проводника к сопротивлению проводника (закон Ома). • Количество теплоты Q, выделяемое в проводнике за время / при протекании по нему тока /, равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника R и время t (закон Джоуля—Ленца). ® Мощность в цепи постоянного тока равна произведению квадрата силы тока на сопротивление цепи. Что нужно обязательно запомнить • Закон Ома. • Закон Джоуля—Ленца. 201 Физические поля Что необходимо понять и усвоить • От чего зависит сила тока в проводнике. • Чем определяется количество теплоты, выделяющейся в про воднике с током. Что нужно научиться делать • Применять законы Ома и Джоуля—Ленца. Контрольные вопросы 1. Что называется электрическим током? 2. Что такое сила тока? 3. От чего зависит сила тока в проводнике? 4. Что такое напряжение на концах проводника? 5. Как формулируется закон Ома для участка цепи, содержащего про^ водник? 6. Как формулируется закон Джоуля—Ленца для участка цепи, содержащего проводник? А, Задание Рассчитайте, к£псой ток потребляют все осветительные приборы в ва шей квартире. §43 Магнитное поле О чем пойдет речь О магнитном взаимодействии, магнитном поле и его описании. Обсудим затронутые проблемы 4' f Первые сведения о магнитном взаимодействии теряются в глубине веков. Сейчас трудно сказать, о чем люди узнали сначала — о свойствах наэлектризованных тел или о таинственном магнетизме. 202 Mai НИ1НОО 11ош‘ ГЕа Первый систематизированный трактат о магнитных яил(М!пях появился в 1600 г. Его автором был У. Гильберт (1544-1603) придворный врач английского короля. После этого на протяжен-НИИ более чем 200 лет человечество не узнало о магнитах ничемо нового. Было известно, что магниты, так же как и электрическт* заряды, взаимодействуют друг с другом, притягиваясь или отталкиваясь своими полюсами. Но получить магнитные заряды, подобно электрическим зарядам, никому не удавалось. Все попытки разделения магнита на два отдельных полюса ни к чему не приводили. Уменьшенный магнит всегда оставался подобен большому магниту — у него было два полюса. Если магниты приближали одинаковыми полюсами, они отталкивались, если разными — то притягивались. Если прямой магнит подвесить на нити за его с(*-редину около поверхности Земли, то он установится так, что один полюс магнита будет «смотреть» на север, другой — на юг. Полюс магнита, который указывал на Северный полюс Земли, назвали северным, его всегда окрашивают в синий цвет. Другой полюс, который «смотрит» на юг, назвали южным, его окрашивают в красный цвет. Таким образом, наша планета Земля тоже является магнитом, у которого на географическом юге находится северный магнитный полюс, а на севере — южный магнитный полюс. В 1820 г. датский физик Г. X. Эрстед (1777-1851), секретарь датского королевского обш;ества, обнаружил, что вблизи проводника магнитная стрелка поворачивается, как только по нему начинает протекать электрический ток. В опыте Эрстеда проводник с током проявлял свойства природного магнита. Это открытие* дало толчок исследованиям магнитных свойств постоянных токов. В 1822 г. французский физик Ампер, исследуя магнитные* свойства нескольких витков металлической проволоки, по которым протекал электрический ток, обнаружил сходство их поведения со свойствами прямого магнита. Магнитное взаимодействие в то время изучали по расположе*-нию небольших магнитных стрелок, помещенных вблизи магнита или проводников с током. Предположили, что поворот стрелок вызван магнитным полем в пространстве около проводника с током. Если эти магнитные стрелки соединить непрерывными ли ниями так, чтобы они касались стрелок, то можно получить наглядное изображение магнитного поля, действующего в простран стве на стрелки (рис. 49). о 203 Физические поля I Рис. 49. Магнитные стрелки в магнитном поле о Воздействие магнитного поля на магнитную стрелку характеризуют векторной величиной, называемой магнитной индукцией, и обозначают буквой В . Магнитная индукция — векторная величина, направление которой совпадает с направлением ориентации магнитной стрелки, от ее южного полюса к северному. Для магнитной индукции, как и для напряженности электрического поля, справедлив принцип суперпозиции. Линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции, называются линиями магнитной индукции. С помощью линий магнитной индукции удобно изображать пространственную структуру магнитных полей. Поместим в магнитное поле постоянного магнита или проводника с током множество железных опилок, насыпанных на стекло. Каждая из них будет вести себя как небольшая магнитная стрелка. Наблюдая за расположением опилок на стекле, можно составить представление о пространственной структуре магнитного поля. На рис. 50 показано распределение железных опилок в магнитном поле подковообразного (а) и прямого (б) магнитов, прямого проводника с током (в) и катушки с током (г). Из рисунка видно, что магнитное поле прямого магнита по своей структуре подобно магнитному полю катушки с током. Это сходство полей позволило Амперу выдвинуть гипотезу о том, что магнетизм обусловлен протеканием в телах круговых токов. В дальнейшем 204 Магнитное поле §43 а) • * .1 . ,i .ь ТГТГ N б) а) Рис. 50. Распределение железных опилок в магнитном поле подковообразного (а) и прямого (б) магнитов, прямого проводника (в) и катушки (г) с током эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение, а идея существования магнитных зарядов для объяснения магнитного взаимодействия была окончательно отброшена. Магнитное взаимодействие объяснялось теперь как взаимодействие движущихся зарядов. Кроме электрического поля любой движущийся заряд создает в пространстве вокруг себя магнитное поле, действующее только на движущийся заряд в этом поле. Именно поэтому два параллельных проводника с током будут притягиваться или отталкиваться друг от друга в зависимости от направления токов. Опыт показывает, что если направления токов в проводниках совпадают, то проводники притягиваются друг к другу (рис. 51, а), а если токи текут в противоположные стороны, то проводники отталкиваются (рис. 51, б). о Физические поля О Рис. 51. Взаимодействие проводников с током: в зависимости от направления тока проводники притягиваются (а) или отталкиваются (^) Сила, действующая на проводник с током в магнитном поло, называется силой Ампера. Сила Ампера действует перпендику* лярно как направлению магнитной индукции Б, так и нaпpaвл1 являются электрические заряды или переменное во времени магнитное поле. Источником магнитного поля являются электричс- о 21 I Физические поля ские ТОКИ ИЛИ переменное во времени электрическое поле. Там, где нет ни зарядов, ни токов, например в вакууме, электрические» и магнитные поля могут существовать, если они изменяются во времени. Представим себе, что в некоторой области пространства существует электрическое поле, возрастающее во времени (рис. 57). Это поле вызовет появление переменного магнитного поля, направление которого можно определить по правилу правого буравчика при условии, что его поступательное движение совпадает с направлением изменения электрического поля. В свою очередь изменяющееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля, направление которого можно определить по правилу Ленца. 212 Электромагнитное поле §44 Из рис. 57 видно, что электрические и магнитные поля направлены друг относительно друга так, что образуют единую совокупность полей, изменяющихся в пространстве и во времени. Это единое поле носит название электромагнитного поля. о Характерной особенностью электромагнитного поля является то, что оно может существовать независимо от зарядов или токов. о Распространяясь в пространстве и во времени, поле переносит энергию и импульс. Взаимодействуя с веществом, поле может изменять внутреннюю энергию тела, оказывать на него давление. Эти свойства электромагнитного поля позволяют рассматриват!. его как один из видов материи наряду с веществом. Подведем итоги • В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил явление электромагнитной индукции — возникновение электрического поля при изменении во времени магнитного поля. • В 1861 г. Дж. Масвелл, рассматривая свойства электрических и магнитных полей, пришел к выводу, что магнитное поле должно возникать не только в пространстве около проводников с током, но и при изменении во времени электрического поля. • Единая совокупность взаимосвязанных между собой переменных электрического и магнитного полей называется электромагнитным полем. Что нужно обязательно запомнить • Явления электромагнитной и магнитоэлектрической индукции. • Правило Ленца. Что необходимо понять и усвоить • Свойства электромагнитного поля. 213 Физические поля Что нужно научиться делать • Находить направление изменяющихся во времени электри ческого и магнитных полей. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой электромагнитное поле? 2. Какие свойства имеет электромагнитное поле? 3. Что является источником электромагнитного поля? А Задание Повторите опыты Фарадея. §45 Электромагнитные волны О чем пойдет речь О возможности существования электромагнитного поля в виде электромагнитных волн. Об экспериментальном подтверждении реальности электромагнитных волн и шкале электромагнитных волн. Обсудим затронутые проблемы I о Из теории Максвелла следует, что электромагнитное поле может распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Колеблющимися величинами при этом являются векторы напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В. Колебания векторов, характеризующих состояние электромагнитного поля, происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волн (рис. 58). Таким образом, электромагнитные волны относятся к поперечным волнам. Максвелл показал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света в вакууме. Это обстоятельство позволило Максвеллу сделать вывод о том, что свет имеет электромагнитную природу. 214 I Электромагнитные волны Теория Максвелла имела большое значение для развития физического мировоззрения. Впервые с помощью математических уравнений был описан физический объект, отличный от физических тел. -электромагнитное поле. Впервые свет рассматривался как электромагнитные волны. Впервые удалось описать электрические, магнитные и оптические явления, столь разные по своим проявлениям, всего лишь четырьмя уравнениями Максвелла. Впервые идея близ-кодействия получила столь убедительное обоснование. Осталось экспериментально обнаружить электромагнитные волны. о в 1888 г. немецкий физик Генрих Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн. В опытах Горца электромагнитная волна возбуждалась высокочастотным электрическим разрядом в зазоре между двумя металлическими шариками. Шарики устанавливались на концах двух прямых проводников, образуя так называемый вибратор Герца. Приемником электромагнитных волн служил другой такой же вибратор (рис. 59). Рис. 59. Передающий (верхний) и приемный вибраторы Герца В момент прихода электромагнитной волны между шариками вибратора-приемника проскакивала электрическая искра. Изуча>1 свойства электромагнитных волн. Герц наблюдал распрострап<‘- 2U) Физические поля 1 О ние волн в пространстве, их отражение, преломление, интерф<'-ренцию и поляризацию. Он измерил скорость распространения электромагнитных волн и подтвердил, что она равняется скорости света. Опыты Герца сыграли решающую роль в признании электромагнитной теории Максвелла. К сожалению, Максвеллу не суждено было дожить до триумфа своих идей, так как в 1879 г. он скончался. После опытов Герца идеи Максвелла о существовании электромагнитных волн получили дальнейшее экспериментальное' подтверждение. Для проверки его гипотезы об электромагнитной природе света требовалось не только установить факт равенства скорости света и скорости электромагнитных волн, невидимых глазом, но и получить световое излучение электрическими методами. Герц в своих экспериментах получил электромагнитное излучение с частотой ^10'^ Гц. Для достижения оптических частот следовало увеличить частоту колебаний электромагнитного поля еще почти в 100 млн раз. Первый шаг на этом пути сделал русский физик П. Н. Лебедев (1866-1912), наблюдавший в 1890 г. волны с частотой 10^^ Гц. В 1922-1923 гг. профессор Московского университета А. А. Глаголева-Аркадьева с помощью электрического разряда получила колебания с частотой 10^^ Гц. Электромагнитные волны такой частоты относятся к диапазону инфракрасного излучения, открытого в 1800 г. английским астрономом В. Гершелем. Инфракрасное излучение занимает диапазон частот от 10^^ до 4 * 10^*^ Гц. В ускорителях при разгоне электронов, движущихся по круговым траекториям, до скоростей, сравнимых со скоростью света, наблюдалось световое излучение. Таким образом, можно считать твердо установленным фактом, что свет является разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные эксперименты с электромагнитными волнами показали, что видимый свет — это электромагнитное излучение с частотой, лежащей в диапазоне (4-8) • Гц, и соответственно с длиной волны в диапазоне от 0,75 до 0,38 мкм. По своей физической природе видимый свет не отличается от инфракрасного излучения (ИК), имеющего большую длину волны, и от ультрафиолетового излучения (УФ), имеющего меньшую длину волны, чем свет. Границами ультрафиолетового излучения принято считать частоты от 8 ■ 10^'^ до 10^'^ Гц. В настоящее время договорились называть ИК-, УФ- и видимое излучение оптическим излучением. I 216 Электромагнитные волны §41 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Igv ■ 1 ■ ■ ■ ■ I ■ I I ■ ■___l_l___I__I___I--1--L_l---1--1--J 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10-11-12-13 \gX « » ■ < ■ I ■ I ■ I ■ I ■ I ■ » ■ 1 ■ I « ■ ■ I < I « ■ ■ > « ■ ■ ■ ■ « ■ « » » ■ > ■ > « 7,5-10'^M 3,8*10 Рис. 60. Шкала электромагнитных волн В 1895 г. К. Рентген (1845-1923) обнаружил высокочастотное' излучение при торможении пучка быстрых электронов металлической преградой. Это излучение частотой 10^^-10^® Гц было названо рентгеновским. Еще более высокочастотное излучение частотой Гц возникает при ядерных реакциях и превращен* ниях элементарных частиц. Его называют гамма-излучением. На рис. 60 изображена шкала электромагнитных волн, лающая представление о разнообразии проявления свойств электромагнитных волн в разных диапазонах частот. о Подведем итоги • Из теории Максвелла следует, что электромагнитное поле может распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. • Электромагнитные волны относятся к поперечным волнам, так как колебания векторов Е и Б, характеризующих состояние электромагнитного поля, происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волн. J Физические поля Максвелл показал, что скорость распространения электромаг’-нитных волн в вакууме равна скорости света в вакууме. Это обстоятельство позволило Максвеллу сделать вывод о том, что свет имеет электромагнитную природу. Таблица, дающая представление о разнообразии проявления свойств электромагнитных волн в разных диапазонах их частот, называется шкалой электромагнитных волн. I Что нужно обязательно запомнить • Шкалу электромагнитных волн. • Скорость электромагнитных волн в вакууме. Что необходимо понять и усвоить • Электромагнитное поле распространяется в свободном пространстве в виде поперечных волн. 9 Что нужно научиться делать • Называть интервалы частот и длин волн отдельных частотных диапазонов электромагнитных волн. Контрольные вопросы 1. Почему электромагнитные волны являются поперечными волнами? 2. Что колеблется в электромагнитной волне? 3. Какова скорость распространения электромагнитных волн в вакууме? 4. Каково значение теории Максвелла для развития физического мировоззрения? А Задание Сделайте презентацию о возможных методах генерации электромагнитных колебаний в разных частотных диапазонах. 18 Принцип действия электрогенератора §4f) §46 Принцип действия электрогенератора и электродвигателя. Использование электрической энергии О чем пойдет речь О практическом применении теории Максвелла в области электротехники. О принципах действия электрогенератора, тршк; форматора и электродвигателя. Обсудим затронутые проблемы Создание и подтверждение теории Максвелла не только измонм ло представления человека об окружающем мире, но и позволило создать множество новых технических устройств и приспособлений, которые определяют лицо современной цивилизации. К числу таких достижений, во многом изменивших характ(»|) промышленного производства, быта и досуга человека, относится современная электротехника. Электротехника полностью оснона-на на теории Максвелла. Как мы уже выяснили, электромагнит-ные волны, распространяясь в пространстве и во времени, переносят энергию. С этим физическим явлением мы сталкиваемс>1 ежедневно, греясь под лучами Солнца, слушая радио и просматривая телевизионные передачи. Во всех этих случаях электромагнитные волны распростран^пот-ся от источника во все стороны. Исключением, пожалуй, являот(01 кабельное телевидение и городская радиосеть. В этих устройстнах электромагнитные волны передаются по проводам или специальным кабелям непосредственно к потребителю. Оказалось, что элект1ю-магнитные волны достаточно низких частот — всего в несколько дс-сятков герц — тоже можно передавать потребителю по проводам. Источником таких колебаний обычно служат индукционные электромеханические генераторы, принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции Фарадея. Электрогенератор. Если прямоугольную рамку пом<м;-тить в поле постоянного магнита (рис. 61) и вращать ее с некоторой частотой со, то на ее концах возникнет переменное напряжс'- о 219 Физические поля Рис. 61. Электрогенератор ние той же частоты. Этот принцип получения переменной электродвижущей силы (ЭДС) используется практически во всех промышленных генераторах переменного тока. Разница лишь в том, что вращают не рамку, а магнит около рамки, точнее около множества рамок, что технически более выгодно. Современные электрические генераторы — это сложные технические устройства, в которых воплощены новейшие технологии. На рис, 62 показан внешний вид машинного зала Красноярской гидроэлектростанции, где кинетическая энергия падающей воды вращает роторы электрических генераторов. Для уменьшения потерь электроэнергии при ее передаче на дальние расстояния к потребителям напряжение электрических колебаний повышают с помощью трансформатора. Рис. 62. Машинный зал электростанции 220 Принцип действия ;^m.'KTpon*Mfp:JTOp,i Трансформатор. Принцип дейстния трансформатора также основан на явлении электромагнитной индукции (рис. 63). Па железный сердечник намотаны две катушки — первичная и вторичная — с разным числом витков и Ng. Если, например, к катушке с меньшим числом витков подсоединить источник пор(?-менного напряжения то на концах вторичной катушки по закону электромагнитной индукции будет индуцироваться напряжение J72’ величина которого больше входного напряжения но столько раз, во сколько число витков N2 вторичной обмотки больше числа витков первичной. о Рис. 63. Схема трансформатора Общая схема, иллюстрирующая получение, передачу и ра<^-пределение электроэнергии, приведена на рис. 64. Электрические* колебания с напряжением в сотни и тысячи киловольт с выхода трансформатора Тр1 подаются на линии электропередачи (ЛЭП), по которым, как по направляющим, электроэнергию доставля1о*1’ к месту назначения. Так как частота этих колебаний сравнитоль но невысока (50-60 Гц), то длина волны достигает нескол1»ких тысяч километров. На другом конце ЛЭП устанавливается понижающий трапе форматор Тр2, после которого через систему местных линий элемс-тропередач и понижающих трансформаторов электроэнергия поступает к потребителю. Электродвигатель и бытовые приборы. К числу самых распространенных устройств, потребляющих электроэнергию, относятся электродвигатели, осветительные и нагревательные при боры. Лампу накаливания изобрел русский изобретатель А. М. Лодыгин, лампу дневного света — советский ученый С. И. Вавилон. Физические поля Рис. 64, Схема передачи электроэнергии Изобретение электродвигателя принадлежит русскому инженеру Б. С. Якоби. Пропуская переменный электрический ток через рамку, помещенную в постоянное магнитное поле, он обнаружил ее вращение. Простейшая схема электродвигателя приведена на рис. 65. Рис. 65. Схема электродвигателя Сейчас трудно представить нашу жизнь без приборов, которые созданы на основе уравнений Максвелла. Именно поэтому лучшим изобретением считается хорошая теория. I Принцип д нет-ресурсы. А §48 Радиолокация о О чем пойдет речь О принципе действия радиолокатора. Обсудим затронутые проблемы В 1983 г. советские межпланетные станции «Венера-15» и «Венера-16» впервые провели радиолокационное картографирование поверхности северного полушария Венеры, этой загадочной планеты Солнечной системы. 22 S Физические поля Несмотря на плотный облачный покров планеты, были получены отчетливые изображения ее поверхности. Это стало возможно благодаря свойству радиоволн проходить с малым поглощением через плотные облака и отражаться от поверхности различных тел в зависимости от физических свойств их поверхности. Например, от металлической поверхности радиоволны отражаются полностью. Это свойство радиоволн используется в радиолокации для обнаружения движущихся объектов и измерения траектории их движения. В качестве радиолокационного сигнала (РЛ-сигнала) используются радиоволны, модулированные по амплитуде прямоугольными импульсами (рис. 70). Длительность радиолокационного импульса X в десятки раз превышает период колебаний несущей частоты Т. Радиолокационный сигнал излучается остронаправленной радиоантенной, сканирующей сектор наблюдаемого пространства. При встрече радиолокационного импульса с целью, попавшей в сектор обзора, возникает отраженный сигнал в виде импульса с меньшей амплитудой. Возвращающийся сигнал принимает та же антенна, работающая на прием в промежутке между посылкой импульсов. На экране электронно-лучевой трубки регистрируются момент посылки импульса и момент прихода отраженного от цели импульса. Изображение на трубке дается в масштабе расстояния до цели. Схема радиолокационной станции (РЛС), работающей по такому принципу, приведена на рис. 71. 230 шшш Радио покиции Рис. 71. Схема действия радиолокационной станции Современные радиолокационные станции позволяют м*» только измерять расстояние до цели, но и определять скорость движения объектов, строить их траектории движения, получать изображения объектов, не видимых невооруженным глазом. В частности, с помощью подобных радиолокаторов были получс» ны и радиоизображения поверхности Венеры. Подведем итоги Радиолокация — метод обнаружения движущихся объектои и измерения их траекторных параметров с помощью радио волн. в радиолокации в качестве сигнала используются радиовол-ны, модулированные по амплитуде прямоугольными импульсами. Современные радиолокационные станции позволяют не только измерять расстояние до цели, но и определять скоросч’ь движения объектов, строить траектории их движения, получать изображения объектов, не видимых глазом. Что нужно обязательно запомнить Назначение радиолокаторов. 'X Физические поля Что необходимо понять и усвоить • Принципы радиолокации. Что нужно научиться делать Рисовать схему действия радиолокатора. Контрольные вопросы 1. Что такое радиолокация? 2. Как работает радиолокационная станция? 3. Чему равно расстояние до цели, если после излучения сигнала отраженный сигнал пришел через 10 мс? Задание Предложите радиолокационный способ для определения скорости автомобиля. §49 Волновые свойства О чем пойдет речь О явлениях интерференции, дифракции и поляризации, а также эффекте Доплера, подтверждающих волновую природу света. Обсудим затронутые проблемы Убедиться в волновой природе света можно, наблюдая явления интерференции и дифракции света. В 1704 г. Ньютон, изучсая свойства света, обнаружил удивительное явление. Пропуская свет через линзу с большим радиусом кривизны, помещенную на стеклянной пластинке, он заметил в отраженном свете в месте соприкосновения линзы с пластинкой цветные радужные кольца. В оптике они получили название колец Ньютона. BoiiHOHbU' сиойс I ii;i cno i ;i §49 Рис. 72. Схема опыта для наблюдения колец Ньютона Схема расположения оптических элементов при наблюдении колец Ньютона показана на рис. 72. Свет от источника белого смг та падает на плоско-выпуклую линзу, расположенную на стекля и ной пластинке. Радиус кривизны линзы i? = l м, В отраженном свете между линзой и пластинкой наблюдаются кольца Ньютош» в виде системы концентрических цветных полос (см. цшуг н о ii блок: рис. Ц16). Применяя для освещения «окрашенный» (нк'т, полученный разложением белого света в спектр, Ньютон обна[>у жил увеличение числа видимых колец с восьми, девяти до диад цати колец. Свет, проходя через линзу и стеклянную пластинку, частично отражается как от нижней сферической поверхности линзы, так и от верхней плоской границы пластинки. На нижней noBepxiKxvm линзы эти волны складываются друг с другом. Результат слолс(‘ ния зависит от состояния колебаний волн в месте их встречи. Если они достигают равных значений одновременно, то при ело жении усиливают друг друга. Если же колебания совершаются так, что одно из них достигает максимального значения, а Д1>у гое — минимального, то колебания гасят друг друга. В портом случае говорят, что колебания приходят в одинаковой фазе, а но втором — в противофазе. Там, где колебания встречаются в одинаковой фазе, их амплитуда удваивается, а интенсивность света увеличивается в четыре' раза по сравнению с интенсивностью одиночной волны. Там, гд*' колебания встречаются в противофазе, амплитуда световой волны 9 Физические поля становится равной нулю. В этом случае отраженная и преломленная волны гасятся. Точки, в которых световые волны усиливают или гасят друг друга, располагаются по окружностям, центром которых является точка соприкосновения линзы с пластинкой. о Интерференция света является частным случаем интерференции волн любой природы. Можно сказать, что явление интерференции служит верным признаком волновой природы изучаемого явления. С помощью интерференции можно объяснить дифракцию света — отклонение света от прямолинейного направления распространения при прохождении препятствия. Впервые явление дифракции заметил итальянский ученый Ф. Гримальди (1618-1663). В 1802 г. английский физик Т. Юнг впервые наблюдал дифракцию солнечного света в опыте при сложении колебаний от двух вторичных источников света в виде узких щелей (рис. 73). Солнечный свет сначала проходил через одну щель, затем через две щели, от которых и наблюдалась дифракция. По тем направ-лениям, в которых колебания гасили друг друга, были видны темные полосы; там, где колебания приходили в фазе, наблюдались светлые полосы (рис. 74). При дифракции на двух щелях усиление света происходит по тем направлениям, для которых разность хода интерферирующих лучей составляет целое число длин волн. Если расстояние между щелями принять равным d, то из рис. 75 видно, что разность хода по направлению, определяемому углом ф, равна с?8Шф. Если эта Одна щель Две щели Рис. 73. Схема опыта Юнга 234 Волновые свойства света Рис. 74. Картина дифракции белого света в опыте Юнга величина равна целому числу длин волн дифрагированного света, то по направлению ср будет наблюдаться максимум света. Если на пути света поставить несколько щелей, то интеисии-ность света в максимумах дифракционной картины возрастет еще больше. На рис. 76 показана дифракция белого света при прохождении через дифракционную решетку, состоящую из множос'пт параллельных щелей. Видно, что дифрагированный свет nocjw решетки образует веер цветных лучей, что говорит о сложном со ставе света. Световые колебания разной частоты образуют максимумы по разным направлениям дифрагированного света. Ди(|)рак-ционную решетку применяют для изз^чения спектрального состава света, излучаемого различными источниками. Если в поперечных волнах колебания векторов поля происходят только в одном направлении, то такие волны называют(гя поляризованными. Свет от Солнца или лампы накаливания является поляризованным. В природе существуют кристаллы, которые пропускают свет, поляризованный только в одном нап])аи-лении. Если солнечный свет проходит через такой кристалл, па- у 235 Физические поля Рис. 76. Дифракция света на дифракционной решетке о зываемый поляризатором, то получается поляризованный свет. Пропуская поляризованный свет через второй поляризатор, можно убедиться в том, что интенсивность проходяпдего света зависит от расположения поляризаторов друг относительно друга. На рис. 77 показана схема эксперимента, в котором свет проходи'г через два поляризатора, которые можно поворачивать друг относительно друга вокруг линии, соединяющей поляризаторы. Если угол между направлениями поляризации поляризаторов составляет 7с/2, то свет через поляризаторы не проходит (рис. 78). Волновая природа света проявляется при наблюдении эффекта Доплера для источников света, движущихся относительно на- Источник света Поляризатор 1 Поляризатор 2 Экран Рис. 77. Прохождение света через два поляризатора с параллельными направлениями поляризации света 236 Rnni к >ИиГ»' Cl Tt Источник света Поляризатор 1 Поляризатор 2 Экран Рис. 78. Прохождение света через два поляризатора с перпендикулярными направлениями поляризации света блюдателя. Эффект Доплера заключается в увеличении частоты света, если источник приближается к наблюдателю, и умепьик*-НИИ частоты, если источник удаляется от наблюдателя. Это яил(^-ние можно объяснить, используя волновую теорию света. В 1929 г. американский астроном Хаббл установил, что часто та света от далеких галактик уменьшается пропорционально рас стоянию до галактик, соответственно длина волны света уволичи вается. В этом случае говорят о «красном смеш;ении» спектра па лучения далеких галактик. Это явление послужило основант^м для предположения о разбегании галактик с течением времени. На основе теории электромагнитного поля удалось объяснись многие оптические явления с волновой точки зрения. Волноиа>1 природа света во второй половине XIX в. стала общепризнанной. Подведем итоги Явления интерференции, дифракции и поляризации си<*'га свидетельствуют о его волновой природе. Эффект Доплера — еще одно проявление волновой природ|.1 света. Эффект Доплера заключается в изменении частоты vwv та, идущего к наблюдателю от движущегося источника света. Так же, как и для звука, частота света увеличивается iipit приближении источника света к наблюдателю и уменыпао'гея при удалении. В последнем случае говорят об эффекте «красного смещения», так как спектр излучения источника света сдвигается в сторону красной границы спектра. Физические поля Что нужно обязательно запомнить • Опыты по интерференции, дифракции и поляризации света. Что необходимо понять и усвоить • Причины интерференции, дифракции и поляризации света. Эффект Доплера. Что нужно научиться делать • Использовать дифракционную решетку для определения дли ны волны света. Контрольные вопросы 1. Какие эксперименты подтверждают волновую природу света? 2. С помощью какой экспериментальной установки Ньютон наблюдал интерференцию света? 3. При каких условиях наблюдаются максимумы и минимумы интерференционной картины? 4. Как можно наблюдать дифракцию света? 5. Кто и когда впервые поставил эксперимент по наблюдению дифракции солнечного света? 6. Как явление дифракции света объясняется с точки зрения волновой теории света? 7. Как устроена дифракционная решетка? 8. Почему после дифракционной решетки белый свет окрашивается? 9. Какой эксперимент позволяет убедиться в поперечности световых волн? 10, Какой эффект в оптике называют «красным смещением»? Ж Задания 1. Проведите эксперимент по наблюдению интерференции света на мыльных пленках. 2. Повторите опыт Юнга. 238 1 Корпускулярные слоиста ceeia §50 §50 Корпускулярные свойства О чем пойдет речь О явлениях, подтверждающих корпускулярную природу свотп. Обсудим затронутые проблемы Многочисленные эксперименты по интерференции, ди(1)рак-ции и поляризации света убедительно подтвердили выводы т(*о-рии Максвелла о волновой природе света. Однако в конце XIX и. стало известно о физических явлениях, которые противоречили волновым представлениям. К их числу относились излучение ато’ ма водорода, исследованное И. Бальмером в 1885 г., и фото:и1)-фект, открытый Г. Герцем в 1887 г. Законы излучения атома водорода удалось объяснить Н. Бору с квантовых позиций. Согласно постулатам Бора при перохо/а» атома из возбужденного в невозбужденное состояние излуча('тг>1 квант электромагнитного поля, получивший название фотон. Фотон имеет энергию е и импульс р, значения которых связаны г волновыми характеристиками электромагнитных волн соотиотг-ниями, подобными формулам де Бройля для квантовых частиц: Е = /г/Г== hv\ р = Л/А,, где Т — период колебаний вектора электромагнитной волны; V = 1/Т — частота колебаний; X — длина электромагнитной волны. А. Эйнштейн объяснил фотоэффект, рассматривая свет как совокупность фотонов (в 1921 г. за открытие законов фотоэф(1)екта Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике). Фотоэффект — явление испускания электронов поверхнопч.ю металлов под действием электромагнитного излучения. Исследование законов фотоэффекта связано также с именами А. Г. Стол('-това и Ф. Ленарда. Основные законы фотоэффекта, полученные на основе анализа результатов проведенных экспериментальных исследований, можно сформулировать следующим образом: 1) величина фототока насыщения пропорциональна величине светового потока, освещающего фотокатод (закон Столетова); о 230 Физические поля 2) кинетическая энергия фотоэлектронов определяется только частотой света, вызывающего фотоэффект и не зависит от интенсивности падающего света; 3) для каждого вещества существует красная граница фотоэ(1>* фекта, т. е. минимальная частота света, ниже которой фото' эффект невозможен; 4) фотоэффект практически безынерционен. о С волновой точки зрения понятен лишь закон Столетова: чем больше интенсивность падающего света, тем больше и поглощенная энергия, тем больше электронов вырывается из катода. Но безынерционность и независимость максимальной скорости электронов от интенсивности света, как и существование минималь^ ной частоты света, необходимой для возникновения фотоэффекта, с волновой точки зрения совершенно непонятны. Казалось бы, что электроны должны постепенно накапливать энергию, и это'г процесс будет зависеть от интенсивности света. В 1905 г. Эйнштейн предложил теорию фотоэффекта, в осноп(' которой лежали корпускулярные представления о свете. С кор-пускулярной точки зрения фотоэффект можно представить следующим образом. Поток световых квантов (фотонов) падает на поверхность металла. При взаимодействии с металлом некоторые» фотоны отражаются от него, а некоторые проходят в толщу м<^-талла и там взаимодействуют с электронами, движущимися среди ионов кристаллической решетки металла. В результате взаимодействия фотон передает электрону свою энергию S = hv. За счет этой энергии электрон вылетает из металла, преодолев силу электрического притяжения оставшихся ионов. При этом его энергия уменьшается на величину работы выхода которая зависит от свойств металла. Оставшаяся энергия превращается в кинетическую энергию вылетевшего электрона. Применяя закон сохранения энергии для описания фотоэффекта, получим + mv‘ (1) Уравнение (1) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. С его помощью можно объяснить законы фотоэффекта, установленные экспериментально. 240 Корпускулярные свойства света §50 Рис. 79. Вольт-амперная характеристика фотоэффекта Действительно, закон Столетова получает естественное оГуьж^-нение с квантовой точки зрения, так как число фотоэлект|)(>и()и пропорционально числу поглощенных фотонов. Следовательно, ток насыщения будет пропорционален интенсивности светового потока (рис. 79). Кинетическая энергия электронов, как это следует из урашк»-ния Эйнштейна (1), пропорциональна энергии кванта света и, cjw-довательно, пропорциональна частоте света. Приравнивая кииоти ческую энергию электрона запирающей разности потенциалов, умноженной на величину заряда электрона, получим; = ^вых + Отсюда и ^вых ^ зап Из полученного выражения видно, что график зависимости запирающего напряжения от частоты света имеет вид прямой ли НИИ, тангенс угла наклона которой с осью частот равен отношению hie (рис. 80). Объяснить эти опытные факторы с позиции волновой теории света было совершенно невозможно. Из уравнения (1) естественным образом следует и вывод о существовании красной границы фотоэффекта. Если энергия фотона равна работе выхода электрона из металла, то его кинетическая энергия равна нулю, а если меньше этой величины, то электрон просто не сможет покинуть металл. Следовательно, значение 241 Физические поля Рис. 80. Зависимость между частотой света и запирающим напряжением о красной границы фотоэффекта определяется условием равенства энергии фотона работе выхода электрона из металла: "^ВЫХ* Наконец, из теорий Эйнштейна также следует безынерцион-ность фотоэффекта. Время вылета фотоэлектрона определяется временем обмена энергией между фотоном и электроном в металле. Как показали последующие исследования, это время составляет величину порядка с. Явление испускания фотоэлектронов поверхностью металлов под действием света называют внешним фотоэффектом в отличие от внутреннего фотоэффекта, наблюдаемого в полупроводниках и диэлектриках под действием поглощенного света. При внутреннем фотоэффекте электроны, увеличивая свою энергию, получают возможность участвовать в создании тока, не выходя при этом из вещества наружу. Подведем итоги Ряд физических явлений, открытых в конце XIX в., противоречили волновым представлениям о природе света. К их числу, в частности, относились спектральные закономерности и фотоэффект. Объяснение этим явлениям удалось найти, предположив, что свет представляет собой поток фотонов — частиц, обладающих определенной энергией и импульсом. 242 Корпускулярные свойства света §50 В 1905 г. Эйнштейн предложил теорию фотоэффекта, в оспом(‘ которой лежали корпускулярные представления о свете. Но теории Эйнштейна, световой поток — это поток частиц, названных впоследствии фотонами, каждый из которых распространяется со скоростью света, имеет нулевую массу и энергию S = hv. ftlO^ Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта hv = A +---- по- зволяет объяснить все законы фотоэффекта, установленшис опытным путем. Что нужно обязательно запомнить • Формулу Эйнштейна. • Законы фотоэффекта. Что необходимо понять и усвоить • Объяснение законов фотоэффекта. Что нужно научиться делать • Применять формулу Эйнштейна для описания фотоэффекта. Контрольные вопросы » 1. Какие явления подтверждают корпускулярную природу света? 2. Что такое фотоэффект? 3. Кто и когда открыл фотоэффект? 4. Как формулируются основные законы фотоэффекта? 5. Почему для объяснения законов фотоэффекта понадобилась квапто вая теория света? 6. Как фотоэффект объясняется с точки зрения квантовой теории света? Задание А Сделайте презентацию о возможности применения фотоэффекта. 243 Физические поля §51 Поглощение и испускание света атомами О чем пойдет речь О спонтанном и индуцированном (вынужденном) излучении света. Обсудим затронутые проблемы о При рассмотрении свойств атомов было показано, что переход атома из одного энергетического состояния в другое сопровождается излучением или поглощением энергии, равной разности энергий атома в этих состояниях. Для наглядности воспользуемся диаграммой, на которой энергетические состояния атома изображаются горизонтальными линиями, каждая из которых соответствует определенной энергии атома (рис. 81), Состояния атома с меньшей энергией будем для краткости называть нижними, с большей энергией — верхними. Переходы атома из одного состояния в другое обозначим вертикальными стрелками, которые исходят из начального состояния атома и завершаются в конечном. Стрелка, идущая вверх, соответствует переходу атома с поглощением энергии; стрелка, идущая вниз, — переходу с излучением энергии. Возбуждение атома происходит под действием разных причин. В частности, атом можно возбудить с помощью света, частота которого равна ^12 = h О где — энергия возбужденного, а — энергия невозбужденно- го состоянии атома. Переход атома из возбужденного состояния в невозбужденное может происходить по-разному. Если переход осуществляется сразу в первоначальное состояние, то частота излучаемого света 244 \ Поглощонио и испускини(* свота атомами §51 Рис. 81. Спонтанное и вынужденное излучение атома равна частоте поглощенного света; если переход происходит по следовательно через промежуточные состояния атома, то частота испускаемого света меньше частоты поглощенного. Возможен спонтанный переход атома из возбужденног’о со стояния в невозбужденное без видимых на то причин. Фотон, испущенный спонтанно, может распространяться в любом па правлении. Он никак не связан с полем, в котором находи'п'я электрон. Кроме того, атом может перейти в невозбужденное coct(»i ние под действием излучения на частоте перехода (рис. 81). В этом случае атом совершает вынужденный переход, а излуч<‘-ние, соответствующее вынужденному переходу, называется индуцированным, или вынужденным, излучением. Фотон, испу щенный при индуцированном переходе, является точной копш'й фотона, вызвавшего этот переход. В результате индуцированного перехода в пространстве распространяются два одинаковых фотона. Если эти фотоны снова вызовут индуцированный iH'pc ход, то будут распространяться уже четыре одинаковых фотона, и т. д. Возможность существования индуцированного излучеии>1 т<‘о-ретически предсказал Эйнштейн в 1916 г. Через 38 лет на основе эффекта индуцированного излучения были созданы принциниаль но новые источники света — лазеры, совершившие революцию в оптике. у 24 I i Физические поля Подведем итоги • Переход атома из возбужденного состояния в невозбужденно(^ происходит двумя способами. Во-первых, атом может перейти в невозбужденное состояние спонтанно. Во-вторых, атом может совершить вынужденный, или индуцированный, переход. В этом случае переход происходит под действием излучения на частоте перехода. • Впервые возможность существования индуцированного излучения теоретически предсказал Эйнштейн в 1916 г. • Через 38 лет на основе эффекта индуцированного излучения были созданы принципиально новые источники света — лазеры, совершившие революцию в оптике. Что нужно обязательно запомнить • Механизмы излучения света атомом. « Что необходимо понять и усвоить • Отличие спонтанного излучения от вынужденного. Что нужно научиться делать Перечислять признаки спонтанного и вынужденного излучения. ^ Контрольные вопросы 1. Что такое индуцированное и спонтанное излучение атома? 2, В чем сходство и различие между индуцированным и спонтанным излучением атомов? А Задание Установите экспериментально различия между излучением лампы накаливания, энергосберегающей лампой, полупроводникового диода и излучением лазерной указки. Принцип действия лазера §52 Принцип действия лазера О чем пойдет речь О действии лазера — принципиально нового источника cik' I'm, совершившего революцию в оптике в середине XX в. Обсудим затронутые проблемы Различие спонтанного и вынужденного излучения навело (|)и-зиков на мысль о создании источника света, по своим свойеггмам сходного с фантастическим прибором из увлекательной пои<ч*т11 А. Н, Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Получение ост\п}-направленного луча света высокой интенсивности давно занимало умы людей. После открытия механизма индуцированного излуче ния появилась реальная возможность создания такого прибора. Представим себе, что свет распространяется в среде, атом1л которой имеют всего два энергетических состояния (рис. 82). Обоз* начим энергию нижнего (невозбужденного) состояния через /о,, а верхнего (возбужденного) — через jEJg» '^исло атомов в иижмем состоянии — через Nj, а в верхнем — через ATg, Частоту света выберем такой, чтобы она соответствовала частоте перехода, опр(‘де* ляемой формулой Бора для рассматриваемых атомов. Если свет взаимодействует с атомом, находящимся в нижнем состоянии, то при поглощении одного из фотонов атом пер(М1Д(‘т в возбужденное состояние. Вероятность этого процесса пропорцио нальна мощности или интенсивности света. Общее число по глощенных за некоторое время фотонов будет тем больше, ч('м больше атомов находится в нижнем состоянии. i к 1 E2.N2 Рис. 82. Оптические переходы атома между двумя энергетическими состояниями: 1 — вынулсденное поглощение; 2 — вынужденное излучение; 3 — спонтанное излучение 24/ Физические поля О О О I I Если свет взаимодействует с атомом, находящимся в возбужденном состоянии, то существует вероятность того, что атом испустит индуцированный фотон, который увеличит энергию света, распространяющегося в веществе. Сам атом перейдет при этом п невозбужденное состояние. Общее число индуцированно испущенных фотонов будет пропорционально числу атомов, находящихо! в верхнем состоянии. Из верхнего состояния атом может перейти в нижнее и в результате спонтанного механизма излучения фотона. При этом энергия светового потока также увеличится. Однако спонтанно испущенные фотоны никак не связаны с фотонами света, падающего на вещество. Их направление распространения, поляризация и другие характеристики совершенно непроизвольны и невзаимосвязаны. Поэтому спонтанное излучение является ненаправленным, неполяризованным и имеет сравнительно малую мощность. Индуцированное излучение имеет другие свойства. Все фотоны индуцированного излучения одинаковы, поэтому они образуют остронаправленный, поляризованный, интенсивный световой поток. Поле в таком излучении изменяется со временем регулярным образом, подобно тому, как изменяется состояние колебаний в волне определенной частоты. Такое излучение называют в оптике когерентным. Чтобы индуцированное излучение превосходило поглощение и спонтанное излучение, необходимо выполнить два условия: 1) число атомов в возбужденном состоянии должно превышать число атомов в невозбужденном состоянии; 2) интенсивность света на частоте перехода должна быть такой, чтобы вероятность вынужденных переходов была значительно выше вероятности спонтанного излучения. Первое условие достигается, если вещество находится в состоянии инверсной населенности, при котором N2 > Название инверсной населенности связано с тем, что в обычных условиях выполняется обратное неравенство, т. е. число атомов в нижнем состоянии больше числа атомов в верхнем (Ng > N^). Инверсная населенность создается за счет энергии внешнего для вещества источника, который условно называется «накачкой». При распространении света через вещество с инверсной населенностью интенсивность проходящего света усиливается. 48 I г. Принцип дс'иствия лпги'ра а) Зеркало резонатора б) Зеркало Анод Катод Г азоразрядная стеклянная трубка Стеклянная пластинка Активная среда Зеркало резонатора Зеркало Лампа «накачки» Рис. 83. Схема газового (а) и рубинового (б) лазера Второе условие обеспечивается тем, что вещество с инверсноГт населенностью помещают между двумя зеркалами, отражающие поверхности которых строго параллельны друг другу. Эти aepicajiii называются оптическим резонатором. Коэффициенты отражения зеркал делают очень близкими к единице. Свет, многократно от ражаясь от поверхностей зеркал и проходя с усилением чор(м активную среду с инверсной населенностью, создает высокую плотность излучения внутри вещества. В итоге в среде с иннер сной населенностью формируется направленный, когерентныi'l луч света, который выходит из прибора через одну из торцсиых поверхностей оптического резонатора (рис. 83, а и б). Первый генератор электромагнитного излучения, использующий принцип усиления индуцированного излучения на длине волны 1,27 см, был создан в 1954 г. А. М. Прохоровым и Н. Г. ISaeo-вым, сотрудниками Физического института им. П. Н. Лебедева ЛИ СССР, и независимо от них Ч. Таунсом в Колумбийском униш^р ситете (США). В 1964 г. всем троим была присуждена Нобелем! ская премия по физике за основополагающие работы в обласчи квантовой радиофизики. о 240 Физические поля о Первый лазер, работающий в оптическом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т. Мейманом (США). Активном веществом в первом лазере был кристалл рубина. В этом же году появился газовый лазер, работающий на смеси двух газов — гелия и неона. Длина волны гелий-неонового лазера 0,63 мкм, что соответствует красному свету (см. рис. 83). Излучение лазеров обладает уникальными свойствами. Луч лазерного света имеет малую расходимость. Яркость лазерного излучения превышает яркость солнечного света в тысячи и десятки тысяч раз. Лазерный свет может быть сфокусирован на чрезвычайно малой площади, размер которой определяется квадратом длины волны лазерного света. Это позволяет добиться высокой концентрации энергии световых волн в пространстве, что широко применяется во многих технологических процессах, при производстве лазерных дисков, в медицине. Когерентные свойства лазера используются в технике связи, при обработке изображений, считывании аудио- и видеоинформации с лазерных дисков, медицине. Подведем итоги • Первый генератор электромагнитного излучения, построенный на принципе усиления индуцированного излучения на длине волны 1,27 см, был создан в 1954 г. А. М. Прохоровым и Н. Г. Басовым, сотрудниками Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР, и независимо от них Ч. Таунсом в Колумбийском университете (США). • Первый лазер, работающий в оптическом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т. Мейманом (США). • Излучение лазеров обладает уникальными свойствами. Луч лазерного света имеет малую расходимость. Яркость лазерного излучения превышает яркость солнечного света в тысячи и десятки тысяч раз. Лазерный свет может быть сфокусирован на чрезвычайно малой площади, размер которой определяется квадратом длины волны лазерного света. • Создание лазеров произвело революцию в оптике. Что нужно обязательно запомнить Устройство лазера. 50 1 Квантовые поля § 'УЛ Что необходимо понять и усвоить • Принцип работы лазера. Что нужно научиться делать • Называть основные свойства лазерного излучения. Контрольные вопросы 1. Какие существуют механизмы излучения света атомами? 2. В чем сходство и в чем отличие спонтанного и индуцированиш’о на лучений? 3. Как работает лазер? 4. Каковы особенности лазерного излучения? 5. Где применяется лазер? Задание Используя интернет-ресурс, сделайте презентацию о примерах при-менения лазеров, наиболее интересных с вашей точки зрения. е А §53 Квантовые поля О чем пойдет речь О возможности описания свойств квантовых частиц с помощью понятия квантовых полей. Обсудим затронутые проблемы Экспериментальное изучение свойств электромагнитного 1И)л>1 показало, что его энергия квантуется. Энергия одного кванта поля на частоте v равна энергии фотона ftv. Таким образом, элспс-тромагнитное поле можно представить состоящим из опредолом-ного числа фотонов, величина которого зависит от энергии пол^и Квантовые представления о природе электромагнитного поля позволили описать многие экспериментальные факты, часть ко торых уже рассмотрены нами. Физическая теория квантовых свойств электромагнитного поля была разработана в 40-х гг. 251 Физические поля О прошлого века и получила название квантовой электродинамики. За ее создание Р. Фейнману, Ю. Швингеру и С. Томанаге и 1965 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Квантовая электродинамика является одной из самых точных научных теорий, известных в настояпцее время. Достаточно сказать, что она позволила рассчитать значение магнитного момента электрона с точностью до десятого знака. Успехи квантовой электродинамики при описании свойств электромагнитного поля навели физиков на мысль рассматривать все элементарные частицы в виде квантов соответствующих физических полей. Одна из разновидностей физического поля — электромагнитное поле. Человек может непосредственно воспринимать его в виде света. Другие физические поля недоступны дл>1 непосредственного наблюдения. Мы можем судить о них только по наблюдению за поведением элементарных частиц этих полей — квантов. Идея полевого описания мира элементарных частиц оказалас!. очень плодотворной. С помощью такого подхода удалось описать состояния физических полей, их взаимодействия, предсказать новые» физические эффекты в мире элементарных частиц. Появилась возможность свести многообразие элементарных частиц к небольшому числу физических полей, между которыми существуют определенные взаимодействия. Полевые представления явились еще одним шагом к созданию целостной картины окружающего мира, состоящей из сравнительно небольшого набора основных фрагментов. ^ Подведем итоги • Физическая теория квантовых свойств электромагнитного поля была разработана в 40-х гг. прошлого века и получили название квантовой электродинамики. • Успехи квантовой электродинамики при описании свойств электромагнитного поля навели физиков на мысль рассматривать все элементарные частицы в виде квантов соответствующих физических полей. • Полевые представления явились еще одним шагом к созданию целостной картины окружающего мира, состоящей из сравнительно небольшого набора основных фрагментов. Что нужно обязательно запомнить • Квантовые представления о природе электромагнитного поля. т I I 52 Основные выводы по пятой главе § Ь4 Что необходимо понять и усвоить Возможность описания элементарных частиц с помощью полей Что нужно научиться делать • Использовать квантовые представления для описания эл<м<* тромагнитного поля. Контрольные вопросы 1. Что такое квантовые поля? 2. В чем заключается идея описания элементарных частиц с помогцмо квантовых полей? Задания А 1. Приведите пример квантового поля. 2. Сделайте презентацию о свойствах квантовых полей, используя пн* тернет-ресурсы. §54 Основные выводы по пятой главе В настоящее время в естествознании считается, что взаимодействие между телами передается с помощью физических пол(М1. Физическое поле, так же как и вещество, — это вид материи, характеризующийся такими величинами, как энергия, импульс:, момент импульса. Физические поля Наиболее изученными полями являются гравитационное и электромагнитное поля. Физические поля обладают волновыми и корпускулярными свойствами. Взаимодействие физических полей с вещественными объектами зависит от заряда объектов. Взаимодействие тела с гравитационным полем зависит от гравитационного заряда тела, или его массы. Взаимодействие тела с электромагнитным полем зависит от электрического заряда тела. Минимальным электрическим зарядом природного объекта является заряд электрона или заряд протона. Взаимодействие с квантовыми полями определяется наличием у частиц вещества цветового и лептонного зарядов. Электромагнитное поле может распространяться в пространстве и во времени в виде электромагнитных волн. Скорость электромагнитных волн в вакууме равна скорости света в вакууме и является максимальной скоростью природных объектов. Скорость света — это величина, характеризующая состояние электромагнитных волн. Она не зависит от скорости источника или приемника света. Скорость света в вакууме, являясь характеристикой состояния электромагнитного поля, не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Изучение свойств физических полей, их взаимодействия с веществом позволили создать ряд новых технических устройств и технологий. К техническим достижениям в этой области относятся космические, лазерные, радиотехнические, твердотельные, ядерные и нанотехнологии. i I* i f ! I 54 Заключение Первоначальное представление о современной естественнонаучной картине мира О чем пойдет речь Об исследованиях общих свойств объектов окружающег'о мира, позволивших составить первоначальное представление о современной естественнонаучной картине мира. Обсудим затронутые проблемы Применение научного метода к изучению окружающего мира, опыт людей позволили установить ряд общих природных закономерностей, важнейшими из которых являются следующие. 1. Мир един, так как все его объекты имеют одинаковые структурные элементы и характеризуются одинаковыми формами существования. Фундаментальные составляющие мира произошли в результате эволюции Вселенной. 2. В современном мире существуют четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. 3. Существуют определенные уровни структурной организации природных объектов, между которыми установлены причинно-следственные связи. Используя естественнонаучные знания о различных структурных уровнях организации окружающего мира, можно установить содержание каждого из них. Заключение На первом уровне находятся 60 фундаментальных частиц, На следующем уровне располагаются адроны, составленные и;* кварков различных ароматов и цветов. Здесь находятся мезоны, ба-рионы, нуклоны, странные частицы, очарованные частицы, гипероны, резонансы и другие частицы с экзотическими названиями. Общее число частиц, составленных из кварков, превышает 470. На следующем уровне располагаются всевозможные нуклиды, или ядра, состоящие из нуклонов, взаимодействие между которыми обеспечивается обменом как тг-мезонов, так и других более массивных мезонов. Число ядер в настоящее время превышает 3000. Следующий уровень занимают атомы, состоящие из ядер и лептонов, электромагнитное взаимодействие между которыми обеспечивается фотонами. Около ядра в атомах находятся, как правило, электроны, но существуют так называемые мезоатомы, в которых электроны заменены мезонами. Число различных атомов, известных в настоящее время, около 1300. На следующем уровне находятся молекулы, общее число которых превышает 15 млн. Число молекул постоянно возрастает за счет синтеза человеком новых молекул. Особый интерес вызывают молекулы, входящие в состав живых объектов, — так называемые молекулы жизни. Следующий уровень занимают вещества в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Сюда относятся газ и пар, аморфные тела, жидкости и кристаллы, металлы, полупроводники и диэлектрики, квазикристаллы и жидкие кристаллы, ферриты и электреты и многое другое, без чего современная цивилизация просто не могла бы существовать. К этому уровню относятся и микроорганизмы, представляющие важнейшую часть живой природы. На следующем уровне располагаются различные живые и неживые природные тела, размеры которых гораздо больше молекулярных, но меньше астрономических объектов. Следующие уровни занимают астрономические объекты: планеты, звезды, скопления звезд, галактики, скопления галактик, Вселенная. На рис. 31 приведена схема, иллюстрирующая различные структурные уровни природной организации материи, начиная от микрообъектов и заканчивая Вселенной в целом. Каждый уровень характеризуется своей энергией связи между элементами, входящими в физические системы этого уровня. На рис. 32 приведены графики зависимости энергии взаимодействия между структурными элементами каждого уровня. Превышение энергии I 56 Заключение Астрономические объекть^ц^ <5^ г О j (li Молекулы и вещества Атомы Нуклиды Элементарные частицы Фундаментальные частицы Рис. 31. Структура природных объектов внешнего воздействия над энергией связи между элементами данного уровня приводит к «вскрытию» более глубокого уровня по шкале энергий. Взаимодействие объектов на различных уровнях природной организации проявляется в изменении состояния объектов, их движении, в свойствах пространства и времени. Движение объектов, понимаемое как процесс изменения их состояния, подчиняется природным законам, имеющим динамический или статистический характер. Заключение в настоящее время для описания свойств природных систем каждого уровня разработана своя теория. Электромагнитные взаимодействия квантовых частиц описывает квантовая электродинамика. Свойства ядер изучает ядерная физика, атомов — атомная физика. Область молекулярной физики — это молекулы и вещество в различных агрегатных состояниях. Взаимное превращение веществ изучает неорганическая и органическая химия. Особенности биологических молекул — биологическая химия. Свойства биологических объектов изучает биология. Взаимодействие биологических объектов с внешней средой и друг с другом — экология. Изучением свойств электромагнитных полей занимается электродинамика. Изучение взаимодействия макроскопических тел составляет круг интересов механики и специальной теории othocpi-тельности. Общая теория относительности и астрофизика занимаются изучением астрономических объектов и свойств Вселенной в целом. Совокупность природных законов, отражающих природные? процессы на определенном структурном уровне, составляет содержание естественнонаучных теорий, обладающих большим предсказательным потенциалом. Применение природных законов на практике имеет большое значение для развития техники, медицины, сельского хозяйства и других областей человеческой деятельности. Успехи естественных наук в изучении природы сыграли определяющую роль в развитии цивилизации. 1 Примерные темы проектов Примерные темы проектов 1. Ошибочные научные гипотезы. 2. Методы исследования в естественных и гуманитарных пауках. 3. Загадочные природные явления. 4. Влияние науки на развитие техники. 5. Влияние техники на развитие науки. 6. Роль науки в современном обш;естве. 7. Успехи современной микроскопии. 8. Роль науки и техники в расширении возможностей человека. 9. Агрегатные состояния веш;ества. 10. Жидкие кристаллы в нашем доме. 11. Природные оптические явления. 12. Применение лазеров. 13. Советские и российские нобелевские лауреаты. 14. Достижения науки и научная фантастика. Электронные образовательные ресурсы на сайте ФЦИОР (https://fcior.edu.ru) Для более глубокого знакомства с материалом вы можете поработать с ресурсами портала https://fcior,edu.ru/ Глава 1 • Человек как творец и творение культуры. Развитие мировоззрения. Наука. Механизмы научного познания. • Наука. Механизмы научного познания. Формирование клт?-сической научной картины мира (для углубленного изучения предмета). • Познание, как особый вид человеческой деятельности. • Анализаторы (органы чувств), их строение и функции. Зрительный анализатор. • Главные направления прогрессивной эволюции. Глава 2 • Биология — наука о жизни. • Химия — как часть естествознания. • Наука. Механизмы научного познания (для углубленного изучения предмета). А 259 Электронные образовательные ресурсы Познание, как особый вид человеческой деятельности. Проблема истины в познании. Абсолютная, относительная, конкретная истины. Развитие естественнонаучных и гуманитарных знаний в XX в. Глава 3 Атомы и молекулы в веществах. Строение молекул. Атомная гипотеза. Основные сведения о строении атома. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия. Глава 4 Качественный и количественный состав вещества. Теория химического строения органических веществ Бутлерова. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Вещества органические и неорганические. Причины их многообразия. Органические и неорганические изомеры. Связь между строением атомов и молекул и свойствами веществ. Понятие о живой системе. Основные свойства живого. Роль органических веществ в клетке. Химический состав клетки. Поздние стадии эволюции обычных звезд. Глава 5 Гравитационное поле. Гравитационные маневры. Электрическое поле. Магнитное поле. Взаимосвязь электрического и магнитного полей. Электрогенератор. Устройство и работа электродвигателя. Свойства электромагнитных волн. История изучения и свойства электромагнитных волн. Волновые и квантовые свойства света. Квантовые постулаты Бора. 260 Толковый словарь терминов Адроны — элементарные частицы, участвующие в сильных взаи модействиях и состоящие из кварков. Анатомия — наука о строении человеческого тела. Античастица — квантовая частица, заряд которой по знаку противоположен заряду соответствующей частицы. Атом — мельчайшая структурная частица вещества. Бактерии — микроскопические одноклеточные организмы, не им<*-ющие ядра, прокариоты. Барионы — элементарные частицы с полуцелым спином, состоя щие из трех кварков. Биология — наука о живых объектах. Биосфера — оболочка Земли с живыми объектами. Бозон — квантовая частица с нулевым или целочисленным спином. Валентность — число ковалентных связей атома химического эл<;-мента, характеризующее возможность атомов вступать в химические соединения с определенным числом других атомов. Векторные бозоны — фундаментальные частицы — переносчики слабых и электромагнитных взаимодействий. Величина — количественная характеристика природного объекта или явления. Вещество — один из двух видов материи. Вещество простое — совокупность химически связанных атомов одного вида. Вещество сложное — совокупность химически связанных атомов разных видов. Взаимодействие — взаимное влияние объектов друг на друга, изменяющее их состояние. Взаимодействие вандерваальсовское — взаимодействие атомов или молекул вещества за счет дипольного механизма. 261 Толковый словарь терминов Взаимодействие гравитационное — взаимодействие между телами, обладающими массой. Взаимодействие сильное — взаимодействие между объектами, обладающими сильным (цветовым) зарядом. Взаимодействие слабое — взаимодействие между объектами со слабым зарядом. Взаимодействие ф^щцаментальное — взаимодействие, относящееся к одному из фундаментальных взаимодействий. Взаимодействие электромагнитное — взаимодействие между объектами с электрическим зарядом. Вид биологический — организмы, имеющие общее происхождение и способные при скрещивании давать плодовитое потомство. Вирус — представитель неклеточной формы жизни, способный проникать и размножаться внутри клетки. Вкус — способность воспринимать вкусовые свойства пищи. Водоросли — низшие одноклеточные или многоклеточные растения. Волна — процесс распространения колебаний в пространстве и во времени. Волна де Бройля — процесс распространения волны вероятности в пространстве и во времени. Восприятие — способность организма формировать устойчивые образы окружающих объектов. Время — форма существования материи; совокупность величин, характеризующих последовательность событий. Вселенная — совокупность всех известных астрономических o6i»-ектов. Галактика — астрономический объект из множества (сотен миллиардов) звезд с общим центром притяжения. Геология — наука о литосфере Земли. Гипотеза — предположение о причинах наблюдаемого явления. Дихотомия — метод классификации по двум взаимно исключающим признакам. Закон постоянства состава химического вещества — утверждение о независимости состава химического вещества от способа его получения. Заряд барионный — характеристика квантовых частиц, других вещественных объектов, выражающая их участие в сильном взаимодействии. Заряд гравитационный — характеристика вещественных объектов, выражающая их участие в гравитационном взаимодействии. Толковый словарь тормииов Заряд лептонный — характеристика квантовых частиц (лоитонои), выражающая их участие в слабом взаимодействии. Заряд электрический — характеристика квантовых частиц и Д1>у-гих вещественных объектов, выражающая их участие в эл(м<-тромагнитном взаимодействии. Звезда — астрономический объект, самосветящийся за счет ядер ных реакций синтеза, протекающих в его объеме в условиях гравитационного сжатия. Зрение — способность воспринимать электромагнитное излучение видимого спектра. Квант света — то же, что фотон. Кварки — фундаментальные частицы с дробным электрическим зарядом, составляющие элементарных частиц: мезонов и барио-нов. Классификация — метод объединения объектов по определенным признакам. Клетка биологическая — элементарная составляющая живого об'ь-екта. Клетки светочувствительные — зрительные рецепторы. Корпускулярно-волновой дуализм — двойственный характ(?[) свойств квантовых частиц, которые в одних случаях проявляют волновые, в других — корпускулярные свойства. Лептоны — один из видов фундаментальных частиц с полу целым спином, участвующих в слабом взаимодействии. Макромир — совокупность объектов размером порядка 10 -10 м. Макромолекулы — молекулы с относительными атомными массами порядка 10^-10®. Макротела — тела размером порядка 10 -10 м. Масса — мера инертности и гравитационного взаимодействия тела. Материя — философская категория для обозначения объективно существующего мира, данного нам в ощущениях. Мегамир — мир тел размерами порядка 10®-10^®м. 26 М. ИЛИ нулевым спином, Мегатела— тела размерами порядка 10 -10 Мезон — элементарная частица с целым состоящая из кварка и антикварка. Микромир — мир тел размерами 10-10 м. Микротела — тела размерами Ю'^-Ю^^м. Модель — идеализированное описание или предметное воплощение объекта. Мозг — составная часть нервной системы животного. 263 Толковый словарь терминов Молекула — мельчайшая частица вещества, обладающая всеми химическими свойствами этого вещества. Молекулы неорганические — мельчайшие составляющие неорганических веществ. Молекулы органические — мельчайшие составляющие органических веществ. Наблюдение — одна из составляющих научного метода. Натурфилософия — один из методов познания природы, основанный на умозрительных положениях. Научный метод — один из методов познания природы, основанный на экспериментальных методах исследования, характеризуется высокой эффективностью результатов исследования. Нуклид — ядро атома, частица, составленная из нуклонов. Нуклон — элементарная частица, составляющая ядра атомов. Обоняние — одно из чувств человека и животных. Способность различать вещества по запаху. Объекты живые — природные объекты, способные к размножению, обмену веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Объекты неживые — природные объекты, не имеющие признаков живых объектов. Объекты природы — составляющие природы, характеризующиеся! определенными свойствами, доступные наблюдению и изучению человеком. Опыт Резерфорда — эксперимент, результатом которого явилось открытие ядра атома. Орбиталь атомная — волновая функция электрона в атоме без учета его спина. Орбиталь гибридизированная — волновая функция электрона в атоме, представляющая суперпозицию волновых функций отдельных состояний. Орбиталь молекулярная — волновая функция электрона в молекуле. Орбиталь разрыхляющая — волновая функция электрона в молекуле, соответствующая неустойчивому состоянию молекулы. Орбиталь связывающая — волновая функция электрона в молекуле, соответствующая устойчивому состоянию с минимальной энергией. Орган биологический — часть организма с определенной функцией и строением. Организм биологический — объект, обладающий всеми свойствами жизни. 264 Толковый словарь гсрмииов Осязание — одно из чувств человека. Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева - закон, устанавливающий связь между зарядовым числом атома и свойствами химических элементов. Планета — астрономический объект, спутник звезды. Поле гравитационное — переносчик гравитационного взаимодействия между телами. Поле квантовое — полевой объект, квантами которого служап' квантовые частицы. Поле магнитное — переносчик магнитного взаимодействия. Поле физическое — один из видов материи, характеризующийся непрерывным распределением в пространстве и времени. Поле электрическое — переносчик электрического взаимодействия. Поле электромагнитное — один из видов материи, проявляющий себя в электромагнитном взаимодействии. Политомия — классификация по нескольким признакам (большим трех). Популяция — совокупность особей одного вида, способная к самовоспроизведению, относительно изолированная в пространстве и времени от других совокупностей того же вида. Принцип Паули — положение о том, что в одном квантовом состоянии может находиться только один фермион. Принцип суперпозиции — положение о независимости результатов взаимодействия объекта с внешними телами от наличия других взаимодействий или независимости отдельных состояний объекта. Принципы заполнения электронных состояний в атоме — положения, определяющие порядок расположения электронов в атомах химических элементов. Принципы термодинамики — совокупность положений, выражающих основные свойства тел при обмене энергией и в состоянии теплового равновесия. Известно четыре принципа термодинамики. Пространство — совокупность величин, характеризующих взаимное расположение объектов. Форма существования объектов. Реакция деления ядер — реакция деления тяжелых ядер на более легкие ядра и частицы с выделением большого количества энергии. Реакция химическая — взаимодействие между химическими веществами. Реакция экзотермическая — взаимодействие между объектами с выделением теплоты. Толковый словарь терминов Реакция эндотермическая — взаимодействие между объектами с поглощением теплоты. Реакция ядерная — превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами или друг с другом. Свет — электромагнитные волны, доступные человеческому восприятию. Скопление галактик — совокупность галактик, образующих систему за счет взаимного притяжения. Слух — способность животных воспринимать звуковые колебания. Одно из чувств человека. Соотношения де Бройля — соотношения, устанавливающие количественную связь между волновыми и корпускулярными свойствами квантовых частиц. Соотношения неопределенностей Гейзенберга — соотношения, выражающие волновые свойства квантовых частиц. Состав химический — совокупность химических элементов в составе вещества, молекул вещества. Состояние объекта — индивидуальная характеристика объекта, выражающая его отношения с другими объектами через совокупность существенных признаков, доступных наблюдению и измерению. Спин — собственный момент импульса квантовой частицы. Спин-орбиталь — волновая функция электрона в атоме. Ткань биологическая — составляющая органа. Трихотомия — классификация по трем признакам. Туннельный микроскоп — микроскоп с использованием туннельного эффекта. Туннельный эффект — явление просачивания квантовых частиц через потенциальный барьер. Физика — наука о самых простых и вместе с тем самых фундаментальных объектах и законах природы. Фотон — квант электромагнитного поля. Фундаментальные частицы — бесструктурные квантовые частицы. Фермион — квантовая частица с полуцелым спином. Химия — наука о веществах и их превращениях. Частица — объект, размер и форму которого можно не учитывать при описании его состояния. Черная дыра — астрономический объект с характерными размерами и массой, обеспечивающими такое сильное гравитационное притяжение к его поверхности, что даже свет не может его преодолеть. 266 Толковый словарь терминов Эволюция — процесс постепенного изменения природных объектов во времени. Экосистема — природный комплекс из организмов и среды их обитания. Эксперимент — исследование с определенной познавательной целью. Элемент химический — совокупность изолированных атомов одного вида. Элементарные частицы — адроны: барионы и мезоны. Энергия — мера движения и взаимодействия. Энергия взаимодействия — энергия, величина которой зависит от расположения взаимодействующих тел. Энергия внутренняя — энергия покоящегося тела, не взаимодействующего с другими телами. Энергия ионизации — энергия, необходимая для удаления электрона из атома. Энергия механическая — сумма кинетической и потенциальной энергий тела. 267 Именной указатель Авогадро А. 139 Ампер А. 202, 215 Анаксимен 12 Ангстрем А. 97 Аристарх Самосский 14 Аристотель 12 Аррениус С. 151 Архимед 13 Арцимович Л. А, 94 Герц Г. 215, 238 Гершель В. 215 Герцшпрунг Э. 176 Гильберт У. 202 Гиппарх 13 Глаголева-Аркадьева А. А. 215 Гримальди Ф. 233 Гудьир Дж. 127 Гук Р. 45 Бальмер И. 238 Басов Н. Г. 248 Беккерель А. 88 Биннинг Г. 85 Бозе Дж. 69 Больцман Л. 163 Бор Н. 100, 238 Де Бройль Л. 79 Бруно Дж. 43 Дарвин Ч. 38 Девиссон К. 79 Декарт Р. 11 Демокрит 13 Джермер Л. 79 Джоуль Дж. П. 200 Доплер X. 235 Евклид 13 Вавилов С. И, 220 Ван ден Брук А. 114 Ван дер Ваальс И. 134 Гагарин Ю. А. 175 Гайтлер В. 109 Галилей Г. 11, 14, 43 Гейзенберг В. 80 Гелл-Манн М, 67 Гераклит 12 Зворыкин В. К. 227 Кар Лукреций 13 Клаузиус Р. 163 Кнолль М. 45, 82 Колумб X. 14, 127 Коперник Н. 14 Крик Ф. 131 Кулон Ш. 194 Кюри П. 88 268 Именной указатель Лавуазье А. 14 Лебедев П. Н. 215 Ленард Ф. 238 Ленц Э. X. 200, 209 Ломоносов М. В, 15 Лондон Ф. 109 Максвелл Дж, 210 Мейман Т. Г. 249 Менделеев Д. И. 113, 179 Милликен Р. 192 Мозли Г. 114 Ньютон И. 14, 182, 188, 231 Ом Г. 199 Паули В. 101 Перрен Ж. 65 Пифагор 13 Планк М. 79, 100 Полинг Л. 106 Попов А. С. 224 Прохоров А. М. 248 Птолемей 13 Резерфорд Э. 65, 97 Рентген К. 216 Розинг Б. Л. 227 Рорер Г. 85 Руска Э. 45, 82 Склодовская-Кюри М. 89 Столетов А. Г. 238 Таунс Ч. 248 Томанага С. 251 Томсон Д. П. 79 Уотсон Дж. Д. 131 Фалес Милетский 12 Фарадей М, 195, 208 Фейнман Р. 251 Ферми Э. 98 Хаббл Э. 236 Хунд Ф. 106 Хьюиш Э. 45 Циолковский к. Э. 188 Швингер Ю. 251 Эдисон Т. А, 77 Эйнштейн А. 70, 238, 239 Эмпедокл 12 Эрстед Г. X- 202 Юнг Т. 233 Якоби Б. С. 221 2G0 предметный указатель Адроны 35 Анатомия 49 Античастица 75 Атом 35 Бактерии 36 Барионы 74 Белые карлики 176 Биология 49 Биосфера 37 Валентность 110 Величина 46 Вещества искусственные 142 неорганические 142, 147 органические 142, 147 природные 142 Вещество простое 142 сложное 142 Взаимодействие вандерваальсовское 111, 134 гравитационное 19 сильное 19 слабое 20 фундаментальное 19 электромагнитное 19 Вид биологический 36, 37 Вирус 36 Вкус 28 Водоросли 37 Волна де Бройля 80 Волокно химическое 128 Восприятие 27,39 Вселенная 177 Галактика 176, 177 Гамма-излучение 216 Геология 49 Гипотеза 46 Дифракция 78 Дихотомия 18 Закон всемирного тяготения 182 Ома 199 периодический химических элементов Менделеева 113 постоянства состава химического вещества 63 Заряд электрический 68, 191 Звезда 175 Зрение 27 Излучение вынужденное 244 инфракрасное 215 оптическое 215 рентгеновское 216 спонтанное 244 ультрафиолетовое 215 Измерение 46 Изобары 87 270 Продмотиый укпэатсль Изотоны 87 Изотопы 87 Кварки 34, 67 Классификация 18, 40 Клетка биологическая 36 Корпускулярно-волновой дуализм 79 Космогония 175 Космология 177 Красные гиганты 176 Лептоны 34, 67 Линии магнитной индукции 203 Липиды 155 Индукция магнитоэлектрическая 210 электромагнитная 208, 209 Интерференция 78 Макромир 18 Макромолекулы 125 Макротела 18 Материя 7 Мегамир 18 Мегатела 18 Мезон 74 Микромир 18 Микроорганизмы 36 Микроскоп туннельный 84 электронный 82 Микротела 18 Млечный Путь 176 Модель 46 Мозг 27-29 Молекула 35, 116 Молекулы неорганические 121 органические 121 Моль 140 11ибл1<)Д(Ч1ия 44 Научный метод 37, 43 Начало термодинамики второе 163 первое 162 Нуклеиновые кислоты 155 Нуклиды 34 Нуклон 34, 74 Обоняние 28 Объекты живые 33 неживые 33 природные 10 Опыт Резерфорда 97 Фарадея 208 Юнга 233 Орбиталь атомная 102 гибридизированная 106 молекулярная 117 разрыхляющая 117 связывающая 117 Осязание 28 Планета 175 Поле гравитационное 184 квантовое 250 магнитное 201-202 электрическое 194 электромагнитное 212 Политомия 18 Популяция 36 Принцип близкодействия 196 Паули 101, 105 суперпозиции 184, 196, 203 Принципы заполнения электронных состояний в атоме 104-105 термодинамики 162, 163 Прокариоты 36 271 Предметный указатель Радиоактивность 88 Реакция деления ядер 91 химическая 150 экзотермическая 91, 150 эндотермическая 91, 150 ядерная 91 Свет 215 Световой год 176 Сила Ампера 205 реактивная 188 тока 198 Слух 28 Соотношения де Бройля 79 неопределенностей Гейзенберга 80 Состояние объекта 17 Спин 69 Спин-орбиталь 102 Теплота, количество 162 Ток электрический 197 Трихотомия 18 Углеводы 155 Ферменты 155 Физика 49 Фотон 28, 34, 100, 238 Фотоэффект 238 Химия 49 Частицы фундаментальные 34, 67 элементарные 74 Черная дыра 176 Эволюция 38 Экзопланеты 176 Экосистема 36 Эксперимент 46 Электронная конфигурация 102 оболочка 102 формула 102 Энергия взаимодействия 20 внутренняя 20 ионизации 103 потенциальная 20 Эукариоты 37 Эффект Доплера 235 туннельный 83 Ядра зеркальные 97 Ядро атома 87