• Для заочного отделения
• 2 лекция
• Основанными направлениями развития неклассической науки стали эволюционная теория, термодинамика и концепция электромагнетизма.
Теория эволюции: Жорж Бюффон, Жан Ламарк, Чарльз Дарвин и др.
• Изменение условий окружающей среды способствует изменению видов
• Эволюция как «борьба за существование» и естественный отбор (в отличие от искусственного, направляемого человеком)
• В этой естественной изменчивости и конкуренции формируется приспособление к окружающей среде, которое, закрепляясь в наследственности, дает основу многообразию видов живого
• Термодинамика
• Бенджамин Томсон (Румфорд) и Гемфри Дэви, Рудольф Эмануэль (Клаузиус) и Уильямом Томсон (Кельвин)
• 1 начало термодинамики – закон сохранения энергии для термодинамических процессов: внутренняя энергия системы складывается из теплоты и работы, преобразующей систему.
• 2 начало термодинамики: теплота естественно передается лишь от горячего тела к холодному (необратимое рассеивание энергии (энтропия) растет).
• 3 начало термодинамики: нулевая энтропия системы при абсолютном нуле температуры(всякий процесс разогревает систему, а потому она не может достичь абсолютного нуля температуры). Время принципиально необратимо («стрела времени»).
• Электромагнетизм
• Ганс Эрстед, Андре Ампер, Джеймс Максвелл.
• Существует не только материальные тела, сложенные частицами вещества, но и поля (предполагается, что электрическое и магнитное поля объединяются в электромагнитное). Поскольку считается, что поля играют большую роль в универсуме, чем частицы вещества, то и мир стал пониматься не как дискретный, но как единая непрерывная система электрических полей и волн
• Важнейшими свойствами при этом предстают положительный или отрицательный заряд, напряженность поля и конечная скорость распространения волн
• Свет понимается как волна
Важнейшими фундаментальными программами современного естествознания предстают теория относительности, квантовая механика и синергетика.
В первой половине ХХ в. Альберт Эйнштейн разработал вначале специальную теорию относительности, а затем и общую теорию относительности. Специальная ТО: Если скорость света постоянна (независима от скорости движения источника), но все законы природы одинаково соблюдаются везде, то пространство и время представляют собой единый четырехмерный континуум, однородный, но изменяющийся в зависимости от скорости системы (релятивистские эффекты при приближении к скорости света: замедление времени и сжатие пространства). Общая ТО: все физические законы – свойства четырехмерного континуума пространства-времени, поля тяготения – искривления этого континуума под влиянием распределения энергий в системе. Эквавалентность энергии и массы системы (Е=МС2)
• Планк, Эйнштейн, Шредингер, Бор
• Явления микромира не могут быть корректно описаны по законам классической механики и электродинамики, а потому они требуют развития новой теории. Энергия излучается и поглощается дискретно, неделимыми порциями (квантами) и пропорциональна частоте волны. Свет – волна со свойством частицы.
• Принципы: корпускулярно-волновой дуализм (в определенных случаях частицы ведут себя как волны, а волны – как частицы, точное определение одного класса величин системы оборачивается неопределенностью другого их класса), принцип дополнительности (несмотря на их противоречие, оба класса величин равно необходимы для описания системы), вероятностная (статистическая) детерминация, принцип наблюдателя (наблюдение всегда изменяет состояние системы).
• Синергетика
• Герман Хакен и Илья Пригожин. Синергетическая система характеризуется самоорагнизацией, открытостью (получение извне вещества, энергии или информации) и тем, что на внешние воздействия эта система может реагировать непропорционально с учетом ее противостояния им.
• Самоорганизующаяся система без всякого воздействия извне обретает усложненную упорядоченную структуру. Самоорганизация осуществляется поступательно начиная с устойчивого состояния, в котором накапливаются мелкие возмущения системы (флуктуации), что приводит к неустойчивому критическому состоянию, точке выбора (бифуркации) одного из возможных путей развития под влиянием случайных малых возмущений (флуктуаций), вследствие чего возникает новое более сложное устойчивое состояние, из которого система не может вернуться в прежнее (необратимость). Самоорганизующаяся система сама выбирает из множества процессов, протекающих в ней, важнейшие для определения новых параметров порядка, придавая прочим флуктуациям подчиненное значение. Эффект совместного действия не сводим к следствиям отдельных действий. Самоорганизация редко описываема через линейную последовательность, чаще подразумевая веерное развитие, предполагать вероятность выбора одного из вариантов развития.
• Синергетика создала основу для нового синтеза естествознания с гуманитарными науками
• Основные принципы современного ез
• Принцип соответствия: новая теория включает в себя предшествующую как частный (предельный) случай специальная теория относительности в пределе малых скоростей переходит в ньютоновскую физику, а общая теория относительности в случае малых значений гравитационного потенциала сводится к специальной
• Принцип наблюдателя: наблюдатель (в том числе автоматизированная измерительная система) всегда оказывает то или иное влияние на наблюдаемое, а потому образ исследуемого объекта включает характеристики проведенного наблюдения, теория описывает не сам объект, а способ его данности наблюдателю с учетом уровня развития его познания
• Антропный принцип: признание необходимой связи между наблюдаемыми фундаментальными свойствами мира в целом и существованием в нем наблюдателя (в нашем случае – человека). Слабый АП: наблюдатель (человек), поскольку он существует, обладает привилегированным положением в мире. Сильный АП утверждает, что Вселенная такова, что в ней должен был возникнуть наблюдатель (человек).
• Принцип глобального эволюционизма: не только развитие живого, но и развитие неживой природы – процесс эволюционный. Фактически все развитие мира от его изначального до современного состояния – единая эволюция, которая, правда, имеет особую специфику на разных своих этапах механическое перенесение концептов наиболее разработанной картины биологической эволюции на другие этапы неправомочно
• Основные черты картины мира
• Мир дан нам в границах нашего познания и существования, при этом теоретически он может выходить за пределы этих границ (концепция параллельных Вселенных).
• Движение в микро-, макро- и мегамире описывается разными законами
• Пространство и время считаются единым четырехмерным континуумом, определяясь состоянием системы
• Пространство и время являются характеристиками Вселенной, то вместе с ней они и возникают и развиваются
• Вероятностный характер закономерностей и процессов требует использования статистических, а не динамических законов
• Развитие рассматривается как необратимый, нелинейный и неравновесный процесс самоорганизации незамкнутых систем
• Развитие Вселенной мыслится как сложный эволюционный процесс от первоначальной сингулярности до развитых форм человеческого общества
• К исследованию мира неприложимы классические принципы редукционизма и строгого детерминизма
• Мир состоит из микрообъектов, противоречиво постигаемых наблюдателем как волны и частицы. Несмотря на то, что изучение волновых свойств микрообъектов мешает регистрации корпускулярных значений и наоборот, они постижимы только с учетом дополнительности этих описаний и учетом воздействия наблюдателя. Полное описание микрообъектов невозможно, но даже если бы оно было осуществимо, то оно не давало универсальной основы для описания мира, поскольку более сложные системы невозможно редуцировать к ним. Фундаментальными взаимодействиями во Вселенной являются гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое
• Вселенная часто понимается как доступный для наблюдения нами мир (Метагалактика). Вселенная – всеобъемлющая материальная система всего сущего.
• Материя – объективно существующая реальность, предстающая в формах вещества и поля, а также в пока не идентифицированном образе темной материи и темной энергии.
• Вещество как форма материи, обладающая массой покоя, структурировано на микро-, макро- и мегамир.
• Основными подструктурами микромира являются субатомный (элементарных частиц), атомный и молекулярный (иногда также макромолекулярный) уровни.
• Макромир – сфера жизни человека, характеризующаяся соразмерными ему масштабами и специфическим устройством биологического вещества. Важнейшими биологическими подструктурами макромира являются клеточный, организменный, популяционный, биогеоценотический и биосферный уровни. Для человека часть из них специфичны как индивидуальный, групповой, социально-экологический и ноосферный. Самое общее проявление макромира – планетарные сферы, куда помимо биосферы и ноосферы входят атмосфера, гидросфера и литосфера. Мегамир подразделяется на уровни небесных тел (наиболее важными являются планеты и звезды), планетарных и звездных систем, галактик. Предел познания вещественной организации мира – Метагалактика (наблюдаемая часть Вселенной).
• органицизм, представление об органическом происхождении (рождение) мира как живого существа
• креационизмом, представлением, что мир сотворен божественными силами
• Концепция абсолютности (стационарности) мира: Вселенная существовала всегда, оставаясь в целом неизменной или периодически меняя определенные свои характеристики
• Теория Большого взрыва (современная наука): Вселенная начала быстро развиваться («взорвалась») из конечного (точечного) объема
• Элементарные частицы квалифицируются как целостные мельчайшие (субатомные) части вещества. Некоторые элементарные частицы (как электрон или фотон) считаются бесструктурными, неразложимыми на более мелкие частицы, другие обладают внутренней структурой (например, протон и нейтрон состоят из кварков). В определенных условиях элементарные частицы могут превращаться друг в друга или излучать друг друга, почти все элементарные частицы (помимо нейтральных) имеют античастицы, при встрече с которыми они аннигилируют (исчезают).
• Важнейшими свойствами частиц предстают электрический заряд, время жизни, масса, спин, возможность взаимодействия, существуют также дополнительные особые для частиц характеристики.
• По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы (электрон, протон, фотон и нейтрино) характеризуются длительным временем существования, нестабильные (большинство элементарных частиц) характеризуются малым временем жизни. Нейтрон имеет промежуточный статус, поскольку в ядре атома он характеризуется стабильностью, а в свободном состоянии – быстро распадается.
• Фермионы – основные строительные блоки материи, делятся также на элементарные (кварки и лептоны) и составные (протоны, нейтроны и пр.).
• Элементарные частицы характеризуются разной массой покоя – от нулевой (фотон) и сверхлегкой (электрон) до сверхтяжелых W- и Z-бозонов. Спин – имеющий квантовую природу собственный момент импульса элементарных частиц, не связанный с перемещением частицы как целого. При нулевом спине частица при любом повороте выглядит одинаково, частицы со спином 1 (например, фотон) принимают тот же вид после полного оборота, частица со спином 2 (предположительно гравитон) – через пол-оборота, а частица со спином ½ (протон, нейтрон и электрон) – после двух оборотов. Имеющие целый спин (0, 1, 2) элементарные частицы называются бозонами (калибровочные бозоны и составные мезоны), имеющие полу-целый (½,3/2) – фермионы.
• Поскольку в микромире известны четыре вида взаимодействий (сильное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитационное), то по способности к ним элементарные частицы делятся на классы адронов (и составляющих их кварков), вступающих во все взаимодействия, и лептонов, не вступающих в сильное взаимодействие. В смысле взаимодействия важны также калибровочные бозоны, передающие взаимодействия (фотон переносит электромагнитное взаимодействие, глюоны – сильное, W- и Z-бозоны – слабое; гипотетически предполагается гравитон, передающий гравитационное взаимодействие), но при этом зачастую и сами вступающие в них. Существует также предположение о наличии других бозонов, обеспечивающих другие взаимодействия (Y- и Х-бозоны) или массу элементарных частиц (бозон Хиггса)
• Лептоны несоставные, имеющие полу-целый спин (½) и не вступающие в сильное взаимодействие (электрон, мюон и нейтрино, а также их античастицы).
• Число адронов, составных частиц, вступающих во все взаимодействия, исчисляется сотнями. Помимо нейтрона и протона адроны являются нестабильными, причем большинство из них – резонансы, которые распадаются столь быстро, что их практически невозможно зафиксировать. По своей составу адроны делятся на барионы (состоят из трех кварков) и мезоны (включают в себя пару (или пары) кварк-антикварк). Наиболее важными барионами являются протоны и нейтроны, формирующие ядра атомов и составляющие большую часть видимой материи во Вселенной
• атом стал пониматься как мельчайшая частица химического элемента, носящая его свойства
• Атом сегодня предстает как не имеющая отчетливой внешней границы система, в центре которой – массивное ядро, состоящее из нуклонов (положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов), а на периферии – распределенные по определенным орбитам незначительные по массе отрицательно заряженные электроны. Если число протонов и электронов одинаково, то атом электрически нейтрален, если – неодинаково, то атом называется ионом и характеризуется положительным или отрицательным зарядом. Электроны в атоме могут занимать лишь дискретный набор разрешенных энергетических уровней
• Различаются изотопы со стабильными и нестабильными ядрами. Изотопы с нестабильными ядрами описываются как радиоактивные, самопроизвольно распадающиеся с испусканием частиц или электромагнитного излучения. Помимо естественной радиоактивности существует также и искусственная, запускаемая направляемыми человеком ядерными реакциями.
Основные типы радиоактивного распада:
• В альфа-распаде атом испускает альфа-частицу (ядро атома гелия), в силу чего атомный номер уменьшается на две единицы (из исходного элемента образуется дочерний элемент, на две клетки ближе к началу таблицы Мендделеева).
• Бета-распад в основном подразумевает излучение бета-частицы (электрона или позитрона) под влиянием слабого взаимодействия (изменение кварка превращает протон в нейтрон и наоборот)
• Гамма-излучение (изомерный переход), часто сопровождающее другие формы распада, подразумевает испускание гамма-квантов электромагнитного излучения и переход ядра в состояние с более низкой энергией.
• Классификация атомов как химических элементов была важнейшей задачей развития химии, блестящее разрешение которой предложил Дмитрий Иванович Менделеев в Периодической системе элементов.
• Сегодня химический элемент определяется как вид атомов с определенным положительным зарядом ядра и соответственным числом протонов, определяющим его порядковый (атомный) номер в таблице Менделеева.
• Наиболее часто встречающимися в природе элементами являются водород и гелий, на земле преобладают водород, кислород и кремний.
• Ряд элементов проявляются в виде разных, отличающихся по строению и свойствам простых веществ (аллотропия, например, проявляющаяся в разных кристаллических формах углерода – графите, алмазе, фуллерене и пр.)). В аллотропии проявляется свойство атомов включаться в более сложные системы – молекулы.
• молекулой принято называть состоящую хотя бы из двух атомов самостоятельную мельчайшую стабильную частицу химического вещества, имеющую все его свойства
• Сложнейшие представители молекулярного уровня – макромолекулы – включают себя тысячи атомов разных химических элементов
• Важным свойством молекул является молекулярная масса, определяющаяся суммой масс всех атомов, входящих в молекулу. Молекула также характеризуется постоянным количественным и качественным составом
• Особой разновидностью молекул (и атомов) являются свободные радикалы, имеющие на внешней оболочке неспаренный (одиночный) электрон, что предопределяет парамагнитные свойства и способно усиливать реакционные возможности радикалов.
• Важным для определения молекулы служит определенный набор состояний, которые она принимает или может принимать, переходя от состояния к состоянию самопроизвольно или под влиянием внешних сил. Каждое состояние молекулы характеризуется конкретными свойствами, в определенной мере характеризующими вещество, складываемое молекулами. При любой химической реакции молекулы структурно изменяются, причем видоизменяется не только порядок связи атомов, но – зачастую и их число
• В отличие от простых веществ, состоящих из атомов одного вида, сложные вещества, состоящие из разных химических элементов, чаще всего складываются как раз из молекул.
• Соединения – вещества, состоящие из одинаковых молекул, каждая из которых состоит из разных атомов. Как таковые соединения обладают постоянными физическими свойствами. В особый класс выделяются органические соединения, включающие в свой состав углерод (помимо карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов).
• Соединения также характеризуются как чистые вещества, в отличие от смесей – веществ, состоящих из разнотипных молекул. Поскольку чистые вещества в природе встречаются редко, то они получаются из смесей посредством различных методов. Различаются смеси однородные (в состав входят частицы очень малых размеров, напр, воздух) и неоднородные (напр, мутная вода, кровь, почва). Однородные смеси также характеризуются как растворы, которые в зависимости от состояния могут быть жидкими, газообразными и твердыми. В растворе обычно выделяются растворимое вещество и растворитель – компонент, агрегатное состояние которого не меняется при образовании раствора (либо просто преобладающий компонент). Важным показателем для ряда химических процессов с растворами служит водородный показатель (кислотность среды), мера активности ионов водорода в растворе.
• Химические реакции в целом выявляют собственно химические свойства вещества. В ходе этих реакций из исходного вещества или смеси веществ (реагентов) образуются новые вещества (продукты реакции), при этом в атомах изменяется электронные оболочки, но не ядро атома (новые химические элементы не образуются). Важнейшим признаком химической реакции является исчезновение одних веществ и образование других. Сопутствующими признаками являются образование осадка, изменение цвета, изменение запаха, выделение газа и выделением или поглощением теплоты. Важнейшим условием многих химических реакций является наличие катализатора, – химического вещества, ускоряющего реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции, а потому количественно в результате реакции не изменяющееся.
• Химические реакции классифицируются по изменению степени окисления, по тепловому эффекту, по обратимости, по типу изменения реагирующих веществ и др.
• По изменению степени окисления выделяются окислительно-восстановительные реакции (одно вещество (окислитель) понижает степень окисления, за счет чего другое (восстановитель) – повышает, например, горение водорода (восстановитель) в кислороде (окислитель) с образованием воды) и не окислительно-восстановительные реакции (реакции без изменения окисления).
• По тепловому эффекту различаются экзотермические (с выделением тепла) и эндотермические (поглощение тепла) реакции.
• По обратимости классифицируют необратимые и обратимые реакции.
• По типу изменения реагирующих веществ выделяют реакции разложения (из одного вещества образуются несколько новых), соединения (из нескольких веществ образуется одно) и реакции образования нескольких новых веществ из нескольких реагентов (замещение и обмен).
• По составу реагентов различают гомогенные (реакционная смесь однородна) и гетерогенные (реакционная смесь неоднородна).
• 2 лекция
• Основанными направлениями развития неклассической науки стали эволюционная теория, термодинамика и концепция электромагнетизма.
Теория эволюции: Жорж Бюффон, Жан Ламарк, Чарльз Дарвин и др.
• Изменение условий окружающей среды способствует изменению видов
• Эволюция как «борьба за существование» и естественный отбор (в отличие от искусственного, направляемого человеком)
• В этой естественной изменчивости и конкуренции формируется приспособление к окружающей среде, которое, закрепляясь в наследственности, дает основу многообразию видов живого
• Термодинамика
• Бенджамин Томсон (Румфорд) и Гемфри Дэви, Рудольф Эмануэль (Клаузиус) и Уильямом Томсон (Кельвин)
• 1 начало термодинамики – закон сохранения энергии для термодинамических процессов: внутренняя энергия системы складывается из теплоты и работы, преобразующей систему.
• 2 начало термодинамики: теплота естественно передается лишь от горячего тела к холодному (необратимое рассеивание энергии (энтропия) растет).
• 3 начало термодинамики: нулевая энтропия системы при абсолютном нуле температуры(всякий процесс разогревает систему, а потому она не может достичь абсолютного нуля температуры). Время принципиально необратимо («стрела времени»).
• Электромагнетизм
• Ганс Эрстед, Андре Ампер, Джеймс Максвелл.
• Существует не только материальные тела, сложенные частицами вещества, но и поля (предполагается, что электрическое и магнитное поля объединяются в электромагнитное). Поскольку считается, что поля играют большую роль в универсуме, чем частицы вещества, то и мир стал пониматься не как дискретный, но как единая непрерывная система электрических полей и волн
• Важнейшими свойствами при этом предстают положительный или отрицательный заряд, напряженность поля и конечная скорость распространения волн
• Свет понимается как волна
Важнейшими фундаментальными программами современного естествознания предстают теория относительности, квантовая механика и синергетика.
В первой половине ХХ в. Альберт Эйнштейн разработал вначале специальную теорию относительности, а затем и общую теорию относительности. Специальная ТО: Если скорость света постоянна (независима от скорости движения источника), но все законы природы одинаково соблюдаются везде, то пространство и время представляют собой единый четырехмерный континуум, однородный, но изменяющийся в зависимости от скорости системы (релятивистские эффекты при приближении к скорости света: замедление времени и сжатие пространства). Общая ТО: все физические законы – свойства четырехмерного континуума пространства-времени, поля тяготения – искривления этого континуума под влиянием распределения энергий в системе. Эквавалентность энергии и массы системы (Е=МС2)
• Планк, Эйнштейн, Шредингер, Бор
• Явления микромира не могут быть корректно описаны по законам классической механики и электродинамики, а потому они требуют развития новой теории. Энергия излучается и поглощается дискретно, неделимыми порциями (квантами) и пропорциональна частоте волны. Свет – волна со свойством частицы.
• Принципы: корпускулярно-волновой дуализм (в определенных случаях частицы ведут себя как волны, а волны – как частицы, точное определение одного класса величин системы оборачивается неопределенностью другого их класса), принцип дополнительности (несмотря на их противоречие, оба класса величин равно необходимы для описания системы), вероятностная (статистическая) детерминация, принцип наблюдателя (наблюдение всегда изменяет состояние системы).
• Синергетика
• Герман Хакен и Илья Пригожин. Синергетическая система характеризуется самоорагнизацией, открытостью (получение извне вещества, энергии или информации) и тем, что на внешние воздействия эта система может реагировать непропорционально с учетом ее противостояния им.
• Самоорганизующаяся система без всякого воздействия извне обретает усложненную упорядоченную структуру. Самоорганизация осуществляется поступательно начиная с устойчивого состояния, в котором накапливаются мелкие возмущения системы (флуктуации), что приводит к неустойчивому критическому состоянию, точке выбора (бифуркации) одного из возможных путей развития под влиянием случайных малых возмущений (флуктуаций), вследствие чего возникает новое более сложное устойчивое состояние, из которого система не может вернуться в прежнее (необратимость). Самоорганизующаяся система сама выбирает из множества процессов, протекающих в ней, важнейшие для определения новых параметров порядка, придавая прочим флуктуациям подчиненное значение. Эффект совместного действия не сводим к следствиям отдельных действий. Самоорганизация редко описываема через линейную последовательность, чаще подразумевая веерное развитие, предполагать вероятность выбора одного из вариантов развития.
• Синергетика создала основу для нового синтеза естествознания с гуманитарными науками
• Основные принципы современного ез
• Принцип соответствия: новая теория включает в себя предшествующую как частный (предельный) случай специальная теория относительности в пределе малых скоростей переходит в ньютоновскую физику, а общая теория относительности в случае малых значений гравитационного потенциала сводится к специальной
• Принцип наблюдателя: наблюдатель (в том числе автоматизированная измерительная система) всегда оказывает то или иное влияние на наблюдаемое, а потому образ исследуемого объекта включает характеристики проведенного наблюдения, теория описывает не сам объект, а способ его данности наблюдателю с учетом уровня развития его познания
• Антропный принцип: признание необходимой связи между наблюдаемыми фундаментальными свойствами мира в целом и существованием в нем наблюдателя (в нашем случае – человека). Слабый АП: наблюдатель (человек), поскольку он существует, обладает привилегированным положением в мире. Сильный АП утверждает, что Вселенная такова, что в ней должен был возникнуть наблюдатель (человек).
• Принцип глобального эволюционизма: не только развитие живого, но и развитие неживой природы – процесс эволюционный. Фактически все развитие мира от его изначального до современного состояния – единая эволюция, которая, правда, имеет особую специфику на разных своих этапах механическое перенесение концептов наиболее разработанной картины биологической эволюции на другие этапы неправомочно
• Основные черты картины мира
• Мир дан нам в границах нашего познания и существования, при этом теоретически он может выходить за пределы этих границ (концепция параллельных Вселенных).
• Движение в микро-, макро- и мегамире описывается разными законами
• Пространство и время считаются единым четырехмерным континуумом, определяясь состоянием системы
• Пространство и время являются характеристиками Вселенной, то вместе с ней они и возникают и развиваются
• Вероятностный характер закономерностей и процессов требует использования статистических, а не динамических законов
• Развитие рассматривается как необратимый, нелинейный и неравновесный процесс самоорганизации незамкнутых систем
• Развитие Вселенной мыслится как сложный эволюционный процесс от первоначальной сингулярности до развитых форм человеческого общества
• К исследованию мира неприложимы классические принципы редукционизма и строгого детерминизма
• Мир состоит из микрообъектов, противоречиво постигаемых наблюдателем как волны и частицы. Несмотря на то, что изучение волновых свойств микрообъектов мешает регистрации корпускулярных значений и наоборот, они постижимы только с учетом дополнительности этих описаний и учетом воздействия наблюдателя. Полное описание микрообъектов невозможно, но даже если бы оно было осуществимо, то оно не давало универсальной основы для описания мира, поскольку более сложные системы невозможно редуцировать к ним. Фундаментальными взаимодействиями во Вселенной являются гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое
• Вселенная часто понимается как доступный для наблюдения нами мир (Метагалактика). Вселенная – всеобъемлющая материальная система всего сущего.
• Материя – объективно существующая реальность, предстающая в формах вещества и поля, а также в пока не идентифицированном образе темной материи и темной энергии.
• Вещество как форма материи, обладающая массой покоя, структурировано на микро-, макро- и мегамир.
• Основными подструктурами микромира являются субатомный (элементарных частиц), атомный и молекулярный (иногда также макромолекулярный) уровни.
• Макромир – сфера жизни человека, характеризующаяся соразмерными ему масштабами и специфическим устройством биологического вещества. Важнейшими биологическими подструктурами макромира являются клеточный, организменный, популяционный, биогеоценотический и биосферный уровни. Для человека часть из них специфичны как индивидуальный, групповой, социально-экологический и ноосферный. Самое общее проявление макромира – планетарные сферы, куда помимо биосферы и ноосферы входят атмосфера, гидросфера и литосфера. Мегамир подразделяется на уровни небесных тел (наиболее важными являются планеты и звезды), планетарных и звездных систем, галактик. Предел познания вещественной организации мира – Метагалактика (наблюдаемая часть Вселенной).
• органицизм, представление об органическом происхождении (рождение) мира как живого существа
• креационизмом, представлением, что мир сотворен божественными силами
• Концепция абсолютности (стационарности) мира: Вселенная существовала всегда, оставаясь в целом неизменной или периодически меняя определенные свои характеристики
• Теория Большого взрыва (современная наука): Вселенная начала быстро развиваться («взорвалась») из конечного (точечного) объема
• Элементарные частицы квалифицируются как целостные мельчайшие (субатомные) части вещества. Некоторые элементарные частицы (как электрон или фотон) считаются бесструктурными, неразложимыми на более мелкие частицы, другие обладают внутренней структурой (например, протон и нейтрон состоят из кварков). В определенных условиях элементарные частицы могут превращаться друг в друга или излучать друг друга, почти все элементарные частицы (помимо нейтральных) имеют античастицы, при встрече с которыми они аннигилируют (исчезают).
• Важнейшими свойствами частиц предстают электрический заряд, время жизни, масса, спин, возможность взаимодействия, существуют также дополнительные особые для частиц характеристики.
• По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы (электрон, протон, фотон и нейтрино) характеризуются длительным временем существования, нестабильные (большинство элементарных частиц) характеризуются малым временем жизни. Нейтрон имеет промежуточный статус, поскольку в ядре атома он характеризуется стабильностью, а в свободном состоянии – быстро распадается.
• Фермионы – основные строительные блоки материи, делятся также на элементарные (кварки и лептоны) и составные (протоны, нейтроны и пр.).
• Элементарные частицы характеризуются разной массой покоя – от нулевой (фотон) и сверхлегкой (электрон) до сверхтяжелых W- и Z-бозонов. Спин – имеющий квантовую природу собственный момент импульса элементарных частиц, не связанный с перемещением частицы как целого. При нулевом спине частица при любом повороте выглядит одинаково, частицы со спином 1 (например, фотон) принимают тот же вид после полного оборота, частица со спином 2 (предположительно гравитон) – через пол-оборота, а частица со спином ½ (протон, нейтрон и электрон) – после двух оборотов. Имеющие целый спин (0, 1, 2) элементарные частицы называются бозонами (калибровочные бозоны и составные мезоны), имеющие полу-целый (½,3/2) – фермионы.
• Поскольку в микромире известны четыре вида взаимодействий (сильное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитационное), то по способности к ним элементарные частицы делятся на классы адронов (и составляющих их кварков), вступающих во все взаимодействия, и лептонов, не вступающих в сильное взаимодействие. В смысле взаимодействия важны также калибровочные бозоны, передающие взаимодействия (фотон переносит электромагнитное взаимодействие, глюоны – сильное, W- и Z-бозоны – слабое; гипотетически предполагается гравитон, передающий гравитационное взаимодействие), но при этом зачастую и сами вступающие в них. Существует также предположение о наличии других бозонов, обеспечивающих другие взаимодействия (Y- и Х-бозоны) или массу элементарных частиц (бозон Хиггса)
• Лептоны несоставные, имеющие полу-целый спин (½) и не вступающие в сильное взаимодействие (электрон, мюон и нейтрино, а также их античастицы).
• Число адронов, составных частиц, вступающих во все взаимодействия, исчисляется сотнями. Помимо нейтрона и протона адроны являются нестабильными, причем большинство из них – резонансы, которые распадаются столь быстро, что их практически невозможно зафиксировать. По своей составу адроны делятся на барионы (состоят из трех кварков) и мезоны (включают в себя пару (или пары) кварк-антикварк). Наиболее важными барионами являются протоны и нейтроны, формирующие ядра атомов и составляющие большую часть видимой материи во Вселенной
• атом стал пониматься как мельчайшая частица химического элемента, носящая его свойства
• Атом сегодня предстает как не имеющая отчетливой внешней границы система, в центре которой – массивное ядро, состоящее из нуклонов (положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов), а на периферии – распределенные по определенным орбитам незначительные по массе отрицательно заряженные электроны. Если число протонов и электронов одинаково, то атом электрически нейтрален, если – неодинаково, то атом называется ионом и характеризуется положительным или отрицательным зарядом. Электроны в атоме могут занимать лишь дискретный набор разрешенных энергетических уровней
• Различаются изотопы со стабильными и нестабильными ядрами. Изотопы с нестабильными ядрами описываются как радиоактивные, самопроизвольно распадающиеся с испусканием частиц или электромагнитного излучения. Помимо естественной радиоактивности существует также и искусственная, запускаемая направляемыми человеком ядерными реакциями.
Основные типы радиоактивного распада:
• В альфа-распаде атом испускает альфа-частицу (ядро атома гелия), в силу чего атомный номер уменьшается на две единицы (из исходного элемента образуется дочерний элемент, на две клетки ближе к началу таблицы Мендделеева).
• Бета-распад в основном подразумевает излучение бета-частицы (электрона или позитрона) под влиянием слабого взаимодействия (изменение кварка превращает протон в нейтрон и наоборот)
• Гамма-излучение (изомерный переход), часто сопровождающее другие формы распада, подразумевает испускание гамма-квантов электромагнитного излучения и переход ядра в состояние с более низкой энергией.
• Классификация атомов как химических элементов была важнейшей задачей развития химии, блестящее разрешение которой предложил Дмитрий Иванович Менделеев в Периодической системе элементов.
• Сегодня химический элемент определяется как вид атомов с определенным положительным зарядом ядра и соответственным числом протонов, определяющим его порядковый (атомный) номер в таблице Менделеева.
• Наиболее часто встречающимися в природе элементами являются водород и гелий, на земле преобладают водород, кислород и кремний.
• Ряд элементов проявляются в виде разных, отличающихся по строению и свойствам простых веществ (аллотропия, например, проявляющаяся в разных кристаллических формах углерода – графите, алмазе, фуллерене и пр.)). В аллотропии проявляется свойство атомов включаться в более сложные системы – молекулы.
• молекулой принято называть состоящую хотя бы из двух атомов самостоятельную мельчайшую стабильную частицу химического вещества, имеющую все его свойства
• Сложнейшие представители молекулярного уровня – макромолекулы – включают себя тысячи атомов разных химических элементов
• Важным свойством молекул является молекулярная масса, определяющаяся суммой масс всех атомов, входящих в молекулу. Молекула также характеризуется постоянным количественным и качественным составом
• Особой разновидностью молекул (и атомов) являются свободные радикалы, имеющие на внешней оболочке неспаренный (одиночный) электрон, что предопределяет парамагнитные свойства и способно усиливать реакционные возможности радикалов.
• Важным для определения молекулы служит определенный набор состояний, которые она принимает или может принимать, переходя от состояния к состоянию самопроизвольно или под влиянием внешних сил. Каждое состояние молекулы характеризуется конкретными свойствами, в определенной мере характеризующими вещество, складываемое молекулами. При любой химической реакции молекулы структурно изменяются, причем видоизменяется не только порядок связи атомов, но – зачастую и их число
• В отличие от простых веществ, состоящих из атомов одного вида, сложные вещества, состоящие из разных химических элементов, чаще всего складываются как раз из молекул.
• Соединения – вещества, состоящие из одинаковых молекул, каждая из которых состоит из разных атомов. Как таковые соединения обладают постоянными физическими свойствами. В особый класс выделяются органические соединения, включающие в свой состав углерод (помимо карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов).
• Соединения также характеризуются как чистые вещества, в отличие от смесей – веществ, состоящих из разнотипных молекул. Поскольку чистые вещества в природе встречаются редко, то они получаются из смесей посредством различных методов. Различаются смеси однородные (в состав входят частицы очень малых размеров, напр, воздух) и неоднородные (напр, мутная вода, кровь, почва). Однородные смеси также характеризуются как растворы, которые в зависимости от состояния могут быть жидкими, газообразными и твердыми. В растворе обычно выделяются растворимое вещество и растворитель – компонент, агрегатное состояние которого не меняется при образовании раствора (либо просто преобладающий компонент). Важным показателем для ряда химических процессов с растворами служит водородный показатель (кислотность среды), мера активности ионов водорода в растворе.
• Химические реакции в целом выявляют собственно химические свойства вещества. В ходе этих реакций из исходного вещества или смеси веществ (реагентов) образуются новые вещества (продукты реакции), при этом в атомах изменяется электронные оболочки, но не ядро атома (новые химические элементы не образуются). Важнейшим признаком химической реакции является исчезновение одних веществ и образование других. Сопутствующими признаками являются образование осадка, изменение цвета, изменение запаха, выделение газа и выделением или поглощением теплоты. Важнейшим условием многих химических реакций является наличие катализатора, – химического вещества, ускоряющего реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции, а потому количественно в результате реакции не изменяющееся.
• Химические реакции классифицируются по изменению степени окисления, по тепловому эффекту, по обратимости, по типу изменения реагирующих веществ и др.
• По изменению степени окисления выделяются окислительно-восстановительные реакции (одно вещество (окислитель) понижает степень окисления, за счет чего другое (восстановитель) – повышает, например, горение водорода (восстановитель) в кислороде (окислитель) с образованием воды) и не окислительно-восстановительные реакции (реакции без изменения окисления).
• По тепловому эффекту различаются экзотермические (с выделением тепла) и эндотермические (поглощение тепла) реакции.
• По обратимости классифицируют необратимые и обратимые реакции.
• По типу изменения реагирующих веществ выделяют реакции разложения (из одного вещества образуются несколько новых), соединения (из нескольких веществ образуется одно) и реакции образования нескольких новых веществ из нескольких реагентов (замещение и обмен).
• По составу реагентов различают гомогенные (реакционная смесь однородна) и гетерогенные (реакционная смесь неоднородна).
Комментариев нет:
Отправить комментарий