Резерфорд положил основу ядерной модели атома как целостной системы. Она заключается во взаимодействии ядра атома, находящегося в центре атома и электронов, вращающихся вокруг ядра. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре. Т.к. масса электронов в 2000 раз меньше массы протонов или нейтронов, поэтому вся масса атома сосредоточена в ядре. Разные электроны связаны с ядром в разной степени, некоторые из них атом легко теряет, при этом система переходит в другое состояние, атом становиться положительным ионом. Приобретая дополнительный электрон, атом превращается в отрицательный ион. При поглощении электромагнитного излучения, например света, атом возбуждается и совершает квантовый переход с нижнего уровня на более высокий. В связи с этим говорят об энергетических уровнях атома, которые определяют состояние атома как системы.
Атомное ядро как целостная система существует благодаря сил притяжения, связывающих протоны и нейтроны в атомном ядре. Эти силы называются ядерными или сильным взаимодействием. Так как по способности к сильному взаимодействию протон и нейтрон не отличаются друг от друга, поэтому их рассматривают как одну частицу — нуклон. Сильное взаимодействие действует на малых расстояниях (10-15 м) и превосходит электромагнитное и гравитационное, но оно уменьшается с увеличением расстояния.
11. Достижения атомной и ядерной физики
Атомная физика возникла на рубеже 19-20 вв. на основе исследований оптических спектров. Она занималась изучением строения атома и изучением его свойств. Была разработана количественная теория атома. Последующие исследования свойств атомов и электронов завершились созданием квантовой механики — физической теории, описывающей законы микромира. Квантовая механика является теоретическим фундаментом атомной физики, а она в свою очередь выступает опытным полигоном. Атомной физикой установлены оптические спектры атомов различных химических элементов, связь закономерностей спектров с системой энергетических уровней, подтвердила то, что внутренняя энергия атома квантуется и изменяется дискретно. Вследствие изучения радиоактивности произошло выделение ядерной физики, изучающей взаимопревращение элементарных частиц — физика элементарных частиц. Атомная физика добилась огромных успехов в изучении процессов, происходящих в атомных ядрах и взаимопревращение элементарных частиц. Но эта дисциплина изучает ту часть, в которой не происходит изменение с самим ядром, а только с электронной оболочкой. Ядерная физика изучает превращения атомных ядер, происходящие как в результате радиоактивных распадов, так и в результате различных ядерных реакций. Достижения ядерной физики немыслимы без использования достижений физики и техники ускорителей заряженных частиц. Именно создание различных ускорителей элементарных частиц помогли исследователям во многих проблемах изучения атомных ядер и их превращений. Важной частью ядерной физики является нейтронная физика, занимающаяся ядерными реакциями, происходящими под действием нейтронов. Современная ядерная физика распадается на две взаимосвязанные ветви — теоретическую и экспериментальную ядерную физику. Теоретическая работает с моделями атомных ядер и ядерных реакций. Экспериментальная ядерная физика использует богатый арсенал современных исследовательских средств, включая ядерные реакторы (как источники мощных пучков нейтронов), ускорители заряженных частиц (как источник ускоренных электронов, протонов, ионов, мезонов и т.д.), разнообразные детекторы частиц. Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя глубже проникать в тайны природы. В то же время эти исследования важны и для практического использования в ядерной энергетике, медицине, в ядерных реакторах на ледоколах, для изучения ядерных реакций для использования в мирных целях, для синтеза материалов.
13. Статистические системы и характеристики их законов. Средние величины. Понятие энтропии. Флуктуации
Законы классической механики имеют универсальный характер, т.е. они относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Их особенностью является то, что их предсказания достоверны и однозначны. Но законы, действующие для статистических систем (систем с множеством объектов) не являются однозначными, а только вероятностными. Но это не является свидетельством недостоверности, т.к. квантовая механика показала, что существование неопределенности корениться в самом фундаменте материи (см. 8). По этой причине эти законы носят название вероятностных, или — статистических, т.к. информация носит статистический характер. Эта исходная информация об объектах исследования собирается, например, методом длительных наблюдений, затем анализируется методами статистики и выводиться какое-то среднее значение определяемой величины. Статистические методы используются для изучения свойств сложных систем — газов, жидкостей, твердых тел и их связь со свойствами отдельных частиц — атомов, молекул. Для описания больших статистических систем используются среднестатистические значения параметров, отвлекаясь от конкретных значений этих параметров для каждой частицы, например определяется средняя энергия для данной системы, вместо определения энергий каждой молекулы. Большое значение для статистической физики имели работы американского физика Гиббса, который дал общий метод вычисления усредненных величин для произвольной системы. Но на практике исследователи, использующие усредненные величины какого-либо параметра, имеют дело с флуктуациями. Флуктуации это — небольшие нерегулярные, хаотические изменения какой-либо физической величины. Обычно эти отклонения в физике связывают с тепловыми или квантовыми явлениями. Например, в квантовой механике температура одноатомного газа определяется кинетической энергией атомов. Но из-за столкновений атомов энергия каждого из них не остается постоянной, а все время меняется. Если взять большой объем, то энергия, усредненная по всем атомам, будет практически постоянна. Если же газа в этом объеме мало, то флуктуации энергии будут значительны. Величина флуктуации обратно пропорциональна корню квадратному из числа частиц N.
Если статистическая физика рассматривает теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул, то термодинамика не анализирует внутреннее строение систем, а исследует физические процессы преобразования тепловой энергии. Так первый закон термодинамики утверждает, что всякое тело обладает внутренней энергией U, причем она может уменьшиться, если тело совершило работу А, и увеличиться, если ему сообщают теплоту Q: DU = Q-А.
При формулировании второго закона термодинамики была введена специальная функция S, которую назвали энтропией. Сформулирован он так: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Физический смысл энтропии по мнению австрийского физика Больцман — мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму энтропии, любой беспорядок ее увеличивает. Максимальная энтропия соответствует полному хаосу. Третий закон термодинамики гласит о том, что энтропия стремиться к нулю, при стремлении температуры к нулю. Эти три закона термодинамики справедливы для любых систем и веществ: твердых, жидких, газообразных, плазмы, металлов, полупроводников, диэлектриков и т.д.
14. Развитие взглядов на строение солнечной системы от Птолемея до Кеплера. Планета Земля
15. Мега мир. Космологические модели Вселенной. Стандартные модели эволюции Вселенной. Реликтовое излучение
Если атомистические взгляды на развитие систем сводят все к свойствам мельчайших частиц материи из которых состоит систем, то системные и эволюционные взгляды обращают большее внимание на характер взаимодействий элементов. Существуют различные гипотезы эволюции Вселенной. Вселенную как единое целое изучает наука космология.
Космологическая модель Вселенной базируется на общей теории относительности (уделяя внимание кривизне четырехмерного пространства—времени), на важнейших открытиях внегалактической астрономии (таких как явление «разбегания» галактик), на теоретических доказательствах того, что Вселенная, заполнена тяготеющим веществом, не может быть стационарной и периодически сжимается и расширяется.
Существуют различные модели Вселенной, но общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее модели. Нестационарность означает, что Вселенная либо расширяется, либо сжимается, но не может находиться в стационарном положении. «Разбегание» галактик по-видимому свидетельствует о расширении, хотя существуют модели где это свидетельствует о «пульсации» Вселенной. Изотропность указывает на независимость ее свойств от направлений. Однородность характеризует распределение вещества во Вселенной.
Существуют открытая модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, и замкнутая модель с положительной кривизной. В открытой модели Вселенная непрерывно увеличивается, что соответствует бесконечной Вселенной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, т.к. двигаясь по ней нельзя достичь какой-либо границы.
Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальная температура превышала 1013 градусов по Кельвину (0о по К=-273оС) гигантская плотность материи достигала 1093 г/см2. В этих условиях был неизбежен взрыв, поэтому эту теорию называют теорией «большого взрыва». Предположительно это произошло 15-20млрд лет назад и сопровождалось сначала быстрым, потом умеренным расширением и постепенным охлаждением Вселенной. Когда температура упала до 6млрд градусов по Кельвину, первые 8 секунд после взрыва там существовала в основном смесь электронов и позитронов. Пока эта смесь находилась в тепловом равновесии, между частицами происходили столкновения, в результате чего происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия. Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и понижения температуры. На этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы — протоны и нейтроны. Но самое гласное было нарушение симметрии — произошел перевес вещества над излучением (один протон на миллиард фотонов). Это послужило основой для дальнейшей эволюции и возникновения разнообразных материальных образований, начиная от атомов, молекул, кристаллов, и кончая планетами, звездами и галактиками.