Разумова Е.Р. КСЕ

21

Контрольные вопросы:

1.Кто открыл закон электромагнитной индукции и в чем его суть и значение?

2.Создана ли единая теория поля, когда и кем?

3.Какие существуют формы электромагнитного поля?

Тема 5. Закон сохранения энергии в макромире. Законы термодинамики. Состояния вещества.

Понятие о синэргетике.

универсален, он не допускает исключений или отклонений. Термодинамика – раздел физики, изучающий тепловые процессы –

формулируется так: теплота не возникает из ничего(это одна из многочисленных формулировок первого закона, самая простая). После открытия первого закона термодинамики все европейские Академии Наук перестали принимать проекты«вечных» двигателей, т.е. таких,

22

Изолированная макросистема – это та, которая не обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Пример изолированной макросистемы – термос. Но этот пример говорит о, чтотом изолированные системы являются идеальными, в природе их не существует. Однако для теоретического описания тепловых процессов

времени. Абсолютная температура обозначается заглавной латинской буквой Т и имеет только положительные значения. Именно эта температура входит во все термодинамические формулы. Единицей измерения абсолютной температуры является кельвин(К), названный именем английского ученого лорда Кельвина (он же У. Томсон).

В повседневной жизни используется более удобная температурная

Законы термодинамики сформулировал немецкий физикР. Клаузиус. На основании второго закона термодинамики он предложилгипотезу тепловой смерти Вселенной: со временем все виды энергии перейдут в тепловую, тепло равномерно рассеется по Вселенной, после чего в ней

прекратятся все процессы, поскольку они идут за счет разности температур. Опроверг теорию тепловой смерти Вселенной австрийский физик Л. Больцман, который доказал, что в отличие от первого, второй закон термодинамики носит статистический характер.

изолированной системе энтропия всегда должна возрастать, поскольку система стремится к равновесию. С точки зрения статистической термодинамики энтропия – это мера неупорядоченности системы.

Отсюда следует, что любая изолированная система самопроизвольно стремится к беспорядку, т.е. к хаосу. Понятия Космоса (порядка во

Агрегатное состояние вещества определяется соотношением между потенциальной энергией притяжения молекул и средней кинетической энергией их теплового движения, которая пропорциональна абсолютной температуре Т.

Газообразное состояние вещества определяется тем, что кинетическая

упругие. Для газообразного состояния характерна максимальная энтропия.

Вжидком состоянии потенциальная энергия притяжения молекул немного больше их кинетической тепловой энергии. Жидкости трудно сжимаются и принимают форму сосуда, в котором находятся. Слои молекул сдвигаются относительно друг друга, что обуславливает текучесть жидкостей. Для них характерна изотропия(одинаковость) свойств во всех направлениях.

Втвердом состоянии потенциальная энергия связи атомов в

24

это вершина упорядоченности в неживой природе), энтропия в них

температуре – лампа дневного света).

Понятие о синергетике

Синергетика – это наука об открытых неравновесных системах,

родившаяся в середине ХХ века. Ее основоположниками являются бельгийский ученый (русского происхождения) лауреат Нобелевской премии И..Р Пригожин, англичанка И. Стэнгерс и немецкий математик Э. Хакен. Такие системы стремятся к самоорганизации, т.е.

к возникновению порядка из беспорядка. В открытых неравновесных

космологии (спиральные галактики), экологии (организация. Таким образом, классическая термодинамика, описывающая изолированные равновесные системы, была завершена к концу XIX века, а в середине ХХ века родилась новая наука– синергетика, описывающая открытые неравновесные системы.

Контрольные вопросы :

1.Что такое температура?

2.Почему невозможна тепловая смерть Вселенной?

3.Что такое энтропия?

25

Тема 6. Микромир : квантовая механика и ядерная физика. Цепные ядерные реакции. Радиоактивность; ядерная энергия

Как уже было сказано выше, на рубеже XIX и ХХ веков началась

третья революция в физике, связана она была с тем, что классическая физика не могла объяснить ряд открытий, сделанных в

учеными супругами Пьером и Марией Кюри, нашедшими в урановой руде, из которой они получали чистый уран, два новых химических элемента. Первый они назвали радием, что по-латыни означает «лучистый» (его излучение было действительно гораздо интенсивнее излучения урана), а второй Мария Кюри, урожденная Склодовская, назвала в честь своей родины Польши полонием. За эти открытия А. Беккерель и супруги .Пи М. Кюри были удостоены Нобелевской премии.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк, работая над проблемой излучения абсолютно черного тела, пришел к выводу, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями.

частотой излучения или поглощения(ν) и вычислил коэффициент пропорциональности, впоследствии названный постоянной Планка (h): Е=hν. Заметим, что классическая физика вообще не могла объяснить природу излучения и его взаимодействия с веществом. За свои пионерские работы М. Планк был удостоен Нобелевской премии.

Итак, в начале ХХ века физикам стало ясно, что, что атом не является неделимой частицей, мельчайшим кирпичиком мироздания. Возникла проблема внутреннего строения атома, и появилось несколько его моделей.

Первая принадлежала У. Томсону (он же лорд Кельвин). Атом был

атома сосредоточена в его центре, который заряжен положительно; он назвал этот центр ядром; окружение ядра оказалось заряжено отрицательно. На основе этих экспериментальных данных Резерфорд предложил «планетарную» модель строения атома: подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Модель была красива и эффектна, но она противоречила законам классической физики, согласно которым электроны должны были упасть на ядро.

Автор третьей моделидатский физик Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии, справедливо считающийся одним из создателей квантовой механики, принял за основу модель Резерфорда, но при этом осуществил дерзкую смену парадигм. Он выдвинул постулаты, в основе которых лежало смелое утверждение: в МИКРОМИРЕ, т.е. в мире объектов, меньших или равных по размерам атому, не действуют законы классической физики. Согласно первому постулату, когда электрон находится на постоянной, стационарной орбитали (так Резерфорд назвал траекторию движения электрона), атом не излучает и не поглощает энергию. Излучение или поглощение энергии осуществляются при резких перескоках электрона с одной орбитали на другую (это второй постулат). По существу, постулаты Бора являются парадигмой квантовой механики– раздела физики, изучающего внутреннее строение атома. Квантовая механика и ядерная физика, окоторой будет сказано далее, описывают микромир.

Боровская модель атома была экспериментально подтверждена

линейчатыми атомными спектрами, лежащими в основе мощного

напоминающую штрих-код. Таким образом, линейчатый атомный спектр является паспортом химического элемента.

классической физике, волна не может выбивать электроны, она может только отразиться от поверхности металла. А. Эйнштейн предположил, что свет является не только электромагнитной волной, но и потоком частиц, которые Эйнштейн назвал фотонами.

Л. де Бройль распространил этот принцип на все частицы и волны,

аименно: любую волну можно представить как поток частиц,

соответственно, любому потоку частиц можно сопоставить .волну Принцип Л. де Бройля был экспериментально подтвержден открытым вскоре явлением дифракции электронов. К тому времени (конец 20-х годов ХХ века) уже было точно установлено, что электрон является частицей, и У. Томсон измерил его массу и заряд. Эффект дифракции

микрочастицы и её импульс, энергия частицы в соответствующий

28

Фундаментальным принципом квантовой механики является также принцип неопределенности, открытый немецким физикомВ. Гейзенбергом, лауреатом Нобелевской премии: любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых ее координаты и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения.

Основное уравнение квантовой механики вывел австрийский физик Эрвин Шредингер, лауреат Нобелевской премии. В этом уравнении двойственность волны и частицы математически выражена в виде волновой функции( ψ- функция). Квадрат волновой функции равен вероятности нахождения микрочастицы в данной точке.

Заметим, что в микромире нельзя точно предсказать результат эксперимента, а можно лишь рассчитатьвероятность различных результатов опыта, т.е. в мире микрообъектов все явления носят вероятностный характер, тогда как макромир построен на принципе детерминизма (определенности) Лапласа.

Таким образом, к концу 30-х годов ХХ века здание квантовой механики было построено. Потребовалось на это менее 40 лет.

Ядерная физика.

Следующим этапом познания микромира было созданиеядерной физики, т.е. установление внутренней структуры атомного ядра. Как

протона, и назвал ихнейтронами. За это открытие Дж. Чедвик был удостоен Нобелевской премии. Немного раньше, в 1928 г. выдающийся английский физик-теоретик П. Дирак предсказал существование положительно заряженного антипода электрона. Вскоре эта частица была экспериментально обнаружена лауреатом Нобелевской премии японским физиком Юкавой и названа им позитроном. Это была первая из многочисленных открытых далее элементарных частиц. К середине ХХ века их было открыто уже более трехсот. Название «элементарные частицы» говорило о том, что их считали пределом деления. Казалось, что мельче уже ничего не существует.

29

Однако в 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном было высказано предположение о существовании частиц, несущих дробный заряд, меньший заряда электрона. Их назвали кварками. Кварки – гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять все микрочастицы, участвующие в сильных взаимодействиях (адроны), прежде всего протоны и нейтроны. Различают шесть видов (или, как их называют физики, шесть «ароматов») кварков.

Таким образом, на сегодняшний момент (начало XXI века) именно кварки являются мельчайшими «кирпичиками» мироздания.

Радиоактивность

Вернемся к явлению радиоактивности, с которого мы начали эту главу. Радиоактивность, открытая А. Беккерелем, – это способность ядер атомов тяжелых химических элементов(начиная с номера84 таблицы Д.И. Менделеева, т.е. с полония) к распаду с выделением

элементов. Оно оказалось характерным только для самых тяжелых ядер, начиная с тория. Только политическими причинами («железным занавесом») можно объяснить тот факт, что за это выдающееся открытие советские физики не получили Нобелевскую премию.

Все сказанное выше относится кестественной радиоактивности. В 1934 г. французские ученые супруги Ирен и Фредерик Жолио– Кюри (будущие лауреаты Нобелевской премии, дочь и зять М. и П. Кюри)

30

открыли искусственную радиоактивность, которая позволила получать новые химические элементы, отсутствующие в природе, путем

кровяные клетки),в результате чего развивается лейкемия; кроме того, уничтожаются половые клетки, что приводит к бесплодию. Наконец, радиоактивное излучение вызывает неконтролируемый рост клеток, т.е. раковые опухоли.

Как защититься от радиоактивного заражения? Во-первых,

контейнерах, а работать с ними– в специально предназначенных для этого костюмах и помещениях.

Степень поражения живого организма зависит отдозы облучения, т.е. отношения радиоактивной энергии, попавшей в живой организм, к его массе. Соответственно, при одинаковых величинах энергии, чем больше масса, тем меньше опасность гибели организма.

Таким образом, физика микромира была создана менее чем за полвека, ее творцами стали ученые многих стран, и почти все их достижения были отмечены высшей наградой в научном –мире Нобелевской премией.

практическую (АЭС), но нанесло и очевидный вред в виде создания

Цепные ядерные реакции. Ядерное оружие.

Эти реакции были открыты в 1939 г. итальянским ученым Энрико Ферми, бежавшим в США из фашистской Италии. Выяснилось, что при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две или три части и при этом выделяется огромная энергия. При делении ядер урана-235, кроме осколков, вылетают два–три свободных нейтрона,