Ядерная физика и естествознание

15. Ядерная физика и естествознание     Методы исследований, результаты изучения атомных ядер широко используются в других разделах физики и других областях знаний. Зародившись в недрах химии — науки о свойствах атомов, исследования структуры материи привели к открытию атомного ядра и открытию ядерной динамики. Первые эксперименты с естественными источниками α-излучения сменились экспериментами на ускорителях и реакторах. Изучение строения атомного ядра неизбежно вело к изучению структуры протона, изучению свойств «элементарных» частиц, которые начали в большом количестве рождаться на ускорителях. В недрах ядерной физики зародилось новое направление исследований – физика элементарных частиц. Физика атомного ядра и физика элементарных частиц имеют между собой много общего как по идеологии выполняемых экспериментов, так и по используемым методам наблюдений.     В. Гольданский: «Открытие атомного ядра Резерфордом и исследование рентгеновских спектров Мозли привели к раскрытию физического смысла номера элемента в менделеевской системе как величины положительного заряда ядер атомов этого элемента. Теория Бора связала планетарную модель атома с квантовой теорией, дала теоретическое истолкование периодичности химических свойств элементов, позволила предсказать структуру шестого периода менделеевской системы и свойства не известных в то время гафния и рения. Но особое, неизмеримо важное значение приобрело другое следствие сопоставления Периодической системы с квантовой теорией – выдвинутый в 1925 г. Паули «принцип исключения». От Менделеева – через принцип Паули – пролегла дорога к статистике Ферми – Дирака и далее к теории всех многообразных явлений, связанных с особыми свойствами фермионов, в том числе теории химической связи, атомных ядер, металлов и полупроводников.     Таким образом, на границе физики и химии возникла и получила сильнейшее развитие современная наука о строении вещества, нашедшая к тому же в последние двадцать лет принципиально новые важнейшие приложения и продолжения в молекулярной биологии».     Атомные ядра имеют характерный спектр возбужденных состояний, распад которых происходит с испусканием γ-квантов. Разность энергий между возбужденными состояниями и соответственно энергии испускаемых γ-квантов могут составлять величину порядка единиц МэВ, что в 103–104 раз больше энергий γ-квантов, испускаемых из возбужденных состояний атомов. Возбужденные состояния атомных ядер могут распадаться также с испусканием лептонов. Испускание электрона всегда сопровождается испусканием электронного антинейтрино, испускание позитрона всегда сопровождается испусканием нейтрино. Распад возбужденных состояний ядер может происходить также с испусканием протонов, нейтронов и более сложных фрагментов.     Резонансное поглощение γ-квантов 1958 г. Р. Мессбауэр открыл явление ядерного резонанса без отдачи (эффект Мессбауэра) Рудольф Мессбауэр (р. 1929)     Благодаря эффекту Мессбауэра стало возможным измерение спектров испускания, поглощения и резонансного рассеяния гамма-квантов с относительной точностью ΔE/E ≈10-17. Уникальные характеристики мессбауэровских спектров используются при анализе физических и химических свойств твердых тел. По смещению линий мессбауэровских спектров изучают молекулярную структуру спектров, обусловленную электрическими квадрупольными и магнитными дипольными моментами ядер. Благодаря очень высокой точности определения энергии γ-квантов, с помощью эффекта Мессбауэра удалось в лабораторных условиях измерить красное смещение энергии γ-квантов в гравитационном поле Земли. Эффект Мессбауэра имеет многочисленные применения в медицине и биологии. Нобелевская премия по физике 1961 г. – Р. Мессбауэр За исследования в области резонансного поглощения гамма-излучения и открытия в этой связи эффекта, носящего его имя.     В нуклоне также обнаружены возбужденные состояния. Энергия возбуждения нуклона составляет сотни МэВ. Возбужденный нуклон также как и атомное ядро может переходить в основное состояние с испусканием γ-квантов и лептонов. Однако, в большинстве случаев распад возбужденных состояний нуклонов происходит с испусканием мезонов. Чаще всего это π-мезоны. В этом проявляется особенность сильных взаимодействий кварков в нуклоне. На смену «элементарным» частицам 40-х годов ХХ столетия – протону и нейтрону – пришли новые фундаментальные частицы – кварки – составные части протона и нейтрона. Атомное ядро – уникальный объект исследований. В атомном ядре были открыты новые типы взаимодействий – сильное и слабое, были открыты новые законы сохранения и симметрии, которые были более детально исследованы во взаимодействиях элементарных частиц. Можно привести множество примеров совместных интересов физики атомного ядра и физики частиц. Один из таких примеров – физика гиперядер – образование ядерной системы из нуклонов и Λ-, Σ- и Ξ-гиперонов. Время жизни Λ-, Σ-, Ξ-гиперонов ~10 -10 с намного больше характерного ядерного времени 10-23 с .поэтому они могут образовывать связанные состояния с нуклонами атомного ядра.     В настоящее время получено большое число гиперядер со странностью s = -1. Эти гиперядра образуются при замене одного из нуклонов ядра на Λ- или Σ-гиперон. Получены гиперядра со странностью s = -2. Эти гиперядра получаются, если в составе гиперядра находятся 2 Λ-гиперона или Ξ-гиперон. Гиперядра получены не только для большого числа лёгких ядер, но и для более тяжелых ядер вплоть до 4. Так как время жизни гиперядер ~10 -10 с, поэтому по своим свойствам они могут рассматриваться аналогично свойствам радиоактивных ядер.     То обстоятельство, что на одиночный гиперон в ядре не распространяется принцип Паули, позволяет ему находиться на любой ядерной оболочке. Так, например, самой нижней для Λ-гиперона в ядре является 1s-оболочка, затем 1p-оболочка, 1d-оболочка и т.д. Изучение взаимодействия гиперонов в ядре показало, что взаимодействие гиперонов с нуклонами слабее, чем нуклон-нуклонные взаимодействия, поэтому потенциальная яма для гиперонов оказывается менее глубокая и одночастичные состояния расположены при более высоких энергиях. Исследования поведения гиперядер в ядре подтверждают основные положения модели оболочек Наряду с этим гиперядра это уникальная среда для изучения ΛΛ и ΞN взаимодействий, изучения поведения гиперонов в ядерной среде.     Хорошо известно, какую большую роль играет эффект спаривания тождественных нуклонов в атомных ядрах. Изучение реакций перезарядки π-мезонов π+ + (A,Z) → (A,Z+2) + π—,  π— + (A,Z) → (A,Z+2) + π+ дают интересную информацию о силах спаривания, т.к. в этих реакциях происходит превращение двух нейтронов в два протона и наоборот.     Несомненна связь между астрофизикой и ядерной физикой. Ядерная физика дала ответы на вопросы: Почему светят звезды? Почему звезды умирают? Как устроены нейтронные звезды – объекты, в которых наряду с сильным взаимодействием между нейтронами необходимо учитывать гравитационное взаимодействие?     В настоящее время известно ~ 3500 атомных ядер. По существующим оценкам число атомных ядер может составлять ~ 7500. Большинство из неоткрытых пока ядер – это ядра перегруженные нейтронами. Изучение свойств этих ядер важно для описания  r-процесса нуклеосинтеза. В обычных земных условиях атомные ядра окружены электронными оболочками. Однако при высоких температурах в звездах атомы полностью ионизированы, и атомные ядра погружены в плазму. Поведение ядер в этих условиях тоже очень важно для описания процесса нуклеосинтеза.     Атомные ядра играют важную роль в науке о человеке. Все химические элементы, из которых состоит человек, образовались в ядерных реакциях в звездах. А. Беккерель, М. Кюри, П. Кюри были первыми, кто испытал на себе воздействие радиоактивности. А. Беккерель носил в течение нескольких часов в нагрудном кармане радиоактивный изотоп радия, что привело к лучевому ожогу, который не заживал в течение нескольких недель. П. Кюри, узнав об этом, решил проверить этот факт и тоже получил ожог на руке. Сегодня последствия радиационного облучения изучены. Они могут иметь как отрицательные последствия – лучевая болезнь, так и положительные – в миллионах случаях радиационное облучение используется в лечебных целях и для диагностики различных болезней. Число различных приложений радиоактивных методов огромно. Оно вошло в наш повседневный образ жизни.     Жизнь на Земле возможна благодаря ядерным реакциям, происходящим в недрах Солнца. Солнце дает тепло, согревающее Землю. Но одновременно оно является интенсивным источником радиации, которое могло бы убить все живое на Земле, если бы Земля не имела магнитного поля, защищающего Землю от космического излучения. Магнитное поле обязано разогреву внутренней области Земли за счет распада радиоактивных изотопов, находящихся в Земле.     В 1929 г. Э. Хаббл установил расширение Вселенной, обнаружив красное смещение видимого излучения галактик за счет эффекта Доплера. Скорость v разлета двух галактик и расстояние R между ними связаны законом Хаббла v = HR, H = 71 ± 4 км/(сек∙мегапарсек).     Согласно космологической модели Большого взрыва Вселенная образовалась ~13,7 млрд. лет назад. «Осколки» этого Взрыва представляют собой тысячи миллиардов разлетающихся галактик. Вселенная продолжает расширяться и в настоящую эпоху. В теории Эйнштейна свойства пространства определяются средней плотностью вещества-энергии во Вселенной. Соотношение между средней плотностью ρ вещества-энергии во Вселенной и критической плотностью ρк определяет судьбу Вселенной. Критическая плотность вещества во Вселенной ρк связана с постоянной Хаббла Н и гравитационной постоянной G соотношением Состав Вселенной в настоящее время БАРИОНЫ 0.02-0.05 в том числе: — звёзды 0. 002-0.003 ФОТОНЫ 4.9×10-5 НЕЙТРИНО 3.3×10-5 ТЁМНАЯ МАТЕРИЯ — неизвестные массивные частицы (не барионы) 0.2-0.4 ТЁМНАЯ ЭНЕРГИЯ — вакуум 0.6-0.8 ПОЛНАЯ ПЛОТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА-ЭНЕРГИИ 1.02 ± 0.02 Если ρ < ρк, Вселенная будет постоянно расширяться, и радиус её будет возрастать неограниченно. Если ρ > ρк, гравитационное взаимодействие будет замедлять расширение, и оно сменится ускоряющимся сжатием. Средняя плотность наблюдаемого вещества во Вселенной – (2-5)∙10–31 г/см3, что составляет (2-5)% от средней величины критической плотности. Это вещество состоит из оптически ярких звёзд (на их долю приходится лишь около 1/10 массы наблюдаемого вещества), межзвёздной пыли и газа, молекулярных облаков, остатков звёздной эволюции (включая чёрные дыры), планет и маломассивных звёзд, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза. При средней плотности наблюдаемого вещества Вселенная, казалось бы, обречена на замедляющееся расширение. Однако, установлено, что во Вселенной имеется большое количество неизвестной оптически невидимой материи, которую принято называть тёмной материей. Тёмная материя увеличивает массу Вселенной. Тёмная материя не участвует в ядерном синтезе, происходящем в звездах, не излучает свет. Следовательно, её невозможно обнаружить с помощью телескопов. Однако есть неоспоримые доказательства того, что тёмная материя действительно существует. Так, астрономические наблюдения показывают, что скорости движения галактик составляют тысячи километров в секунду и удержать их в наблюдаемых скоплениях галактик можно только при условии, что полная масса вещества в скоплении примерно в десять раз больше видимой звёздной массы. В нашей галактике Млечный путь тёмного вещества также примерно в 10 раз больше видимого. Оно образует обширное гало вокруг диска Млечного пути. Не меньше темной материи и в межгалактическом пространстве. Средняя плотность тёмной материи приближается к критической плотности Вселенной, т.е. составляет ≈ 10–29 г/см3, что в несколько раз больше плотности видимого вещества. Природу тёмной материи пока не удалось выяснить. Известно лишь то, что это не барионная материя. Это могут быть новые неизвестные пока массивные частицы, массы которых в тысячи раз больше массы протона, практически не взаимодействующие с известной нам материей.     Наибольший вклад в вещество Вселенной даёт так называемая тёмная энергия, которую интерпретируют как вакуум. Тёмная энергия – особая форма материи – физический вакуум, т. е. наинизшее энергетическое состояние физических полей, заполняющих пространство. В начале 1998 г. было экспериментально доказано, что последние пять млрд. лет расширение Вселенной не замедлялось, как следует из модели Большого Взрыва, а ускорялось. Это открытие было сделано в результате анализа спектров излучения взрывающихся Сверхновых, расположенных от Земли на расстоянии 5-10 млрд. световых лет. Было доказано наличие в космосе гравитационного отталкивания, присущего физическому вакууму. По ускорению космологического расширения удалось измерить плотность энергии вакуума. Средняя плотность энергии вакуума в единицах плотности массы ρвакуум ≈ 0.7·10-29 г/см3.     Эффективная энергия вакуума отрицательна при положительной плотности. Плотность энергии вакуума со временем не изменяется, в то время как плотности обычного вещества и тёмной материи уменьшаются из-за расширения Вселенной. В отличие от сил гравитации силы, обусловленные тёмной энергией, стремятся удалить космические объекты друг от друга. Вакуум создаёт антигравитацию, которая определяет динамику Вселенной в современную эпоху. В первой половине своего существования Вселенная расширялась вследствие инерции Большого Взрыва. Во Вселенной доминировало вещество, и скорость её расширения замедлялась. Галактики и звезды все дальше удалялись друг от друга. Плотность материи во Вселенной падала. Со временем галактики и звезды стали редкими вкраплениями в космологический вакуум, и Вселенная перешла из состояния доминирования вещества в состояние доминирования вакуума, обеспечившего ей режим дальнейшего ускоренного расширения. Постоянство плотности вакуума приведет к тому, что окружающий мир станет тоже статичным. Но в отличие от статичного мира Эйнштейна, в котором состояние равновесия достигалось уравновешиванием сил гравитации и космологического Λ-члена, теперь равновесие достигается постоянной плотностью вакуума. Как образуется космологический вакуум, и какова его природа ещё предстоит выяснить. Физический вакуум – особое состояние квантового поля, в котором при нулевых квантовых числах суммарных зарядов, импульсов и других переменных могут возникать виртуальные частицы. Образовавшиеся виртуальные частицы могут создавать в пространстве ненулевую энергию вакуума. Во всех физических взаимодействиях, не связанных с гравитацией, абсолютная величина энергии системы не имеет значения, важна лишь разность энергий состояний. В гравитации, однако, это не так – необходимо учитывать все формы энергии. Однозначного ответа на вопрос о тождественности физического вакуума и тёмной энергии Вселенной пока нет. Другой причиной обсуждаемых эффектов могут быть дополнительные измерения пространства Вселенной.     Условия, существовавшие в первые мгновения Вселенной, воспроизводятся в релятивистских столкновениях тяжелых ядер на ускорителях RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) и LHC (Large Hadron Collider). В столкновениях ядер Pb+Pb была обнаружена кварк-глюонная плазма – состояние, в котором существовала материя в первые мгновения Вселенной. Характерной особенностью материи в это время было одинаковое число частиц и античастиц. Одним из фундаментальных вопросов является следующий. Если вначале вещество и антивещество присутствовали в одинаковом количестве, почему окружающая нас часть Вселенной состоит из вещества? Куда девалось антивещество? Может быть, отдаленные неисследованные области Вселенной состоят из антивещества и тогда это означает то, что первоначальная симметрия между материей и антиматерией сохранилась и в настоящее время. Однако существует и другое объяснение преобладания вещества над антивеществом. В результате нарушении CP четности в нестационарной расширяющейся Вселенной образовалось преобладание вещества над антивеществом на уровне 10–9, т.е. на 109 частиц антивещества было 109 + 1 частица вещества. В результате последующей аннигиляции вещества и антивещества всё антивещество исчезло и образовалось реликтовое излучение. Число фотонов реликтового излучения во Вселенной превосходит число барионов во Вселенной как раз в 109 раз. Такое объяснение предполагает, что протон должен быть нестабильной частицей и может распадаться с нарушением законов сохранения барионного и лептонного зарядов. p → e+ + π0.     Время жизни протона по оценке должно быть > 1032 лет.     Конец XIX века ознаменовался рядом крупных открытий, которые радикально повлияли на развитее науки в XX веке. Аналогичная ситуация складывается в физике и в настоящее время. Оказывается, что наши знания о процессах, происходящих во Вселенной, основываются на законах о свойствах барионной материи, составляющей ~ 5% всей матери во Вселенной. ~ 30% всей матери во Вселенной составляет темная материя, природа которой до сих пор неизвестна. ~ 70% всей матери во Вселенной составляет темная энергия – еще более загадочное состояние материи.     Достаточно надёжно описываемые формы материи, которые хорошо известны, составляют всего несколько процентов от общей плотности космологической материи. Изучение этих новых форм материи, безусловно, важнейшая проблема. Природа бросила очередной вызов человеку. Космическая шкала времени Время от настоящего момента, млрд. лет Событие 14 Большой Взрыв 14 Рождение частиц, аннигиляция вещества и антивещества 14 Синтез 2H, 4He 13 Образование Галактик 10 Сжатие нашей протогалактики 10 Образование первых звёзд 5 Образование Солнечной системы, планет 4 Образование земных пород 3 Зарождение микроорганизмов 2 Формирование атмосферы Земли 1 Зарождение жизни 0,60 Ранние окаменелости 0,45 Рыбы 0,15 Динозавры 0,05 Первые млекопитающие 2 млн. лет Человек (homo sapiens)

Страница не найдена |

Страница не найдена |

---

---

404. Страница не найдена

Архив за месяц

ПнВтСрЧтПтСбВс

       

       

     12

       

     12

       

      1

3031     

     12

       

15161718192021

       

25262728293031

       

    123

45678910

       

     12

17181920212223

31      

2728293031  

       

      1

       

   1234

567891011

       

     12

       

891011121314

       

11121314151617

       

28293031   

       

   1234

       

     12

       

  12345

6789101112

       

567891011

12131415161718

19202122232425

       

3456789

17181920212223

24252627282930

       

  12345

13141516171819

20212223242526

2728293031  

       

15161718192021

22232425262728

2930     

       

Архивы

Фев

Мар

Апр

Май

Июн

Июл

Авг

Сен

Окт

Ноя

Дек

Метки

Настройки
для слабовидящих

Явления природы.

Примеры объяснимых и необъяснимых явлений

Динамические изменения встроены в саму природу. Все меняется так или иначе каждый момент. Если вы внимательно осмотритесь, вы найдете сотни примеров физических и химических явлений, которые являются вполне себе естественными преобразованиями.

Изменения — единственная константа во Вселенной

Как ни странно, изменение является единственной константой в нашей Вселенной. Чтобы понять физические и химические явления (примеры в природе встречаются на каждом шагу), принято классифицировать их по типам, в зависимости от характера конечного результата, вызванного ими. Различают физические, химические и смешанные изменения, которые содержат в себе и первые, и вторые.

Физические и химические явления: примеры и значение

Что такое физическое явление? Любые изменения, происходящие в веществе без изменения его химического состава, являются физическими. Они характеризуется изменениями физических атрибутов и материального состояния (твердое, жидкое или газообразное), плотности, температуры, объема, которые происходят без изменения его фундаментальной химической структуры. Не происходит создание новых химических продуктов или изменения общей массы. Кроме того, этот тип изменений обычно является временным и в некоторых случаях полностью обратимым.

Когда вы смешиваете химикаты в лаборатории, можно легко увидеть реакцию, но в мире вокруг вас происходит множество химических реакций каждый день. Химическая реакция изменяет молекулы, в то время как физическое изменение только перестраивает их. Например, если мы возьмем газ хлора и металлический натрий и объединим их, мы получим столовую соль. Полученное вещество сильно отличается от любого из его составных частей. Это химическая реакция. Если затем растворить эту соль в воде, мы просто смешиваем молекулы соли с молекулами воды. В этих частицах нет изменений, это физическое преобразование.

Примеры физических изменений

Все состоит из атомов. При соединении атомов образуются разные молекулы. Различные свойства, которые наследуют объекты, являются следствием различных молекулярных или атомных структур. Основные свойства объекта зависят от их молекулярного расположения. Физические изменения происходят без изменения молекулярной или атомной структуры объектов. Они просто преобразуют состояние объекта, не изменяя его природы. Плавление, конденсация, изменение объема и испарения являются примерами физических явлений.

Дополнительные примеры физических изменений: металл, расширяющийся при нагревании, передача звука через воздух, замерзание воды зимой в лед, медь втягивается в провода, формирование глины на разных объектах, мороженое плавится до жидкости, нагревание металла и преобразование его в другую форму, сублимация йода при нагревании, падение любого объекта под действием силы тяжести, чернила поглощаются мелом, намагничивание железных гвоздей, снеговик, тающий на солнце, светящиеся лампы накаливания, магнитная левитация объекта.

Как различать физические и химические изменения?

Множество примеров химических явлений и физических можно встретить в жизни. Часто трудно определить разницу между ними, особенно когда оба могут происходить одновременно. Чтобы определить физические изменения, задайте следующие вопросы:

• Является ли состояние состояния объекта изменением (газообразным, твердым и жидким)?
• Является ли изменение чисто ограниченным физическим параметром или характеристикой, такой как плотность, форма, температура или объем?
• Является ли химическая природа объекта изменением?
• Возникают ли химические реакции, приводящие к созданию новых продуктов?

Если ответ на один из первых двух вопросов да, и ответы на последующие вопросы отсутствуют, это, скорее всего, это физическое явление. И наоборот, если ответ на любой из двух последних вопросов положительный, в то время как первые два отрицательные, это, безусловно, химическое явление. Трюк состоит в том, чтобы просто четко наблюдать и анализировать то, что вы видите.

Примеры химических реакций в повседневной жизни

Химия происходит в окружающем вас мире, а не только в лаборатории. Материя взаимодействует для образования новых продуктов посредством процесса, называемого химической реакцией или химическим изменением. Каждый раз, когда вы готовите или убираете, это химия в действии. Ваше тело живет и растет благодаря химическим реакциям. Есть реакции, когда вы принимаете лекарства, зажигаете спичку и вздыхаете. Вот 10 химических реакций в повседневной жизни. Это всего лишь небольшая выборка из тех примеров физических и химических явлений в жизни, которые вы видите и испытываете много раз каждый день:

1. Фотосинтез. Хлорофилл в листьях растений превращает углекислый газ и воду в глюкозу и кислород. Это одна из самых распространенных ежедневных химических реакций, а также одна из самых важных, поскольку именно так растения производят пищу для себя и животных и превращают углекислый газ в кислород.
2. Аэробное клеточное дыхание является реакцией с кислородом в человеческих клетках. Аэробное клеточное дыхание является противоположным процессом фотосинтеза. Разница заключается в том, что молекулы энергии объединяются с кислородом, которым мы дышим, чтобы высвободить энергию, необходимую нашим клеткам, а также углекислый газ и воду. Энергия, используемая клетками, представляет собой химическую энергию в виде АТФ.
3. Анаэробное дыхание. Анаэробное дыхание производит вино и другие ферментированные продукты. Ваши мышечные клетки выполняют анаэробное дыхание, когда вы исчерпываете подаваемый кислород, например, при интенсивном или продолжительном упражнении. Анаэробное дыхание дрожжами и бактериями используется для ферментации для производства этанола, углекислого газа и других химических веществ, которые производят сыр, вино, пиво, йогурт, хлеб и многие другие распространенные продукты.
4. Сгорание — это тип химической реакции. Это химическая реакция в повседневной жизни. Каждый раз, когда вы зажигаете спичку или свечу, разжигаете костер, вы видите реакцию горения. Сжигание объединяет энергетические молекулы с кислородом для получения двуокиси углерода и воды.
5. Ржавчина — общая химическая реакция. Со временем железо развивает красное, шелушащееся покрытие, называемое ржавчиной. Это пример реакции окисления. Другие повседневные примеры включают формирование вердигров на меди и потускнение серебра.
6. Смешивание химических веществ вызывает химические реакции. Пекарский порошок и пищевая сода выполняют аналогичные функции при выпечке, но они по-разному реагируют на другие ингредиенты, поэтому вы не всегда можете заменить их на другой. Если вы комбинируете уксус и пищевую соду для химического «вулкана» или молока с порошком для выпечки в рецепте, вы испытываете реакцию двойного смещения или метатезиса (плюс некоторые другие). Ингредиенты рекомбинируют для получения газообразного диоксида углерода и воды. Углекислый газ образует пузырьки и помогает «выращиванию» хлебобулочных изделий. Эти реакции кажутся простыми на практике, но часто состоят из нескольких этапов.
7. Батареи являются примерами электрохимии. Батареи используют электрохимические или окислительно-восстановительные реакции для превращения химической энергии в электрическую.
8. Пищеварение. Тысячи химических реакций происходят во время пищеварения. Как только вы положите пищу в рот, фермент в вашей слюне, называемый амилазой, начинает разрушать сахара и другие углеводы в более простые формы, которые ваше тело может поглощать. Соляная кислота в вашем желудке реагирует с пищей, чтобы ее разрушить, а ферменты расщепляют белки и жиры, чтобы они могли всасываться в кровь через стенки кишечника.
9. Кислотно-базовые реакции. Всякий раз, когда вы смешиваете кислоту (например, уксус, лимонный сок, серную кислоту, соляную кислоту) со щелочью (например, пищевой содой, мылом, аммиаком, ацетоном), вы выполняете кислотно-щелочную реакцию. Эти процессы нейтрализуют друг друга, получая соль и воду. Хлорид натрия не является единственной солью, которая может быть образована. Например, здесь приведено химическое уравнение для реакции кислотно-щелочной реакции, в которой образуется хлорид калия, обычный заменитель столовой соли: HCl + KOH → KCl + H 2 O.
10. Мыло и моющие средства. Их очищают путем химических реакций. Мыло эмульгирует грязь, что означает, что масляные пятна связываются с мылом, чтобы их можно было снять водой. Моющие средства снижают поверхностное натяжение воды, поэтому они могут взаимодействовать с маслами, изолировать их и смывать.
11. Химические реакции при приготовлении пищи. Кулинария — один большой практический эксперимент по химии. Приготовление использует тепло, чтобы вызвать химические изменения в пище. Например, когда вы сильно кипятите яйцо, сероводород, полученный нагреванием яичного белка, может реагировать с железом из яичного желтка, образуя серо-зеленое кольцо вокруг желтка. Когда вы готовите мясо или выпечку, реакция Майяра между аминокислотами и сахарами дает коричневый цвет и желательный вкус.

Другие примеры химических и физических явлений

Физические свойства описывают характеристики, которые не изменяют вещество. Например, вы можете изменить цвет бумаги, но это еще бумага. Вы можете кипятить воду, но когда вы собираете и конденсируете пар, это все еще вода. Вы можете определить массу листа бумаги, и это все еще бумага.

Химическими свойствами являются те, которые показывают, как вещество реагирует или не реагирует с другими веществами. Когда металлический натрий помещают в воду, он реагирует бурно, образуя гидроксид натрия и водород. Достаточное тепло выделяется тем, что водород вырывается в пламя, реагируя с кислородом в воздухе. С другой стороны, когда вы кладете кусок медного металла в воду, реакция не возникает. Таким образом, химическое свойство натрия заключается в том, что он реагирует с водой, а химическое свойство меди заключается в том, что это не так.

Какие еще можно привести примеры химических явлений и физических? Химические реакции всегда происходят между электронами в валентных оболочках атомов элементов в периодической таблице. Физические явления на низких энергетических уровнях просто включают механические взаимодействия — случайные столкновения атомов без химических реакций, таких как атомы или молекулы газа. Когда энергии столкновений очень велики, целостность ядра атомов нарушается, что приводит к делению или слиянию вовлеченных видов. Спонтанный радиоактивный распад обычно считается физическим явлением.

Всё, что нас окружает: и живая, и неживая природа, находится в постоянном движении и непрерывно изменяется: движутся планеты и звёзды, идут дожди, растут деревья. И человек, как известно из биологии, постоянно проходит какие-либо стадии развития. Перемалывание зёрен в муку, падение камня, кипение воды, молния, свечение лампочки, растворение сахара в чае, движение транспортных средств, молнии, радуги – это примеры физических явлений.

И с веществами (железо, вода, воздух, соль и др.) происходят разнообразные изменения, или явления. Вещество может быть кристаллизировано, расплавлено, измельчено, растворено и вновь выделено из раствора. При этом его состав останется тем же.

Так, сахарный песок можно измельчить в порошок настолько мелкий, что от малейшего дуновения он будет подниматься в воздух, как пыль. Сахарные пылинки можно разглядеть лишь под микроскопом. Сахар можно разделить ещё на более мелкие части, растворив его в воде. Если же выпарить из раствора сахара воду, молекулы сахара снова соединяться друг с другом в кристаллы. Но и растворении в воде, и при измельчении сахар остаётся сахаром.

В природе вода образует реки и моря, облака и ледники. При испарении вода переходит в пар. Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. При воздействии низких температур (ниже 0˚С) вода переходит в твёрдое состояние – превращается в лёд. Мельчайшая частичка воды – это молекула воды. Молекула воды является и мельчайшей частичкой пара или льда. Вода, лёд и пар не разные вещества, а одно и то же вещество (вода) в разных агрегатных состояниях.

Подобно воде, и другие вещества можно переводить из одного агрегатного состояния в другое.

Характеризуя то или другое вещество как газ, жидкость или твёрдое вещество, имеют в виду состояние вещества в обычных условиях. Любой металл можно не только расплавить (перевести в жидкое состояние), но и превратить в газ. Но для этого необходимы очень высокие температуры. Во внешней оболочке Солнца металлы находятся в газообразном состоянии, потому что температура там составляет 6000˚С. А, например, углекислый газ путём охлаждения можно превратить в «сухой лёд».

Явления, при которых не происходит превращений одних веществ в другие, относят к физическим явлениям. Физические явления могут привести к изменению, например, агрегатного состояния или температуры, но состав веществ останется тем же.

Все физические явления можно разделить на несколько групп.

Механические явления – это явления, которые происходят с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, полёт парашютиста).

Электрические явления – это явления, которые возникают при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, телеграфирование, молния при грозе).

Магнитные явления – это явления, связанные с возникновением у физических тел магнитных свойств (притяжение магнитом железных предметов, поворот стрелки компаса на север).

Оптические явления – это явления, которые происходят при распространении, преломлении и отражении света (радуга, миражи, отражение света от зеркала, появление тени).

Тепловые явления – это явления, которые происходят при нагревании и охлаждении физических тел (таяние снега, кипение воды, туман, замерзание воды).

Атомные явления – это явления, которые возникают при изменении внутреннего строения вещества физических тел (свечение Солнца и звезд, атомный взрыв).

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Нас окружает бесконечно разнообразный мир веществ и явлений.

В нем непрерывно происходят изменения.

Любые изменения, которые происходят с телами, называют явлениями. Рождение звезд, смена дня и ночи, таяние льда, набухание почек на деревьях, сверкание молнии при грозе и так далее – все это явления природы.

Физические явления

Вспомним, что тела состоят из веществ. Заметим, что при одних явлениях вещества тел не меняются, а при других – меняются. Например, если разорвать листок бумаги пополам, то, несмотря на произошедшие изменения, бумага останется бумагой. Если же бумагу сжечь, то она превратится в пепел и дым.

Явления, при которых могут изменяться размеры, форма тел, состояние веществ, но вещества остаются прежними, не превращаются в другие, называют физическими явлениями (испарение воды, свечение электрической лампочки, звучание струн музыкального инструмента и т. д.).

Физические явления чрезвычайно разнообразны. Среди них различают механические, тепловые, электрические, световые и др.

Давайте вспомним, как плывут по небу облака, летит самолет, едет автомобиль, падает яблоко, катится тележка и т. д. Во всех перечисленных явлениях предметы (тела) движутся. Явления, связанные с изменением положения какого-либо тела по отношению к другим телам, называют механическими (в переводе с греческого «механе» означает машина, орудие).

Многие явления вызываются сменой тепла и холода. При этом происходят изменения свойств самих тел. Они меняют форму, размеры, изменяется состояние этих тел. Например, при нагревании лед превращается в воду, вода – в пар; при понижении температуры пар превращается в воду, вода – в лед. Явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел, называют тепловыми (рис. 35).

Рис. 35. Физическое явление: переход вещества из одного состояния в другое. Если заморозить капли воды, вновь возникнет лед

Рассмотрим электрические явления. Слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон» – янтарь. Вспомните, что, когда вы быстро снимаете с себя шерстяной свитер, вы слышите легкий треск. Проделав то же в полной темноте, вы увидите еще и искры. Это простейшее электрическое явление.

Чтобы познакомиться еще с одним электрическим явлением, проделайте следующий опыт.

Нарвите маленькие кусочки бумаги, положите их на поверхность стола. Расчешите чистые и сухие волосы пластмассовой расческой и поднесите ее к бумажкам. Что произошло?

Рис. 36. Небольшие кусочки бумаги притягиваются к расческе

Тела, которые способны после натирания притягивать легкие предметы, называют наэлектризованными (рис. 36). Молнии при грозе, полярные сияния, электризация бумаги и синтетических тканей – все это электрические явления. Работа телефона, радио, телевизора, разнообразных бытовых приборов – это примеры использования человеком электрических явлений.

Явления, которые связаны со светом, называют световыми. Свет излучают Солнце, звезды, лампы и некоторые живые существа, например жуки-светлячки. Такие тела называются светящимися.

Мы видим при условии воздействия света на сетчатку глаза. В абсолютной темноте мы видеть не можем. Предметы, которые сами не излучают свет (например, деревья, трава, страницы этой книги и др.), видны только тогда, когда они получают свет от какого-нибудь светящегося тела и отражают его от своей поверхности.

Луна, о которой мы часто говорим как о ночном светиле, в действительности является лишь своеобразным отражателем солнечного света.

Изучая физические явления природы, человек научился использовать их в повседневной жизни, быту.

1. Что называют явлениями природы?

2. Прочитайте текст. Перечислите, какие явления природы называются в нем: «Наступила весна. Солнце греет все сильнее. Тает снег, бегут ручьи. На деревьях набухли почки, прилетели грачи».

3. Какие явления называют физическими?

4. Из перечисленных ниже физических явлений в первый столбик выпишите механические явления; во второй – тепловые; в третий – электрические; в четвертый – световые явления.

Физические явления: вспышка молнии; таяние снега; спуск с горы на санках; плавление металлов; работа электрического звонка; радуга на небе; солнечный зайчик; перемещение камней, песка водой; кипение воды.

Всё, что нас окружает: и живая, и неживая природа, находится в постоянном движении и непрерывно изменяется: движутся планеты и звёзды, идут дожди, растут деревья. И человек, как известно из биологии, постоянно проходит какие-либо стадии развития. Перемалывание зёрен в муку, падение камня, кипение воды, молния, свечение лампочки, растворение сахара в чае, движение транспортных средств, молнии, радуги – это примеры физических явлений.

И с веществами (железо, вода, воздух, соль и др.) происходят разнообразные изменения, или явления. Вещество может быть кристаллизировано, расплавлено, измельчено, растворено и вновь выделено из раствора. При этом его состав останется тем же.

Так, сахарный песок можно измельчить в порошок настолько мелкий, что от малейшего дуновения он будет подниматься в воздух, как пыль. Сахарные пылинки можно разглядеть лишь под микроскопом. Сахар можно разделить ещё на более мелкие части, растворив его в воде. Если же выпарить из раствора сахара воду, молекулы сахара снова соединяться друг с другом в кристаллы. Но и растворении в воде, и при измельчении сахар остаётся сахаром.

В природе вода образует реки и моря, облака и ледники. При испарении вода переходит в пар. Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. При воздействии низких температур (ниже 0˚С) вода переходит в твёрдое состояние – превращается в лёд. Мельчайшая частичка воды – это молекула воды. Молекула воды является и мельчайшей частичкой пара или льда. Вода, лёд и пар не разные вещества, а одно и то же вещество (вода) в разных агрегатных состояниях.

Подобно воде, и другие вещества можно переводить из одного агрегатного состояния в другое.

Характеризуя то или другое вещество как газ, жидкость или твёрдое вещество, имеют в виду состояние вещества в обычных условиях. Любой металл можно не только расплавить (перевести в жидкое состояние), но и превратить в газ. Но для этого необходимы очень высокие температуры. Во внешней оболочке Солнца металлы находятся в газообразном состоянии, потому что температура там составляет 6000˚С. А, например, углекислый газ путём охлаждения можно превратить в «сухой лёд».

Явления, при которых не происходит превращений одних веществ в другие, относят к физическим явлениям. Физические явления могут привести к изменению, например, агрегатного состояния или температуры, но состав веществ останется тем же.

Все физические явления можно разделить на несколько групп.

Механические явления – это явления, которые происходят с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, полёт парашютиста).

Электрические явления – это явления, которые возникают при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, телеграфирование, молния при грозе).

Магнитные явления – это явления, связанные с возникновением у физических тел магнитных свойств (притяжение магнитом железных предметов, поворот стрелки компаса на север).

Оптические явления – это явления, которые происходят при распространении, преломлении и отражении света (радуга, миражи, отражение света от зеркала, появление тени).

Тепловые явления – это явления, которые происходят при нагревании и охлаждении физических тел (таяние снега, кипение воды, туман, замерзание воды).

Атомные явления – это явления, которые возникают при изменении внутреннего строения вещества физических тел (свечение Солнца и звезд, атомный взрыв).

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Физическая картина мира

Физические явления в природе

История

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами.
О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики.

Солнечное затмение

Это астрономическое явление, которое заключается в том, что Луна закрывает (затмевает) полностью или частично Солнце от наблюдателя на Земле. Солнечное затмение возможно только в новолуния , когда сторона Луны, обращенная к Земле, не освещена, и сама Луна не видна. Затмения возможны только если новолуние происходит вблизи одного из двух лунных узлов (точки пересечения видимых орбит Луны и Солнца), не далее чем примерно в 12 градусах от одного из них.
Наблюдатели, находящиеся вблизи полосы полного затмения, могут видеть его как частное солнечное затмение . При частном затмении Луна проходит по диску Солнца не точно по центру, скрывая только его часть. При этом небо темнеет гораздо слабее, чем при полном затмении, звёзды не появляются. Частное затмение может наблюдаться на расстоянии порядка двух тысяч километров от зоны полного затмения.
Полные солнечные затмения позволяют наблюдать корону и ближайшие окрестности Солнца, что в обычных условиях крайне затруднено (хотя с 1996 года астрономы получили возможность постоянно обозревать окрестности нашей звезды благодаря работе спутника SOHO (англ. Solar and Heliospheric Observatory — солнечная и гелиосферная обсерватория)).
Французский учёный Пьер Жансен во время полного солнечного затмения в Индии 18 августа 1868 года впервые исследовал хромосферу Солнца и получил спектр нового химического элемента (правда, как потом выяснилось, этот спектр можно было получить и не дожидаясь солнечного затмения, что и сделал двумя месяцами позже английский астроном Норман Локьер ). Этот элемент назвали в честь Солнца — гелием .
В 1882 году , 17 мая , во время солнечного затмения наблюдателями из Египта была замечена комета, пролетающая вблизи Солнца. Она получила название Кометы затмения, хотя у неё есть ещё одно название — комета Тевфика (в честь хедива Египта того времени). Она относилась к числу околосолнечных комет из семейства Крейца .

Р а д у г а

Это атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое обычно в поле повышенной влажности. Оно выглядит как разноцветная дуга или окружность , составленная из цветов спектра (глядя снаружи — внутрь дуги: красный , оранжевый , жёлтый , зелёный , голубой , синий , фиолетовый . Эти семь цветов — основные названия цветов , которые принято выделять в радуге в русской культуре (возможно, вслед за Ньютоном, см. ниже ), но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и цвета эти в радуге переходят друг в друга с плавным изменением через множество промежуточных оттенков .
Радуга возникает из-за того, что солнечный свет испытывает преломление в капельках воды дождя или тумана , парящих в атмосфере . Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому красный свет меньше отклоняется при преломлении — красный на 137°30’, фиолетовый на 139°20’ и т. д.), в результате чего белый свет разлагается в спектр . Данное явление вызвано дисперсией . Наблюдателю кажется, что из пространства по концентрическим кругам (дугам) исходит разноцветное свечение (при этом источник яркого света всегда должен находиться за спиной наблюдателя).
Радуга представляет собой каустику , возникающую при преломлении и отражении (внутри капли) плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Как показано на рисунке (для монохромного пучка), отражённый свет имеет максимальную интенсивность для некоторого угла между источником, каплей и наблюдателем (и этот максимум весьма «острый», то есть большинство преломлённого с отражением в капле света выходит практически точно под одним и тем же углом). Дело в том, что угол, под которым уходит из капли отражённый и преломлённый в ней луч, немонотонно зависит от расстояния от падающего (первоначального) луча до оси, параллельной ему и проходящей через центр капли (эта зависимость довольно проста, и её нетрудно явно вычислить), и зависимость эта имеет гладкий экстремум . Поэтому «количество лучей», выходящих из капли с углами, близкими к экстремальному значению угла, — «гораздо больше», чем остальных. При этом угле (который немного различается для разных показателей преломления для лучей разного цвета) и возникает отражение-преломление максимальной яркости, составляющее (от разных капель) радугу («яркие» лучи от разных капель образует конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и Солнце) .

Гейзер

Источник, периодически выбрасывающий фонтаны горячей воды и пара. Гейзеры являются одним из проявлений поздних стадий вулканизма , распространены в областях современной вулканической деятельности. Гейзеры могут иметь вид небольших усечённых конусов с достаточно крутыми склонами, низких, очень пологих куполов, небольших чашеобразных углублений, котловинок, неправильной формы ям и др.; в их дне или стенках находятся выходы трубообразных или щелеобразных каналов связано с лавой.
Деятельность гейзера характеризуется периодической повторяемостью покоя, наполнения котловинки водой, фонтанирования пароводяной смеси и интенсивных выбросов пара, постепенно сменяющихся спокойным их выделением, прекращением выделения пара и наступлением стадии покоя.
Различают регулярные и нерегулярные гейзеры. У первых продолжительность цикла в целом и его отдельных стадий почти постоянна, у вторых — изменчива, у разных гейзеров продолжительность отдельных стадий измеряется минутами и десятками минут , стадия покоя длится от нескольких минут до нескольких часов или дней.
В Исландии действует около 30 гейзеров, среди которых выделяется Прыгающая Ведьма (Грила ), извергающий пароводяную смесь на высоту 15 метров приблизительно через каждые 2 часа. На острове также расположены один из самых активных гейзеров мира — Строккур
Крупные гейзеры на Камчатке были обнаружены в 1941 году в долине реки Гейзерной (Долина Гейзеров ), вблизи вулкана Кихпиныч. Всего на Камчатке до схода селевого потока 3 июня 2007 года было около 100 гейзеров.

Торнадо

Атмосферный вихрь, возникающий в кучево-дождевом (грозовом ) облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности земли, в виде облачного рукава или хобота диаметром в десятки и сотни метров
Причины образования смерчей полностью не изучены до сих пор. Можно указать лишь некоторые общие сведения, наиболее характерные для типичных смерчей.
Смерчи в своём развитии проходят три основных стадии. На начальной стадии из грозового облака появляется начальная воронка, висящая над землёй. Холодные слои воздуха, находящиеся непосредственно под облаком устремляются вниз на смену тёплым, которые, в свою очередь поднимаются вверх. (такая неустойчивая система образуется обычно при соединении двух атмосферных фронтов — тёплого и холодного). Потенциальная энергия этой системы переходит в кинетическую энергию вращательного движения воздуха. Скорость этого движения возрастает, и он приобретает свой классический вид.

Извержение вулкана

Это процесс выброса
и т.д……………..

Вперед >>>

Броуновское движение — определение, формулы, примеры

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Молекулярно-кинетическая теория

Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из… Ладно, пока достаточно атомов. И молекулы, и атомы подчиняются законам, которые описаны в молекулярно-кинетической теории.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

1. Все вещества — жидкие, твердые и газообразные — образованы из мельчайших частиц: молекул, которые сами состоят из атомов.
   Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, то есть состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.


2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.


3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые имеют электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Броуновское движение

Во второй половине ХIХ века в научных кругах разгорелась нешуточная дискуссия о природе атомов. На одной стороне дискуссии утверждали, что атомы — просто математические функции, удачно описывающие физические явления и не имеющие под собой реальной физической основы.С другой стороны настаивали, что атомы — это реально существующие физические объекты.

Самое смешное в этих спорах то, что за десять лет до их начала ботаник Роберт Броун уже провел эксперимент, который доказал физическое существование атомов. Вот, как это было:

Как Броун проводил эксперимент Броун изучал поведение цветочной пыльцы под микроскопом и обнаружил, что отдельные споры в жидкости совершают абсолютно хаотичные движения. Представьте себе, что мы издалека наблюдаем, как плотная толпа людей толкает над собой большой мяч. Причём каждый толкает мяч, куда хочет. Мы не видим отдельных игроков, потому что поле далеко от нас, но мяч мы видим — и замечаем, что перемещается он очень беспорядочно. Мяч постоянно меняет направление своего движения, и пойти в какую-нибудь определенную сторону не желает. Предсказать его местоположение через заданное время — нельзя. Вот что-то похожее на это Броун увидел при изучении пыльцы.

В первую очередь он начал грешить на движение потоков воды или ее испарение, но проверив эту гипотезу, отмел ее. Проведя множество экспериментов, Броун установил, что такое хаотичное движение свойственно любым микроскопическим частицам — будь то пыльца растений, взвеси минералов или вообще любая измельченная субстанция, помещенная в жидкость. Но причины этого явления он выяснить не смог (не в обиду ботаникам, но все же, это не его специализация).

А теперь угадайте, кто смог применить этот эксперимент в доказательстве атомной теории строения вещества. Альберт Эйнштейн, кто же еще. Он объяснил его примерно так: взвешенная в воде спора подвергается постоянной «бомбардировке» со стороны хаотично движущихся молекул воды.

В среднем, молекулы воздействуют на нее со всех сторон с равной интенсивностью и через равные промежутки времени. Однако, как бы ни мала была частица, в силу чисто случайных отклонений сначала она получает импульс со стороны молекулы, ударившей ее с одной стороны, а затем — со стороны молекулы, ударившей ее с другой. И так далее.

Чуть позже, через 3 года после открытия Эйнштейна, в 1908 году французский физик Жан Батист Перрен провел серию опытов, которые подтвердили правильность эйнштейновского объяснения броуновского движения. Стало окончательно ясно, что наблюдаемое «хаотичное» движение броуновских частиц происходит вследствие межмолекулярных соударений. Поскольку вывод о том, что несуществующие в природе математические функции не могут привести к физическому взаимодействию, напрашивается сам собой, стало окончательно ясно, что спор о реальности атомов окончен: они существуют в природе.

Также, если еще раз посмотреть на второе положение молекулярно-кинетической теории, можно заметить, что броуновское движение очень хорошо его доказывает: Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Диффузия

Явление, которое доказывает первое и второе положения молекулярно-кинетической теории называется диффузия.

• Диффузия — это взаимное проникновение частиц одного вещества в другое, обусловленное движением молекул.

Диффузия в газах

Если в комнате открыть флакон с духами или зажечь ароматизированную свечу, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов проникают между молекулами воздуха. На самом деле, в этом процессе очень большую роль играет такой вид теплопередачи, как конвекция, но и без диффузии не обошлось.

На самом деле, молекулы вокруг нас движутся очень быстро — со скоростью в сотни метров в секунду — это напрямую зависит от температуры.

Давайте проверим это сами несложным экспериментом:

Замерьте температуру воздуха в помещении. Распылите освежитель воздуха в одном углу, встаньте в другой и включите секундомер. А лучше проведите эксперимент вдвоем, чтобы один человек распылял, а другой включал секундомер — так не будет погрешности, но будет веселье 😉

Как только почувствуете аромат освежителя в противоположном от места распыления, выключите секундомер. Запишите результат измерения. А потом проветрите помещение и проделайте все то же самое. Время, через которое до вас дойдет запах, будет другим. Во втором случае аромат будет распространяться медленнее.

То есть, чем выше температура, тем больше скорость диффузии.

Диффузия в жидкостях

Если диффузия в газах происходит быстро — чаще всего за считанные секунды — то диффузия в жидкостях занимает минуты или в некоторых случаях часы. Зачастую это зависит от температуры (как и в эксперименте выше) и плотности вещества.

С диффузией в жидкостях вы встречаетесь, когда, например, размешиваете краску. Или когда смешиваете любые две жидкости, например, газировку с сиропом. Также из-за диффузии происходит загрязнение рек (да и в целом окружающей среды).

Ну или вот пример диффузии в жидкостях, с которым вы точно не встречались — акулы ищут свою жертву по запаху крови, который распространяется в океане за счет диффузии.

Диффузия в твёрдых телах

Диффузия в твёрдых телах происходит очень медленно. Например, при комнатной температуре (около 20 °С) за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 мм.

Кстати, если вы проведете такой эксперимент, то увидите, что в свинец проникло малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более одного миллиметра. Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.

Этот процесс можно ускорить за счет нагревания, как в жидкостях и газах. Если на тонкий свинцовый цилиндр нанести очень тонкий слой золота, и поместить эту конструкцию в печь на неделю при температуре воздуха в печи 200 градусов Цельсия, то после разрезания цилиндра на тонкие диски, очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Принцип дополнительности — Гуманитарный портал

Принцип дополнительности — это методологический и эвристический принцип современной науки (см. Наука), который применяется для описания объектов определённой природы, вводя (дополнительные) взаимоисключающие классы понятий, каждый из которых применим в особых условиях, а их совокупность позволяет воспроизведение целостности данных объектов. Принцип дополнительности предложен датским физиком Нильсом Бором (1927) при интерпретации квантовой механики: для полного описания квантово-механических объектов нужны два взаимоисключающих («дополнительных») класса понятий, каждый из которых применим в особых условиях, а их совокупность необходима для воспроизведения целостности этих объектов. Физический смысл принципа дополнительности заключается в том, что квантовая теория связана с признанием принципиальной ограниченности классических физических понятий применительно к атомным и субатомным явлениям. Однако, как указывал Бор, «интерпретация эмпирического материала в существенном покоится именно на применении классических понятий» (Бор Н. Избранные научные труды, т. 2. — М., 1970, с. 30). Это означает, что действие квантового постулата распространяется на процессы наблюдения (измерения) объектов микромира: «наблюдение атомных явлений включает такое взаимодействие последних со средствами наблюдения, которым нельзя пренебречь» (там же, с.  37), то есть, с одной стороны, это взаимодействие приводит к невозможности однозначного («классического») определения состояния наблюдаемой системы независимо от средств наблюдения, а с другой стороны, никакое иное наблюдение, исключающее воздействие средств наблюдения, по отношению к объектам микромира невозможно. В этом смысле принцип дополнительности тесно связан с физическим смыслом «соотношения неопределённостей» В. Гейзенберга: при определённости значений импульса и энергии микрообъекта не могут быть однозначно определены его пространственно-временные координаты, и наоборот; поэтому полное описание микрообъекта требует совместного (дополнительного) использования его кинематических (пространственно-временных) и динамических (энергетически-мпульсных) характеристик, которое, однако, не должно пониматься как объединение в единой картине по типу аналогичных описаний в классической физике. Дополнительный способ описания иногда называют неклассическим употреблением классических понятий (И.  С. Алексеев). Принцип дополнительности применим к проблеме «корпускулярно-волнового дуализма», которая возникает при сопоставлении объяснений квантовых явлений, основанных на идеях волновой механики (Э. Шрёдингер) и матричной механики (В. Гейзенберг). Первый тип объяснения, использующий аппарат дифференциальных уравнений, является аналитическим; он подчёркивает непрерывность движений микрообъектов, описываемых в виде обобщений классических законов физики. Второй тип основан на алгебраическом подходе, для которого существен акцент на дискретности микрообъектов, понимаемых как частицы, несмотря на невозможность их описания в «классических» пространственно-временных терминах. Согласно принципу дополнительности, непрерывность и дискретность принимаются как равно адекватные характеристики реальности микромира, они несводимы к некой «третьей» физической характеристике, которая «связала» бы их в противоречивом единстве; сосуществование этих характеристик подходит под формулу «либо одно, либо другое», а выбор из них зависит от теоретических или экспериментальных проблем, возникающих перед исследователем (Дж.  Холтон). Бор полагал, что принцип дополнительности применим не только в физике, но имеет более широкую методологическую значимость. Ситуация, связанная с интерпретацией квантовой механики, «имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающими из разделения субъекта и объекта» (там же, с. 53). Такого рода аналогии Бор усматривал в психологии и, в частности, опирался на идеи У. Джеймса о специфике интроспективного наблюдения за непрерывным ходом мышления: подобное наблюдение воздействует на наблюдаемый процесс, изменяя его; поэтому для описания мыслительных феноменов, устанавливаемых интроспекцией, требуются взаимоисключающие классы понятий, что соответствует ситуации описания объектов микрофизики. Другая аналогия, на которую Бор указывал в биологии, связана с дополнительностью между физико-химической природой жизненных процессов и их функциональными аспектами, между детерминистическим и телеологическим подходами. Он обращал также внимание на применимость принципа дополнительности к пониманию взаимодействия культур и общественных укладов. В то же время Бор предупреждал против абсолютизации принципа дополнительности в качестве некоей метафизической догмы. Тупиковыми можно считать такие интерпретации принципа дополнительности, когда он трактуется как гносеологический «образ» некоей «внутренне присущей» объектам микромира противоречивости, отображаемой в парадоксальных описаниях («диалектических противоречиях») типа «микрообъект является и волной, и частицей», «электрон обладает и не обладает волновыми свойствами» и так далее. Разработка методологического содержания принципа дополнительности — одно из наиболее перспективных направлений в философии (см. Философия) и методологии науки (см. Методология науки). В его рамках рассматриваются применения данного принципа в исследованиях соотношений между нормативными и дескриптивными моделями развития науки, между моральными нормами и нравственным самоопределением человеческой субъективности, между «критериальными» и «критико-рефлексивными» моделями научной рациональности.

Физические итоги 2018 года / Хабр

Новогодние праздники подходят к концу, а значит самое время подвести итоги года вместе с Американским физическим сообществом. Год выдался интересным по всем фронтам – и фундаментальными открытиями, и техническими достижениями.

Пожалуй, главным открытием года стала сверхпроводимость двухслойного графена. Суть проста: берется лист графена, на него кладется еще один лист, повернутый под небольшим углом. При «магическом» значении угла около 1.1º структура становится сверхпроводящей при температуре около 1 К. Это слишком низкая температура для каких-либо практических применений, и мякотка открытия совершенно в другом: оказалось, что сверхпроводящий двуслойный графен ведет себя точно так же, как и высокотемпературные сверхпроводники.

Тут стоит напомнить, что природа высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор непонятна, а наблюдалась она только в сложных кристаллах типа YBaCuO. Смоделировать такое вещество чтобы понять, что же в нем происходит – задача почти неподъемная. Поэтому тот факт, что несравненно более простой графен может пролить свет на полувековую загадку природы – это более чем приятный сюрприз. А еще с графеном гораздо удобнее работать – его можно помещать в магнитные/электрические поля, поворачивать на разные углы, все это не раз делалось и хорошо изучено, поэтому есть, с чем сравнивать.

Четкого понимания происходящего пока нет, но основная идея понятна: наложение двух листов графена образует сложный узор, который повторяется на расстоянии в десятки атомов (желтые линии на картинке). Это создает периодическую сверхрешетку, которая влияет на энергетические зоны графена и приводит к сверхпроводимости при «магическом» угле. Работу с двуслойными материалами уже подхватили десятки научных групп по всему миру, и по всей видимости, в ближайшие годы нас ждут действительно интересные результаты.

Нейтрино – это сверхлегкие элементарные частицы, которые часто появляются при ядерных реакциях. На сегодня нам известны три типа нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино). А еще они могут на лету «превращаться» из одного типа в другой – этот чудесный эффект называется нейтринные осцилляции (на Хабре был хороший обзор), а его открытие было отмечено Нобелевской премией 2015 года.

На этот раз интересные новости пришли из Фермилаба. В эксперименте MiniBooNE генерировались мюонные нейтрино и исследовалось их превращение в электронные. Оказалось, что нейтринные осцилляции случались гораздо чаще, чем предполагалось. Одним из простейших объяснений является существование четвертого типа нейтрино – так называемых стерильных нейтрино. В отличие от остальных типов, стерильные нейтрино взаимодействуют с окружающей материей только через гравитацию (поэтому их почти невозможно детекторовать напрямую), зато могут влиять на частоту нейтринных осцилляций.

В принципе, подобные теории известны давно; однако введение нового типа нейтрино довольно сильно меняет Стандартную модель элементарных частиц. Сейчас планируются уточняющие эксперименты (MicroBooNE в Фермилабе, DANSS на Калининской АЭС), а вопрос со стерильными нейтрино пока что остается открытым.

Как мы знаем, значительная часть Вселенной состоит из темной материи – невидимого вещества непонятной природы, которое составляет основную массу галактик. Долгое время основным кандидатом на роль темной материи являлись вимпы – неизвестные массивные элементарные частицы, взаимодействующие с окружающим миром только через гравитацию (как, например, вышеупомянутые стерильные нейтрино). Для их поиска было построено много разных детекторов, но ни один из них так и не принес положительных результатов, поэтому сейчас интерес плавно смещается в сторону других возможных объяснений.

Наиболее простой альтернативой, выдвинутой еще полвека назад Хокингом, были бы черные дыры – они как раз массивны и невидимы. Например, первичные черные дыры массой от 10^-8 до 10 масс Солнца могли образоваться еще на заре Вселенной, до появления атомов. Если такие объекты существуют, то время от времени мы должны наблюдать, как они проходят по видимым дискам звезд, искажая их форму и яркость за счет гравитационного линзирования.

В одной из работ прошлого года авторы искали подобные искажения наблюдаемых сверхновых типа 1а. Безуспешно. Это означает, что первичных черных дыр массой свыше 0.01 массы Солнца явно недостаточно для объяснения всей наблюдаемой темной материи. Впрочем, какую-то ее часть они составлять могут.

Другой интересный результат принесло изучение поглощения межзвеждного водорода. Оказалось, что на некоторых из ранних стадий Вселенной водород был гораздо холоднее, чем предсказывают модели. Наиболее логичным объяснением этого было бы охлаждение межзвездного газа за счет взаимодействия с частицами темной материи. Света на ее природу это не проливает, но скорее свидетельствует против гипотезы с черными дырами. Короче говоря, пока что поиски темной материи остаются классической научной загадкой: ничего не понятно, но жутко любопытно.

Про открытие бозона Хиггса в 2012 году слышали все. Задача была не из простых, еще сложнее оказалось проверить, правильно ли мы понимаем его роль в Стандартной модели и особенности взаимодействия с другими элементарными частицами. Согласно теории, сила взаимодейстия с фермионами растет с ростом массы последних, поэтому проще всего наблюдать взаимодействие с самыми тяжелыми из них. Собственно, ушедший год отметился аж двумя результатами по этой теме.

Во-первых, коллаборации ATLAS и CMS из CERN продемонстрировали рождение бозона Хиггса вместе с парой из топ-кварка и топ-антикварка (так называемый ttH-процесс). Путь к этому был тернист, одно время казалось, что ttH-процесс более вероятен, чем предсказывалось (хороший обзор), однако результаты 2018 года показывают, что все находится в полном согласии со Стандартной моделью.

Второй результат от тех же коллабораций – распад бозона Хиггса на кварк и антикварк. Здесь принцип тот же: чем тяжелее продукты распада, тем он вероятнее. Однако для распада на самые тяжелые топ-кварк и топ-антикварк у бозона Хиггса не хватает энергии, поэтому наиболее вероятен (58%) распад на b-кварк и b-антикварк. Проблем добавляло то, что на такие же кварк-антикварковые пары любят распадаться сталкиваемые в коллайдере протоны, поэтому пришлось подбирать хитрые экспериментальные условия, при которых шум от столкновения протонов оказывался минимален. И вновь результат совпал с предсказаниями Стандартной модели – так что по-видимому новой физики в этой области ожидать не приходится.

Пару лет назад я рассказывал про запуск китайского квантового спутника Micius. За это время он успешно проложил дорогу к спутниковому квантовому интернету, продемонстрировав квантовое распределение ключа между Пекином и Веной. Ключ генерируется во время пролета спутника над наземной станцией, битрейт составляет 3–9 кб/с, что за один пролет дает ключ длиной от 50 до 100 килобайт.

Демонстрация квантового интернета получилась не менее красивой. Как вы помните, первым сообщением, переданным по радио, было отбитое морзянкой имя «Генрих Герц». Продолжая традицию, первыми сообщениями в спутниковом квантовом интернете стали фотографии китайского философа Мо-Цзы (в честь него назван спутник) и Эдвина Шредингера (который жил в Вене).

Следующей демонстрацией стало шифрование видеоконференции между академиями наук Китая и Австрии. Видео шифровалось алгоритмом AES, 128-битный ключ которого менялся каждую секунду. В итоге на видеоконференцию длительностью 75 минут было использовано всего 72 килобайта секретного ключа.

В недалеком будущем дело Micius’а продолжит новый спутник. Он будет генерировать запутанные фотоны на длине волны 1550 нм, где засветка от Солнца будет чуть меньше, а пропускание атмосферы – чуть выше, чем на нынешних 850 нм. Вместе с новыми наземными детекторами (их уже успешно тестировали) это позволит принимать сигнал со спутника не только ночью, но и днем; а запуск на более высокую орбиту увеличит время видимости спутника. Пока что все идет как нельзя лучше, остается только пожелать создателям попутного ветра.

Эталон килограмма – тот самый платиново-иридиевый цилиндр из Палаты мер и весов – сложит свои полномочия 20 мая 2019 года. Новый килограм будет определен через одну из фундаментальных констант — постоянную Планка. Вместе с ним изменятся определения градуса Кельвина (который привяжут к постоянной Больцмана), ампера (его выразят через заряд электрона) и моля (в котором будет ровно 6,02214076 х 10²³ атомов). Таким образом, с этого момента все величины системы СИ будут определяться через фундаментальные физические константы.

Новая система единиц СИ прекрасна тем, что мы больше не измеряем физические величины в удобных нам единицах, а наоборот, привязываем единицы к физическим сущностям, одинаковым во всем мире. Например, один метр – это ровно столько, сколько свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Число 299 792 458 – точное, так как задали его мы сами. В свою очередь, секунда задается через два энергетических уровня в атоме цезия, расстояние между которыми в точности равно 9 192 631 770 Гц. Таким образом, метрология из поклонения эталонам превращается в рецепт: атомы цезия, скорость света и постоянная Планка везде одинаковы, и если вас внезапно занесет на Марс, то вы сможете восстановить всю систему единиц.

Фотографией с электронного микроскопа с атомарным разрешением уже никого не удивишь. Другое дело – видео, да еще какое! Группа из Парижа удалось заснять, как из перенасыщенного раствора атом за атомом, слой за слоем вырастает кристалл арсенида галлия:

В принципе, здесь нет ничего нового – особенности роста кристаллов давно хорошо изучены и активно используются в полупроводниковой промышленности. Но видео, согласитесь, завораживает.

Две группы – из Высшей технической школы Цюриха и университета Пердью – продемонстрировали способ раскручивания наночастиц до скоростей свыше миллиарда оборотов в секунду. Для этого наночастицы – стеклянные капли или гантельки размером 100–200 нанометров – захватывались в оптический пинцет, образованный сфокусированным лазером. Если поляризация лазера была круговой, то лазерный луч обладал вращательным моментом, который мог передаваться частице, таким образом закручивая ее.

Разумеется, вращательный момент фотона очень мал, поэтому раскручивание шло очень медленно – на протяжении минут. Мешало и торможение наночастиц об окружающий воздух, поэтому максимальных скоростей удалось достичь только в глубоком вакууме (10^-5 миллибар). Зато результат оказался внушительным: на максимальных оборотах центробежные силы были близки к тому, чтобы разорвать наночастицу, поэтому эта технология может быть интересна для измерения прочности материалов. А еще на таких оборотах может проявить себя эффект Казимира – фундаментальное квантовое явление, вызываемое присутствием в вакууме виртуальных частиц.

APS очень любит заканчивать итоги года чем-нибудь необычным. На этот раз редакторам приглянулась работа о свойствах вязаной ткани. Все мы знаем, что шерсть из клубка почти не растягивается, зато вязаный свитер с легкостью налезет на вас даже если вы набрали килограмм пять после новогодних праздников. Причина этого, разумеется, в петлях, которые могут менять свою форму, позволяя ткани растягиваться.

Ранние модели вязаной ткани предполагали, что все петли деформируются более-менее одинаково. Вполне очевидно, что это не так: если вы растянете шарф, то он сильно сожмется посередине, и почти не сожмется там, где вы его держите. А еще нить может немного уходить из одной петли в другую, меняя их периметр.

Все эти вопросы настолько заинтриговали трех ученых из Франции, что они решили создать аккуратную модель вязаной ткани. Основных положения было два: нить нерастяжима, а ткань старается минимизировать суммарную энергию, вызванную изгибом нити в петлях. В результате получилась довольно простая модель, которая описывает деформацию петель в зависимости от их положения в ткани. Ах да, параллельно с этим они связали нейлоновое полотно и стали его по-всякому растягивать. Разумеется, оказалось, что модель замечательно согласуется с результатами эксперимента.

Вот таким нам запомнится ушедший год. А теперь за работу, и постараемся сделать год наступивший не менее интересным ;).

явлений высокого давления | физика | Британика

явления высокого давления , изменения физических, химических и структурных характеристик, которым подвергается вещество при воздействии высокого давления. Таким образом, давление служит универсальным инструментом в исследовании материалов и особенно важно при исследовании горных пород и минералов, образующих недра Земли и других планет.

Давление, определяемое как сила, приложенная к площади, представляет собой термохимическую переменную, вызывающую физические и химические изменения, сравнимые с более известными эффектами температуры.Жидкая вода, например, превращается в твердый лед при охлаждении до температуры ниже 0 ° C (32 ° F), но лед также можно получить при комнатной температуре путем сжатия воды до давления, примерно в 10 000 раз превышающего атмосферное давление. Точно так же вода превращается в газообразную форму при высокой температуре или низком давлении.

Несмотря на внешнее сходство между температурой и давлением, эти две переменные существенно различаются по тому, как они влияют на внутреннюю энергию материала.Изменения температуры отражают изменения кинетической энергии и, следовательно, термодинамического поведения колеблющихся атомов. С другой стороны, повышенное давление изменяет энергию атомных связей, сближая атомы в меньшем объеме. Таким образом, давление служит мощным зондом атомных взаимодействий и химических связей. Кроме того, давление является важным инструментом для синтеза плотных структур, включая сверхтвердые материалы, новые затвердевшие газы и жидкости, а также минералоподобные фазы, предположительно находящиеся глубоко в недрах Земли и других планет.

Было введено множество единиц измерения давления, которые иногда путают в литературе. Часто упоминается атмосфера (атм; примерно 1,034 кг на квадратный сантиметр [14,7 фунта на квадратный дюйм], что эквивалентно весу около 760 миллиметров [30 дюймов] ртутного столба) и бар (эквивалентно одному килограмму на квадратный сантиметр). По совпадению эти единицы практически идентичны (1 бар = 0,987 атм). Паскаль, определяемый как один ньютон на квадратный метр (1 Па = 0.00001 бар) — официальная единица измерения давления в системе СИ (Международная система единиц). Тем не менее, паскаль не получил всеобщего признания среди исследователей высокого давления, возможно, из-за неудобной необходимости использовать гигапаскаль (1 ГПа = 10 000 бар) и терапаскаль (1 ТПа = 10 000 000 бар) при описании результатов высокого давления.

В повседневной жизни встречаются случаи, когда давление выше атмосферного встречается, например, в скороварках (около 1,5 атм), пневматических автомобильных и грузовых шинах (обычно от 2 до 3 атм) и паровых системах (до 20 атм).Однако в контексте исследования материалов «высокое давление» обычно относится к давлению в диапазоне от тысяч до миллионов атмосфер.

Изучение вещества под высоким давлением особенно важно в планетарном контексте. Объекты в самой глубокой впадине Тихого океана подвергаются давлению около 0,1 ГПа (примерно 1000 атм), что эквивалентно давлению под трехкилометровым столбом породы. Давление в центре Земли превышает 300 ГПа, а давление внутри крупнейших планет — Сатурна и Юпитера — оценивается примерно в 2 и 10 ТПа соответственно.В верхнем пределе давление внутри звезд может превышать 1 000 000 000 ТПа.

Производство высокого давления

Ученые изучают материалы под высоким давлением, помещая образцы в специально разработанные машины, которые прикладывают усилие к области образца. До 1900 года эти исследования проводились в довольно грубых чугунных или стальных цилиндрах, обычно с относительно неэффективными винтовыми уплотнениями. Максимальное лабораторное давление было ограничено примерно 0,3 ГПа, а взрывы баллонов были обычным явлением, а иногда и опасными.Кардинальные усовершенствования аппаратов высокого давления и методов измерения были введены американским физиком Перси Уильямсом Бриджменом из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. В 1905 году Бриджмен открыл метод упаковки образцов под давлением, включая газы и жидкости, таким образом, что прокладка всегда испытывала более высокое давление, чем исследуемый образец, тем самым ограничивая образец и снижая риск неудачи эксперимента. Бриджмен не только регулярно достигал давления выше 30 000 атм, но также мог изучать жидкости и другие сложные образцы.

Аппараты большого объема

Постоянное высокое давление и температура в настоящее время обычно производятся в массивных прессах, которые направляют большие силы (до тысяч тонн) через две или более прочные наковальни для сжатия образца. В простейшем из этих устройств, представленном Бриджменом в 1930-х годах, используются две конические наковальни, которые сжимают образец, как тиски. Несмотря на способность выдерживать очень высокие давления — более 50 ГПа в конструкциях с достаточной боковой опорой наковальни — осевая сила пресса имеет тенденцию деформировать образцы в чрезвычайно сплющенные, сильно напряженные диски.

Конструкция «поршень в цилиндре», используемая более века, включает в себя прочный металлический или карбидный поршень, который вдавливается в цилиндр, удерживающий образец. В принципе, поршень может быть довольно длинным, поэтому конструкция поршневого цилиндра может вместить гораздо больший объем образца, чем соковыжималка, в зависимости от размеров цилиндра, удерживающего образец. Эти устройства редко используются при давлениях выше примерно 10 ГПа из-за вероятности бокового разрушения (а именно взрывного разрыва) металлического цилиндра.

Ленточный аппарат, изобретенный в 1954 году ученым Трейси Холлом из General Electric Company для использования в программе компании по производству алмазов, сочетает в себе элементы конструкции как с оппозитными упорами, так и с поршневым цилиндром. Две сильно сужающиеся поршневые наковальни сжимают образец, заключенный в торе, подобно цилиндру, открытому с обоих концов. Сотни устройств ленточного типа используются во всем мире в синтезе алмазов.

Многие исследователи высокого давления в настоящее время используют устройства с разделенными сферами или несколькими наковальнями, которые равномерно сжимают образец со всех сторон.Широко распространены варианты с шестью наковальнями, прижимающимися к шести граням кубического образца, или с восемью наковальнями, сжимающими октаэдрический образец. В отличие от простых сжимающих, цилиндро-поршневых и ленточных аппаратов многонаковальни устройства позволяют сжимать образец равномерно со всех сторон, достигая при этом диапазона давлений с верхним пределом не менее 30 ГПа. Все эти типы аппаратов высокого давления могут быть оснащены резистивным нагревателем, обычно окружающим образец цилиндром из графита или другим электропроводящим нагревательным элементом, для исследований при температурах до 2000 °С.

MS-PS1 Материя и ее взаимодействия

Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут: МС-ПС1-1. [Уточняющее заявление: Акцент делается на разработке моделей молекул различной сложности. Примеры простых молекул могут включать аммиак и метанол. Примеры протяженных структур могут включать хлорид натрия или алмазы. Примеры моделей на молекулярном уровне могут включать рисунки, трехмерные структуры шаров и палочек или компьютерные представления, показывающие разные молекулы с разными типами атомов.] [ Границы оценки: оценка не включает валентные электроны и энергию связи, обсуждение ионной природы субъединиц сложных структур или полное описание всех отдельных атомов в сложной молекуле или расширенной структуре не требуется. ] MS-PS1-2. [Уточнение: примеры реакций могут включать сжигание сахара или стальной ваты, реакцию жира с гидроксидом натрия и смешивание цинка с хлористым водородом.] [ Граница оценки: Оценка ограничивается анализом следующих свойств: плотность, точка плавления, точка кипения, растворимость, воспламеняемость и запах. ] MS-PS1-3. [Пояснение: Акцент делается на природных ресурсах, которые подвергаются химическому процессу для образования синтетического материала. Примеры новых материалов могут включать новые лекарства, продукты питания и альтернативные виды топлива.] [ Границы оценки: Оценка ограничивается качественной информацией. ] MS-PS1-4. [Уточняющее заявление: Акцент делается на качественных моделях твердых тел, жидкостей и газов на молекулярном уровне, чтобы показать, что добавление или удаление тепловой энергии увеличивает или уменьшает кинетическую энергию частиц до тех пор, пока не произойдет изменение состояния. Примеры моделей могут включать чертежи и диаграммы. Примеры частиц могут включать молекулы или инертные атомы. Примеры чистых веществ могут включать воду, углекислый газ и гелий.] MS-PS1-5.  [Уточняющее заявление: акцент делается на законе сохранения материи и физических моделях или чертежах, включая цифровые формы, которые представляют атомы.] [ Границы оценки: Оценка не включает использование атомных масс, балансировку символических уравнений или межмолекулярные силы. ] MS-PS1-6.    [Пояснение: основное внимание уделяется конструкции, управлению передачей энергии в окружающую среду и модификации устройства с использованием таких факторов, как тип и концентрация вещества.Примеры конструкций могут включать химические реакции, такие как растворение хлорида аммония или хлорида кальция.] [ Границы оценки: оценка ограничивается критериями количества, времени и температуры вещества при тестировании устройства. ]

Научная и инженерная практика Разработка и использование моделей Моделирование в 6–8 основывается на K–5 и переходит к разработке, использованию и пересмотру моделей для описания, тестирования и прогнозирования более абстрактных явлений и систем проектирования. Анализ и интерпретация данных Анализ данных в 6–8 основывается на K–5 и переходит к расширению количественного анализа на исследования, различая корреляцию и причинно-следственную связь, а также базовые статистические методы анализа данных и ошибок. Построение пояснений и разработка решений Построение объяснений и разработка решений в 6–8 основаны на опыте K–5 и прогрессируют, включая построение объяснений и разработку решений, поддерживаемых несколькими источниками данных, согласующимися с научными знаниями, принципами и теориями. Получение, оценка и передача информации Получение, оценка и передача информации в 6–8 основывается на К–5 и переходит к оценке достоинств и обоснованности идей и методов. — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —           Связи с природой науки   Научное знание основано на эмпирических данных Научные знания основаны на логических и концептуальных связях между фактами и объяснениями.(MS-PS1-2) Научные модели, законы, механизмы и теории объясняют природные явления Законы — это закономерности или математические описания явлений природы. (МС-ПС1-5)

Основные дисциплинарные идеи PS1.A: Структура и свойства материи PS1.B: Химические реакции PS3.A: Определения энергии ETS1.B: Разработка возможных решений ЭТС1.C: Оптимизация проектного решения

Концепции поперечного сечения Узоры Причина и следствие Масштаб, пропорции и количество Энергия и материя Структура и функции — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —                             Взаимозависимость науки, техники и технологий Инженерные достижения привели к важным открытиям практически во всех областях науки, а научные открытия привели к развитию целых отраслей промышленности и инженерных систем. (MS-PS1-3) Влияние науки, техники и технологий на общество и мир природы

Структура материи

Существует большое перекрытие мира статического электричества и повседневного мира, который вы испытываете. Одежда кувыркается в сушилке и слипается. Вы идете по ковру, чтобы выйти из комнаты, и получаете удар дверной ручкой. В конце дня вы стягиваете шерстяной свитер и видите искры электричества. В засушливую зиму вы выходите из машины и получаете удар в дверь автомобиля, когда пытаетесь закрыть дверь.Видны искры электричества, когда вы стягиваете шерстяное одеяло с простыней своей кровати. Вы гладите кошачью шерсть и наблюдаете, как шерсть встает дыбом. Молнии несутся по вечернему небу во время весенней грозы. И самое трагичное, у тебя неудачный день с прической. Все это явления статического электричества — события, которые можно объяснить только пониманием физики электростатики.

Мало того, что электростатические явления пронизывают события повседневной жизни, без сил, связанных со статическим электричеством, жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможна. Электростатические силы — как притягивающие, так и отталкивающие по своей природе — удерживают мир атомов и молекул в идеальном равновесии. Без этой электрической силы материальные вещи не существовали бы. Атомы как строительные блоки материи зависят от этих сил. А материальные объекты, в том числе и мы, земляне, состоят из атомов, а акты стояния и ходьбы, осязания и осязания, обоняния и вкуса и даже мышления являются результатом электрического явления. Электростатические силы лежат в основе нашего существования.

Один из основных вопросов, которые необходимо задать в этом разделе «Класс физики»: как объект может быть заряжен и какое влияние этот заряд оказывает на другие объекты, находящиеся поблизости? Ответ на этот вопрос начинается с понимания строения материи. Понимание заряда как фундаментальной величины требует от нас понимания структуры атома. Итак, мы начинаем этот раздел с того, что многим студентам может показаться кратким обзором раздела из курса химии.

История строения атома

Поиски атома начались как философский вопрос. Именно естествоиспытатели Древней Греции начали поиски атома, задавая такие вопросы, как: из чего состоит вещество ? Какова структура материальных объектов? Существует ли базовая единица, из которой состоят все объекты? Еще в 400 году до нашей эры некоторые греческие философы предположили, что материя состоит из неделимых строительных блоков, известных как атома .( Atomos в переводе с греческого означает неделимый.) Для этих древних греков материя не могла непрерывно разрушаться и делиться до бесконечности. Скорее, существовала базовая единица или строительный блок, неделимый и лежащий в основе его структуры. Этот неделимый строительный блок, из которого состоит вся материя, стал известен как атом.

Древние греки были просто философами. Они не проводили экспериментов для проверки своих теорий. На самом деле наука как экспериментальная дисциплина не стала заслуживающей доверия и популярной практикой лишь где-то в 1600-х годах.Таким образом, поиск атома оставался философским исследованием в течение нескольких тысячелетий. С 1600-х годов до настоящего века поиск атома стал экспериментальным занятием. Известны несколько ученых; среди них Роберт Бойл, Джон Далтон, Дж.Дж. Томсон, Эрнест Резерфорд и Нильс Бор.

Исследования Бойля (середина-конец 1600-х годов) газообразных веществ способствовали выдвижению идеи о том, что существуют различные типы атомов, известные как элементы. Дальтон (начало 1800-х годов) провел множество экспериментов, чтобы показать, что различные элементы могут соединяться в фиксированных соотношениях масс с образованием соединений.Впоследствии Дальтон предложил одну из первых теорий поведения атомов, которая была подтверждена фактическими экспериментальными данными.

Английский ученый Дж.Дж. Опыты Томсона с катодными лучами (конец 19 в.) привели к открытию отрицательно заряженного электрона и первым представлениям о строении этих неделимых атомов. Томсон предложил модель сливового пудинга , предположив, что структура атома напоминает любимый английский десерт — сливовый пудинг. Изюм, рассеянный среди сливового пудинга, аналогичен отрицательно заряженным электронам, погруженным в море положительного заряда.

Почти через десять лет после Томсона знаменитые эксперименты Эрнеста Резерфорда с золотой фольгой привели к созданию ядерной модели строения атома. Модель Резерфорда предполагала, что атом состоит из плотно упакованного ядра положительного заряда, известного как ядро ​​ , окруженного отрицательно заряженными электронами. Хотя ядро ​​было уникальным для атома Резерфорда, еще более удивительным было предположение, что атом состоит в основном из пустого пространства.Большая часть массы была упакована в ядро, которое было аномально маленьким по сравнению с реальным размером атома.

Нильс Бор усовершенствовал ядерную модель Резерфорда (1913 г.), объяснив, что электроны присутствуют на орбитах вне ядра. Электроны были ограничены определенными орбитами фиксированного радиуса, каждая из которых характеризовалась своими дискретными уровнями энергии. Хотя электроны могут быть перемещены с одной орбиты на другую, они никогда не смогут занимать пространство между орбитами.

Взгляд Бора на квантовые уровни энергии был предшественником современных квантово-механических взглядов на атомы. Математическая природа квантовой механики не позволяет обсуждать ее детали и ограничивает нас кратким концептуальным описанием ее особенностей. Квантовая механика предполагает, что атом состоит из множества субатомных частиц. Тремя основными субатомными частицами являются протон, электрон и нейтрон. Протон и нейтрон — самые массивные из трех субатомных частиц; они расположены в ядре атома, образуя плотное ядро ​​атома.Протон заряжен положительно. Нейтрон не имеет заряда и называется нейтральным. Протоны и нейтроны тесно связаны друг с другом внутри ядра атома. За пределами ядра находятся концентрические сферические области пространства, известные как электронных оболочки . Оболочки являются домом для отрицательно заряженных электронов. Каждая оболочка характеризуется определенным энергетическим уровнем. Внешние оболочки имеют более высокие энергетические уровни и характеризуются меньшей устойчивостью. Электроны в оболочках с более высокой энергией могут перемещаться с вниз по к оболочкам с более низкой энергией; это движение сопровождается выделением энергии.Точно так же электроны в оболочках с более низкой энергией можно заставить двигаться к внешним оболочкам с более высокой энергией путем добавления энергии к атому. Если обеспечить достаточную энергию, электрон может быть удален из атома и освободиться от притяжения к ядру.

Применение атомной структуры к статическому электричеству

Этот краткий экскурс в историю теории атома приводит к некоторым важным выводам о структуре материи, которые будут иметь огромное значение для нашего изучения статического электричества.Эти выводы кратко изложены здесь:

• Все материальные объекты состоят из атомов. Существуют различные виды атомов, известных как элементы; эти элементы могут объединяться, образуя соединения. Различные соединения обладают совершенно разными свойствами. Материальные объекты состоят из атомов и молекул этих элементов и соединений, что обеспечивает различные материалы с различными электрическими свойствами.
• Атом состоит из ядра и обширной области пространства вне ядра.Электроны находятся в области пространства вне ядра. Они отрицательно заряжены и слабо связаны с атомом. Электроны часто удаляются из атома и присоединяются к нему в результате обычных повседневных процессов. Эти события находятся в центре внимания этого блока статического электричества в классе физики.
• Ядро атома содержит положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Эти протоны и нейтроны не могут быть удалены или возмущены обычными повседневными методами. Потребовалась бы какая-то форма высокоэнергетического ядерного явления, чтобы потревожить ядро ​​и впоследствии вытеснить его положительно заряженные протоны. Эти высокоэнергетические явления, к счастью, не являются повседневным явлением, и они, конечно же, не являются предметом этого раздела «Класс физики». Одна несомненная истина этой единицы состоит в том, что протоны и нейтроны останутся внутри ядра атома. Электростатическое явление никогда нельзя объяснить движением протонов.

Обзор субатомных частиц
Протон	Нейтрон	Электрон
В ядре Плотно связанные Положительный заряд Массивный	В ядре Плотно связанные Бесплатно Массивный	Вне ядра Слабосвязанный Отрицательный заряд Не очень массивный

 

Различные явления будут обдуманы, исследованы и объяснены в ходе этого курса статического электричества. Каждое явление будет объяснено с использованием модели материи, описанной тремя приведенными выше утверждениями. Явления будут варьироваться от резинового воздушного шара, прилипшего к деревянной двери, до слипшейся одежды, которая упала в сушилку, до молнии, увиденной в вечернем небе. Каждое из этих явлений будет объяснено с точки зрения движения электронов — как внутри атомов и молекул материала, так и от атомов и молекул одного материала к атомам и молекулам другого. В следующем разделе урока 1 мы рассмотрим, как можно использовать движение электронов, чтобы объяснить, как и почему объекты приобретают электростатический заряд.

 

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание заряда, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. ____ — заряженные части атома.

а. Только электроны

б. Только протоны

в. Всего нейтронов

д.Электроны и нейтроны

эл. Электроны и протоны

ф. Протоны и нейтроны

 

Атомная теория

Атомная теория

Атомная теория :

Древний философ Гераклит утверждал, что все находится в состоянии потока. Ничто не ускользает от каких-либо изменений (невозможно шагнуть в та самая река).С другой стороны, Парменид утверждал, что все есть то, что оно есть, так что оно не может стать тем, чего нет (изменение невозможно, потому что субстанция должна была бы пройти через ничто, чтобы стать чем-то другим, логическое противоречие). Таким образом, изменение несовместимо с тем, чтобы быть таким. что только постоянные аспекты Вселенной могут считаться реальными.

Гениальный побег был предложен в пятом веке до нашей эры. по Демокриту. Он выдвинул гипотезу о том, что вся материя состоит из крошечных неразрушимых единиц, называемых атомы. Сами атомы остаются неизменными, но перемещаются в пространстве, чтобы комбинировать различными способами, чтобы сформировать все макроскопические объекты. Ранний атомный Теория утверждала, что характеристики объекта определяются форму его атомов. Так, например, сладкие вещи делаются из гладкой атомы, горькие вещи сделаны из острых атомов.

Таким образом постоянство и поток примиряются, и поле атомного родилась физика. Хотя идеи Демокрита должны были решить философская дилемма, тот факт, что в основе лежит некая элементарная вещества во Вселенную является основным двигателем в современной физике, поиск конечной субатомной частицы.

Именно Джон Дальтон в начале 1800-х определил, что каждое химическое вещество элемент состоит из уникального типа атома, и что атомы различаются по их массам. Он разработал систему химических символов и, получив установил относительные веса атомов, сложил их в таблицу. В Кроме того, он сформулировал теорию о том, что химическое соединение различные элементы встречаются в простых числовых соотношениях по массе, что привело к развитию законов определенных и кратных пропорций.

Затем он определил, что соединения состоят из молекул и что молекулы состоят из атомов в определенных пропорциях. Таким образом, атомы определяют состав вещества, а соединения можно разделить на отдельные их элементы.

Первые оценки размеров атомов и числа атомов в единица объема, сделанная Джозефом Лошмидтом в 1865 году. Используя идеи кинетической теории, идея о том, что свойства газа обусловлены движение составляющих его атомов, Лошмидт рассчитал среднее свободное путь атома на основе скоростей диффузии.Его результатом было то, что есть 6,022×10 ²³ атомов на 12 граммов углерода. И что типичный диаметр атома составляет 10 ^-8 сантиметров.

К 19 веку было установлено, что атомы связываются друг с другом для образования веществ с помощью электромагнитных сил. Эти атомы очень малы, и материя в основном представляет собой пустое пространство, но «чувствует» твердой, потому что атомы вашей руки отталкиваются электромагнитные силы между вашими атомами и атомами объектов (как стол).

---

Материя :

Материя существует в четырех состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Плазма встречаются только в коронах и ядрах звезд. Состояние вещества определяется прочностью связей между атомами, из которых состоит вещество. Таким образом, пропорциональна температуре или количеству энергии, содержащейся в причина.

Переход вещества из одного состояния в другое называется фазой переход. Например, лед (твердая вода) превращается (тает) в жидкую воду. по мере добавления энергии.Продолжайте добавлять энергию, и вода превратится в пар. (газообразная вода) затем при температуре несколько миллионов градусов распадается на составные атомы.

Ключевым моментом, который следует отметить в атомной теории, является взаимосвязь между макроскопический мир (нас) и микроскопический мир атомов. Например, макроскопический мир имеет дело с такими понятиями, как температура и давление описывать материю. Микроскопический мир атомной теории имеет дело с кинетическое движение атомов для объяснения макроскопических величин.

Откуда мы знаем, что атомы существуют? броуновский движение

Температура объясняется в атомной теории как движение атомов (быстрее = горячее). Давление объясняется передачей импульса те движущиеся атомы на стенках контейнера (более быстрые атомы = более высокая температура = больше импульса/ударов = более высокое давление).

---

Закон идеального газа :

Макроскопические свойства вещества подчиняются закону идеального газа. химия.

Идеальный газ — это газ, который по своим физическим свойствам соответствует частное, идеализированное соотношение между давлением, объемом и температурой.Закон идеального газа гласит, что для определенного количества газа произведение объема (V) и давления (P) пропорциональна абсолютному температура (T) и количество или плотность частиц (n); т. е. в форма уравнения, PV = nkT, в котором k является константой (называемой постоянной Больцмана). Такое отношение для вещества называется его уравнением состояния и достаточно для описания его грубое поведение.

Идеальный газ моделирование

Распространение

Диаграмма PV

Хотя ни один газ не описывается приведенным выше законом, поведение реальных газов довольно близко описывается законом идеального газа при достаточно высоких температуры и низкого давления (например, давление воздуха на уровне моря), когда относительно большие расстояния между молекулами и их высокие скорости преодолевают любые взаимодействие.Газ не подчиняется уравнению, когда условия таковы, что газ или любой из газовых компонентов в смеси близок к своей тройной точка.

Закон идеального газа может быть выведен из кинетической теории газов и основан на предположения, что (1) газ состоит из большого числа молекул, которые находятся в случайном движении и подчиняются детерминированным законам движения Ньютона; (2) объем молекул пренебрежимо мал по сравнению с объемом, занимаемым газ; и (3) никакие силы не действуют на молекулы, кроме как во время упругого столкновения незначительной продолжительности.

---

Термодинамика :

Изучение взаимосвязи между теплотой, работой, температурой и энергией, охватывающее общее поведение физической системы, называется термодинамикой. Есть четыре закона термодинамики, все они касаются энергии и ее эволюции от система к системе.

Нулевой закон термодинамики состоит в том, что две системы находятся в тепловом равновесия с третьей системой, они должны находиться в тепловом равновесии с друг с другом. Этот закон помогает определить понятие температуры и помещает известный факт, что все системы пытаются достичь равновесия.Штаты или системы, не находящиеся в равновесии, являются вынужденными и требуют объяснения, например формы жизни.

Первый закон термодинамики часто называют законом закон сохранения энергии (фактически массы-энергии), потому что он, по сути, говорит: что когда система подвергается процессу, сумма всей энергии передается через границу системы в виде теплоты или работы. равно чистому изменению энергии системы. Например, если вы выполнить физическую работу с системой (например, размешать воду), некоторые из энергия идет на движение, остальное идет на повышение температуры система.

Второй закон термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия возрастает. Ржавчина автомобилей, мертвые деревья ветхость, разрушение зданий; все эти вещи являются примерами энтропии в действие, спонтанное движение от порядка к беспорядку.

Классическая или ньютоновская физика неполна, потому что не включает необратимые процессы, связанные с возрастанием энтропии. Энтропия всей Вселенной всегда возрастала со временем. Мы просто локальное пятно низкой энтропии и наша судьба связана с неудержимый рост беспорядка в нашем мире => звезды сгорят, цивилизации умрут от недостатка энергии.

Таким образом, приближение к равновесию является необратимым процессом. То тенденция к равновесию настолько фундаментальна для физики, что вторая закон, вероятно, является наиболее универсальным регулятором естественной деятельности, известным наука.

Понятие температуры входит в термодинамику как точная математическая величина, связывающая теплоту с энтропией. Взаимодействие этих три величины дополнительно ограничены третьим законом термодинамика, которая имеет дело с абсолютным нулем температуры и ее теоретическая недостижимость.

Абсолютный ноль (приблизительно -273 C) соответствовал бы условию в когда система достигла наименьшего энергетического состояния. Третий закон гласит что при приближении к этой минимальной температуре дальнейшая экстракция энергии становится все труднее.

---

Резерфорд Атом :

Эрнест Резерфорд считается отцом ядерной физики. Действительно, это можно сказать, что Резерфорд изобрел сам язык для описания теоретические представления об атоме и явлении радиоактивности.Частицы, названные и охарактеризованные им, включают альфа-частицу, бета- частица и протон. Резерфорд опроверг модель атома Томсона в 1911 г. с его известным экспериментом с золотой фольгой, в котором он продемонстрировал, что атом имеет крошечное, массивное ядро.

Его результаты лучше всего объясняются моделью атома как крошечного, плотного, положительно заряженное ядро, называемое ядром, в котором почти вся масса сосредоточены, вокруг которых светлые, отрицательные составляющие, называемые электроны, циркулируют на некотором расстоянии подобно планетам, вращающимся вокруг солнце.

Атомную модель Резерфорда также называют моделью атома. ядерный атом, или планетарная модель атома.

---

Специальный выпуск: Достижения в понимании астрофизических и атомных явлений

Уважаемые коллеги,

Астрофизические явления имеют фундаментальные связи с атомными явлениями — прямо или через различные аналогии. Теоретические и наблюдательные исследования темной материи, темной энергии, ранней Вселенной, черных дыр и других крупных структур, связанных с космологией, а также структур малого и среднего размера, таких как Солнечная система, звездная динамика и галактики, и гравитационные волны продолжают оставаться в авангарде астрофизических исследований. Атомная и молекулярная физика в настоящее время имеет широкий спектр теоретических и экспериментальных исследований, включая (но не ограничиваясь) атомы и молекулы в различных внешних полях (включая лазерные поля), электронные и ионные столкновения, электронные корреляции в наносистемах, лазерное охлаждение атомов и Конденсаты Бозе-Эйнштейна, атомные процессы в плазме, хаотические явления в микромире, квантовые вычисления и информация.

В этом специальном выпуске приветствуются презентации новых теоретических и экспериментальных результатов во всех областях астрофизики и космологии, а также во всех областях атомной и молекулярной физики.В этом специальном выпуске также приветствуются обзоры (полные или мини-обзоры) по любой подобласти этих широких областей исследований.

Проф. д-р Юджин Окс
Проф. д-р Пьеро Николини
Приглашенные редакторы

Информация о подаче рукописей

Рукописи должны быть представлены онлайн на сайте www. mdpi.com путем регистрации и входа на этот сайт. После регистрации нажмите здесь, чтобы перейти к форме отправки. Рукописи можно подавать до указанного срока. Все статьи будут рецензироваться.Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска. Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для планируемых статей в редакцию можно отправить название и краткую аннотацию (около 100 слов) для размещения на сайте.

Представленные рукописи не должны быть опубликованы ранее или находиться на рассмотрении для публикации в другом месте (за исключением материалов конференции).Все рукописи проходят тщательную рецензирование в рамках единого процесса слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая необходимая информация для подачи рукописей доступны на странице Инструкции для авторов. Universe — международный рецензируемый ежемесячный журнал с открытым доступом, издаваемый MDPI.

Перед отправкой рукописи посетите страницу Инструкции для авторов. Представленные документы должны быть хорошо отформатированы и на хорошем английском языке. Авторы могут использовать MDPI Услуги редактирования на английском языке перед публикацией или во время авторских правок.

Эволюция концепции атома

предыдущая    главная    следующая

Майкл Фаулер, Университет Вирджинии

Ранние греческие идеи

Первые «теоретики-атомщики», о которых мы знаем, были двое греки V в. до н.э., Левкипп из Милета (ныне город в Турции) и Демокрит Абдерский. Их теории, естественно, были более философскими, чем экспериментальный по происхождению. Основная идея заключалась в том, что если бы вы могли смотреть на материю на все меньше и меньше масштабов (что они, конечно, не могли) в конечном итоге вы бы увидеть отдельные атома — объекта, которые нельзя было разделить дальше (это было определение атома).Все было составлено из этих атомов, которые двигались вокруг в пустоте (вакууме). Различные физические свойства – цвет, вкус, и т. д. Материалы возникли из-за того, что атомы в них имели разную форму. и/или расположение и ориентация по отношению друг к другу.

Все это было чистым предположением, но физические изображения, которые они описанное иногда кажется сверхъестественно точным. Например, вот цитата из Лукреций, современник Юлия Цезаря, об идеях Эпикура, который был последователь Демокрита:

…смотри внимательно, когда впускают лучи и заливай солнечный свет сквозь темные места в домах… вы увидите много частиц там взволнованные незримыми ударами меняют курс и поворачивают назад, гонимые назад на своем пути, то так, то так, во всех направлениях повсюду.Вы можете знать, что это смещающее движение исходит от атомов*. Во-первых, атомы вещей движутся сами по себе; то те тела, которые образованы крошечным союзом и находятся как бы ближе всего к силам атомы, поражены и взволнованы их невидимыми ударами, и они, в свою очередь, поднять тела немного больше. И так движение проходит вверх от атомов, и мало-помалу доходит до наших чувств, так что эти тела двигаться тоже, что мы можем различить в солнечном свете; все же это не ясно видно какими ударами они это делают.

(*вызывается «первоначала» Лукреция — поставим «атомы», он имел в виду то же самое.)

Возможно ли, что у некоторых молодых греков было достаточно острое зрение увидеть броуновское движение?

Эти греческие философы считали, что атомы постоянное движение, и так было всегда, по крайней мере, в газах и жидкостях. Иногда, однако из-за их тесно сцепленных форм они соединялись в плотно упакованные соединения, образующие такие материалы, как камень или железо. В основном Демокрит и его у последователей была очень механическая картина Вселенной.Они думали, что все природные явления в принципе могут быть поняты с точки зрения взаимодействия, обычно движущиеся атомы. Это не оставляло места для вмешательства богов. Их атомный картина включала в себя разум и даже душу, которая поэтому и не сохранилась смерть. На самом деле это была жизнерадостная альтернатива популярным религиям того времени. день, в который боги постоянно вмешивались, часто неприятным образом, и смерти нужно было бояться, потому что за ней обязательно последуют наказания.

Небольшой концептуальный прогресс в атомной теории был достигнут за следующие две тысячи лет, в значительной степени потому, что Аристотель дискредитировал его, и его взгляды господствовали в средние века.

Галилео

С эпохой Возрождения дела пошли на лад. Галилео верил в атомы, хотя, как и ранние греки, казалось, путал идея физической неделимости с идеей нулевой пространственной протяженности, т.е. быть математической точкой. Тем не менее его идеи в этой области, по-видимому, попали в теологическую горячую воду. Церковь считала, что учение о пресуществление — вера в то, что хлеб и вино буквально стали телом и кровь Христа — трудно было поверить, если все было сделано из атомы.Это было отголоском напряженности между атомами и религией двухтысячных лет назад.

Теория атомов Галилея была разработана не очень хорошо. Он создается впечатление, что в некоторых местах они были бесконечно малы ( Два новых наук , стр. 51, 52), а ввиду его прекрасного понимания размерности взвешивая аргументы, он мог подумать, что вакуумный отсос между бесконечно малых поверхностей было бы достаточно, чтобы удерживать твердые тела вместе, поскольку меньшие объекты имеют пропорционально большую поверхность.Конечно, это было на неправильный трек. (По иронии судьбы вскоре после смерти Галилея его ученик Торричелли был первым, кто понял, что сила всасывания на самом деле является результатом действия воздуха. давление от веса атмосферы.)

Ньютон

Гораздо более современный взгляд на атомы и межатомные силы были изложены позднее, в семнадцатом веке, Исааком Ньютоном, написавшим ( Оптика , Книга 3, Часть 1):

Квест. 31. Не иметь маленьких частиц тел определенные Силы, Добродетели или Силы, с помощью которых они действуют на расстоянии, а не только на Лучи Света для их отражения, преломления и преломления, но также друг на друга за то, что они произвели большую часть явлений природы? За хорошо известно, что тела действуют друг на друга посредством притяжения гравитация, магнетизм и электричество; и эти экземпляры показывают тенор и течением природы, и не исключено, что найдутся более привлекательные Силы, чем эти… . Ибо мы должны узнать из явлений природы, что Тела притягиваются друг к другу, и каковы законы и свойства Притяжение, прежде чем мы исследуем причину, по которой осуществляется притяжение. Притяжение гравитации, магнетизма и электричества достигает очень ощутимых расстояния, и поэтому были замечены обычными глазами, и могут быть и другие которые достигают столь малых расстояний, что до сих пор ускользали от Наблюдения, и, возможно, электрическое притяжение может достигать таких малых расстояний, даже не будучи возбуждается трением.

На самом деле, хотя силы, связывающие атомы вместе в молекулы не могут быть правильно поняты без квантовой механики, многие из эти силы являются «короткодействующими» электрическими силами – силами между телами имеющие общую электрическую нейтральность, но искаженное распределение заряда. Эти сил определенно можно было бы классифицировать как «электрическое притяжение, достигающее малые расстояния». Обратите внимание, что Ньютон также оставляет дверь открытой для других . короткодействующие силы, которые были окончательно открыты в 1930-х годах!

Далее Ньютон утверждает, что если предположить существование сил притяжения между частицами предлагает очень естественные объяснения различных явления типа физико-химии, такие как расслаивание, легкость перегонки и теплота смешения:

Ибо, когда Татарская соль бежит по Деликвиуму, разве это не осуществляется притяжением между частицами тартарской соли и Частицы воды, плавающие в воздухе в виде паров? … И Откуда, как не от этой притягательной Силы, вода, которая одна перегоняет с легким теплым жаром, не будет дистиллировать из татарской соли без большая жара? … И когда вода и масло купороса последовательно лились в Тот же самый сосуд сильно нагревается при смешивании, разве это тепло не свидетельствует о великом Движение частей ликеров? И разве это Движение не утверждает, что Части двух Ликеров при смешивании сливаются с Насилием, и, как следствие, мчаться навстречу друг другу с ускоренным Движением?

Очевидно, Ньютон уже понял, что тепло молекулярное движение, и как такое тепло генерируется, когда разнородные молекулы, которые притягиваются друг к другу, смешиваются, поэтому их потенциальная энергия переводится в кинетическую энергии, когда они движутся навстречу друг другу.

Наконец, я не могу удержаться от следующей цитаты сэра Исаака:

Квест. 30. Не являются ли грубые Тела и Свет обратимыми? друг в друга, и не могут Тела получать большую часть своей Деятельности от Частицы Света, входящие в их Состав?…  Смена Тел в Свет, а Свет в Тела, очень сообразна с Ходом Природы, который, похоже, в восторге от трансмутаций…

(Конечно, несмотря на всю эту ньютоновскую проницательность, мы не должны увлекаться: Ньютон не верил в кинетическую теорию газов — он считал, что атомы в газе более или менее статичны, давление, возникающее взаимное отталкивание между соседними атомами.Он также твердо верил, что свет состоит из частиц, а не волн, хотя в ретроспективе это может быть не так неправильно.)

Предварительная химия

Современную химию сложно представить не задумываясь в терминах атомов — центральное понятие, химическая реакция, выражается как уравнение, показывающее, как атомы, некоторые из которых входят в молекулы, становятся несвязанными, связанными или менять партнеров, формируя разные наборы молекул и атомов, высвобождая или поглощая энергию в процессе.

Цитаты Ньютона выше, которые звучат так, как будто он на правильный путь, не рассказывай всю историю.Он думал, что часть химии (особенно физическую часть) можно объяснить с точки зрения механики корпускулы, но что есть нечто более важное — более трудно поддающееся определению жизненный дух, составлявший основу жизни, а также так или иначе связанный с Меркурий; по крайней мере, такое впечатление у меня возникает, когда я просматриваю некоторые из его алхимические работы. Не то чтобы это имело большое значение для разработки речь идет об атомном понятии. Алхимики в своем бесплодном стремлении превратить привести к золоту (и найти эликсир жизни и т.) очень умело управляя большим разнообразием химических реакций, и таким образом изучил свойства многих веществ.

Точка зрения алхимиков основывалась на четырех принципах Аристотеля. элементы, земля, воздух, огонь и вода, но они добавили принципы. Например, в воздухе было активное начало, важное для дыхания и горения. Был кислотный принцип. А потом был флогистон. Смотря на что-то в огне, кажется совершенно очевидным, что что-то ускользает материал.То, что они назвали флогистоном. После того, как Бойль обнаружил, что металлы стали тяжелее при сгорании, было решено, что флогистон отрицательный вес.

Лавуазье

Первый крупный шаг к современной количественной химии был принят Лавуазье в конце XVIII в. Он понял что горение представляет собой химическую реакцию между горящим веществом и компонент воздуха. Он проводил реакции в закрытых сосудах, так что можно было отслеживать количества различных реагентов.Один из его великим открытием было то, что в реакциях общий конечный вес всех задействованных материалов в точности равен общему первоначальному весу . Это было первый шаг на пути к осмыслению химии с точки зрения атомов. Он также установил, что чистая вода была , а не превращенной в землю при нагревании, как долгое время считалось, остаток, оставшийся при кипячении, произошел от контейнер, если вода была чистой.

Лавуазье открыл кислород. Он первым осознал что воздух состоит из двух (основных) компонентов, только один из которых поддерживает дыхание, что означает жизнь и сгорание.В 1783 году, работая с математиком Лапласом, и морская свинка в маске, он количественно проверил, что животное использовало вдыхали кислород, чтобы образовать то, что мы теперь называем двуокисью углерода (это происхождение «морская свинка» в качестве подопытного).

Лавуазье ужесточил очень расплывчатую терминологию, использовавшуюся в того времени: не было общепринятых определений элементов, принципов или атомов, хотя столетием раньше Бойль предположил, что элемента быть зарезервированы для веществ, которые не могут быть далее разделены химическим путем.

В своих « элементах химии » (1789) Лавуазье пишет:

…если под термином элементов мы подразумеваем выражение этих простые и неделимые атомы, из которых состоит материя, чрезвычайно вероятно, мы ничего о них не знаем; но если мы применим термин элементов , или принципов тел , чтобы выразить наше представление о последнем пункте, который анализ способен достичь, мы должны принять за элементы все вещества в которые мы способны любыми средствами сводить тела путем разложения. Нет что мы имеем право утверждать, что эти вещества, которые мы считаем простыми, могут не состоять из двух или даже из большего числа принципов; но с тех пор эти принципы не могут быть разделены, или, скорее, поскольку мы до сих пор не открыли средства их разделения, они действуют по отношению к нам как простые вещества, и мы никогда не должны предполагать, что они смешиваются, пока опыт и наблюдения доказали, что это так.

Таким образом, Лавуазье начал современное изучение химии: он настаивал на точной терминологии и точных измерениях и предлагал в качестве часть повестки дня классификация веществ на элементы и соединения.Когда эта программа действительно была запущена, атомарная интерпретация вскоре появился.

К несчастью для химии, спустя пять лет после этой книги появился Лавуазье отправился на гильотину. В дореволюционной Франции, сбор государственных налогов был приватизирован, и Лавуазье был одним из самых непопулярные «откупщики». Немногие из них пережили революцию. Лавуазье был также обвинялся в антифранцузской деятельности, в том, что он переписывался с иностранцы. Дело в том, что вся переписка была обменом научными газеты не произвели впечатления на революционеров, которые заметили, что «Республика не нужны ученые», когда его отправили на гильотину.

Дальтон

Джон Далтон (1766-1844) родился в бедной семье недалеко от Манчестер, Англия. В какой-то мере он зарабатывал себе на жизнь преподаванием в двенадцать лет. Далтон написал Новая система химической философии из взяты следующие котировки:

Материя, хотя и делимая в крайней степени , есть тем не менее не бесконечно делимое. То есть должен быть какой-то смысл дальше которого мы не можем пойти в делении материи.Существование этих элементарные частицы материи вряд ли можно подвергнуть сомнению, хотя они, вероятно, слишком мало, чтобы когда-либо быть продемонстрировано микроскопическими улучшениями. я выбрал слово атом для обозначения этих первичных частиц… .

Он предположил, что все атомы элемента одинаковы, и атомы одного элемента не могут быть превращены в атомы другого элемента « путем любую силу мы можем контролировать ». Далее он предположил, что соединения элементов составные атомы:

Я называю конечную частицу угольной кислоты соединением атом .Теперь, хотя этот атом может быть разделен, он все же перестает быть углеродным кислота, распадающаяся при таком разделении на уголь и кислород .

Он также утверждал, что все составные атомы (молекулы, как мы сказал бы) для конкретного соединения были идентичны, и, кроме того: « Химические анализ и синтез не идут дальше разделения частиц от другого и к их воссоединению. Никакого сотворения или разрушения материи внутри нет. досягаемость химического агентства ».

Ко времени Дальтона стало ясно, что когда элементы комбинируются, образуя определенное соединение, они всегда действуют точно так же соотношение по массе. Например, когда водород сгорает в кислороде с образованием воды, грамм водорода соединяется с восемью граммами кислорода. Это постоянство должно быть ожидаемого в теории Дальтона, предположительно составного атома или молекулы вода имеет фиксированное количество атомов водорода и фиксированное количество кислорода атомы. Конечно, соотношение весов не говорит нам цифр, так как мы не знать относительный вес атома водорода и атома кислорода. Чтобы сделать любой прогресса, необходимы некоторые предположения. Дальтон предложил правило наибольшего простота: если два элемента образуют только одно соединение, предположим, что составной атом имеет только один атом каждого элемента.Поскольку H ₂ O ₂ не был обнаружен, он предположил, что вода — это HO. (На самом деле он использовал символы, чтобы представляют собой элементы, Н представлял собой круг с точкой в ​​центре. Однако только как и мы, он использовал цепочки таких символов для представления реальной молекулы, а не макроскопическая смесь. ) Собрав воедино данные о многих различных реакциях, Дальтону стало очевидно, что правило наибольшей простоты не обязательно верно, к 1810 году он предполагал, что молекула воды, возможно, содержал три атома.

предыдущая    главная    следующая

Как быстро атомы могут проскальзывать, подобно призракам, сквозь барьеры?

В 1927 году, пытаясь понять, как атомы соединяются в молекулы, немецкий физик Фридрих Хунд открыл один из самых заманчивых аспектов квантовой механики. Он обнаружил, что при определенных условиях атомы, электроны и другие мелкие частицы в природе могут преодолевать физические барьеры, которые сбивали бы с толку макроскопические объекты, двигаясь, как призраки, сквозь стены. По этим правилам захваченный электрон может выйти из заточения без внешнего воздействия, подобно тому как мяч для гольфа, лежащий в первой лунке поля, внезапно исчезает и появляется во второй лунке, и никто не поднимает клюшку.Явление было совершенно чуждым, и оно стало известно как «квантовое туннелирование».

С тех пор физики обнаружили, что туннелирование играет ключевую роль в некоторых из самых драматических явлений природы. Например, квантовое туннелирование заставляет солнце сиять: оно позволяет ядрам водорода в ядрах звезд прижиматься достаточно близко, чтобы слиться в гелий. Многие радиоактивные материалы, такие как уран-238, распадаются на более мелкие элементы, выбрасывая материал через туннелирование. Физики даже использовали туннелирование, чтобы изобрести технологию, используемую в прототипах квантовых компьютеров, а также так называемый сканирующий туннельный микроскоп, способный отображать отдельные атомы.

Тем не менее, специалисты не разбираются в этом процессе в деталях. Публикуя сегодня в Nature , физики из Университета Торонто сообщают о новом базовом измерении квантового туннелирования: сколько времени оно занимает. Возвращаясь к аналогии с гольфом, они, по сути, рассчитывали, как долго мяч находится между лунками. «В ходе эксперимента мы спросили: «Как долго данная частица провела в барьере?» — говорит физик Эфраим Стейнберг из Университета Торонто, руководивший проектом.

«Барьер» для атома не является материальной стеной или перегородкой.Чтобы удержать атом, физики обычно используют силовые поля, состоящие из света, или, возможно, невидимый механизм, такой как электрическое притяжение или отталкивание. В этом эксперименте команда заманила атомы рубидия на одну сторону барьера из синего лазерного излучения. Фотоны в лазерном луче сформировали силовое поле, толкая рубидий, удерживая его в пространстве. Они обнаружили, что атомы провели около 0,61 миллисекунды в световом барьере, прежде чем выскочить на другую сторону. Точное количество времени зависело от толщины барьера и скорости атомов, но их ключевой вывод заключается в том, что «время туннелирования не равно нулю», — говорит физик Рамон Рамос, который в то время был аспирантом Стейнберга, а сейчас является постдокторант Института фотонных наук в Испании.

Этот результат противоречит результатам прошлого года, также опубликованным в Nature , говорит физик Александра Ландсман из Университета штата Огайо, которая не участвовала ни в одном из экспериментов.