Эволюция физической картины мира

Концепция механистического детерминизма оказалась принципиально несостоятельной, потому что в природе не существует закономерностей, которые бы однозначно связывали начальное и конечное состояние системы.

В порядке возрастания уровня систематизации знаний о мире картины мира можно расположить следующим образом: специально-научная картина мира, естественнонаучная картина мира, единая научная картина мира.

Структурность и системность материи^[11]

В неорганической природе можно выделить структурные уровни организации материи.

Множество объектов будетцелостной системой, если энергия связи между ними большеих суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий, направленных на разрушение системы. С переходом от мегасистем к макросистемам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные, намного более мощные чем первые. В атомных ядрах действуют еще более мощные ядерные силы. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собойих элементы. Энергией обладают все виды материи вещество, поле, физический вакуум). Рассмотрим типы связи на каждом уровне организации материи

Нуклонный уровень. Нуклон – это ядро атома. Атом представляет собой единую квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

– Атомы состоят из протонов, нейтронов (известных под общим названием барионов) и одного члена семейства лептонов – электрона. Протоны и нейтроны состоят из кварков (предельных частиц). Известно 6 кварков и 6 лептонов.

– Атомное ядро представляет центральную часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома (не менее 99,95 %) и весь его положительный заряд.

– Ядро атома называет нуклон, оно состоит из протона и нейтрона.

– Протоны представляют собой элементарные частицы, которые являются ядрами атомов водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе химических элементов и обозначается Z (число нейтронов – N). Протон несет элементарный положительный заряд. Он в 1836,1 раз тяжелее электрона; его размеры 10^-13 см. Протон состоит из двух и-кварков с зарядом 0= +2/3 и одного d-кварка с 0= -1/3, связанных глюонным полем.

– Нейтроны состоят из одного u-кварка и двух d-кварков. Электрический заряд его равен 0, масса ≈ 940 МэВ. Нейтрон стабилен в атомных ядрах. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Нейтрон, как и протон, участвует во всех видах взаимодействий.

– В ядре нуклоны связаны ядерными силами, которые на расстояниях порядка 10^-15 м превышают любые другие силы, вследствие чего одноименно заряженные протоны не разлетаются под воздействием электростатического отталкивания.

– Размеры ядер атомов всех элементов порядка 10^-15 – 10^-14 м. Эта величина в десятки тысяч раз меньше размеров атома.

Электрон – отрицательно заряженная субатомная частица, обнаруживаемая за пределами атомного ядра. Входит в состав всех атомов. Масса 1/1836 части массы протона.

– Каждой частице соответствует античастица кроме фотона.

– Согласно классификации элементарных частиц по времени жизни, к стабильным и долгоживущим частицам относятся электрон, протон.

– Элементарные частицы обладают следующими качествами: неразличимость элементарных частиц определенного типа; превращаемость, распад элементарных частиц; электрический заряд; спин; масса.

Атомный уровень. Ядро атома заряжено положительно, а вращающиеся вокруг ядра электроны несут с собой отрицательный электрический заряд, который никогда не бывает меньше строго определенной величины, называемой элементарным электрическим зарядом (е ≈1,6 x 10^-19 Кл). Положительный заряд ядра атома равен сумме отрицательных зарядов электронов, находящихся в электронной оболочке атома. Поэтому в нормальном состоянии атом электрически нейтрален.

– Размеры атомов порядка 10^-10 м.

– Электроны на своих орбитах удерживаются силами электрического притяжения между ними и ядром атома. Каждый из электронов обладает определенным запасом энергии; чем дальше электрон находится от ядра,тембольшей энергией он обладает.

Молекулярный уровень. Молекула – это наименьшая структурная единица вещества, обладающая его главными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями.

– Номер химического элемента в Периодической таблице Менделеева определяется количеством протонов ядре, электрическим зарядом ядра;

– Одноатомные молекулы (атомы инертных газов: Не – гелий, Ne – неон, Аг – аргон. Кг – криптон и др.);

– Двухатомные молекулы (молекулы, состоящие из парных атомов: Н₂, N₂, 0₂, F₂, Сl₂, Вr₂, I₂);

– Химический элемент и атом – мельчайшие структурные единицы на химическом уровне;

– Макромолекулы (молекулы состоящие из тысяч и более одинаковых или близких по строению групп атомов: белки, искусственные полимеры, некоторые витамины, целлюлоза и т.п.).

– Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (H₂, N₂, 0₂; и др.).

– Молекулы сложных веществ состоятиз разных атомов (H₂O, NaCl, H₂S0₄ и т.п.);

– Химическое соединение – это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты (системы).­­

– Химические элементы в таблице Менделеева располагаются в порядке возрастания их массы, заполнения электронных оболочек атомов. Химические элементы с высокой химической активностью расположоены в таблице Менделеева в столбцах с номером 1, 2, 3, 6, 7. Химические элементы с минимальной химической активностью находятся в таблице Менделеева в столбце с номером 8. Периодическая таблица фиксирует более ста известных элементов.

– Энергия химической связи атомов в молекулах определяется строением электронных оболочек атома, энергией электронно-ионного взаимодействия.

Внутримолекулярные связи, химические процессы.

– Реакционная способность химического элемента определяется количеством электронов во внешней оболочке атома, а также связана с электронным строением атомов, валентностью, принципом запрета Паули.

– Способность атома образовывать химические связи с другими атомами называется валентность (от лат. valentia - сила). Например, валентность He равна 0, H – 1, C – 4.

– Единица количества вещества называется моль. Один моль любого газа при нормальном объеме и температуре = 22,4 л. Если два NaCl подвергнуть электролизу (электрохимическому окислению), в результате получится объем хлора 22,4 л.

– При экзотермических реакциях выделяется энергия. Это происходит за счет увеличения суммарной энергии связи атомов в конечных молекулах и уменьшения массы конечных молекул в сравнении с исходными.

– Химические связи – это обменное взаимодействие электронов, обобщение валентных электронов, и «перекрывание электронных облаков»;

– Ионная связь образуется в результате действия электростатических сил между противоположно заряженными ионами, из которых построены кристаллические решетки ионных веществ (напр. NaCl). Ионы образуются из атомов в результате переноса между ними одного или нескольких электронов.

– Ковалентная связь – связь, образуемая двумя или несколькими атомами в результате обобществленияимиэлектронов.

– Химический процесс – это обменное взаимодействие электронов. Направление химической реакции определяется катализаторами, температурой, давлением. Способность к взаимодействию различных реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К условиям протекания химических процессов относятся термодинамические (характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и т.п.) и кинетические факторы. Максимальной реакционной способностью среди неметаллов обладает Cl, среди металлов – Cs. Цезий также известен своими аномальным поведением, одним из которых является то, что при прохождении импульса света через цезиевую среду световой импульс проходит на 62 нано секунд быстрее, чем в вакууме (т.е. за отрицательное время).

– Горение является физико-химическим процессом окисления углеводородов. Для предотвращения пожаров объекты ФСИН укомплектованы работниками ведомственной пожарной охраны, знающими физико-химические основы развития и тушения пожаров. Все горючие (сгораемые) вещества содержат углерод и водород, – основные компоненты газо-воздушной смеси, участвующие в реакции горения. Температура воспламенения горючих веществ и материалов различна и не превышает для большинства 300˚ С.

Физико-химические основы горения заключается в термическом разложении вещества или материала до углеводородных паров и газов, которые под воздействием высоких температур вступают в химическое воздействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в процессе сгорания в углекислый газ (двуокись углерода), угарный газ (окись углерода), сажу (углерод) и воду, при этом выделяется тепло и световое излучение.

Особенности протекания химических реакций используются в спец. технике ОВД. Например, при для обнаружении трупа используется реакция свинца и аммиака на сероводород. Если труп находится в заболоченной местности, то это место способно давать электролитические реакции, что можно замерить электроизмерительным щупом. Свойство люминисценции используется для маркировки биологически активных частиц (сперма, слюна и т.д.)

Свойство а-частиц проникать сквозь кристаллическую решетку атомов используется в металлоискателе. При рентгеновском сканировании предмета, можно определить контуры запрещенных в обороте вещей.

Термодинамическое воздействие влияет преимущественно на направленность химических процессов. Функции управления скоростью химических процессов выполняет химическая кинетика. Она устанавливает зависимость протекания химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов; их концентрации; наличия в реакторе катализаторов (или ингибиторов) и других добавок; способов смешивания реагентов; материала и конструкции реактора и т.п. Влияние такого типа факторов на ход химических реакций может быть сведено и к катализу, т.е. к увеличению скорости химического процесса, и к ингибированию, сдерживающему процесс. В настоящее время считается, что катализ играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим. Катализатор направляет химическую реакцию и ускоряет ее. Ускорение реакции происходит засчет ослабления химической связи в исходных молекулах и создания промежуточных соединений с участием катализатора.

План семинарского занятия по теме № 2.

1. Истоки и особенности корпускулярной модели естествознания.

2. Полевая картина мира.

3. Квантово-полевая картина мира.

4. Общая характеристика микро-, макро- и мегамира.

Задания

1. Сменится ли квантово-полевая картина мира? Если да, то что придёт ей на смену?

2. Проведите параллели между изменениями физической картины мира и общественными отношениями.

3. Какой мир является родиной человека – микро, макро или мегамир?