Общей теории относительности

Эйнштейн обосновывает общую тео­рию относительности, которая распространяется и на системы движущиеся с ускоре­нием.

Согласно общей теории относительности свойства про­странства-времени определяются распределением и дви­жением масс материи. Любая масса создает поле тяготе­ния, искривляет пространство и меняет течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравне­нию с течением его вне поля. Общая теория относительности рассматривает движение тел в гравитаци­онном поле.

В соответствии с общей теорией относительности в ре­зультате действия поля тяготения движение материаль­ной точки, так же как и распространение светового луча, уже не является равномерным и прямолинейным.

Теория относительности связала массу не только с про­странством и временем, но и с энергией. Закон сохране­ния массы и закон сохранения энергии объеди­нены в единый закон сохранения массы и энергии:

Е = m с²,

где E – энергия, m – масса, с – скорость света в вакууме.

Теории относительности Эйнштейна, дополненные от­крытиями Фридмана и Хабла, сформировали новый взгляд на нашу Вселенную.

Появление этой релятивистской космологической модели рассматривается как третья глобальная революция в естествознании, которая приве­ла к отказу от всякого центризма.

 

3.4. Описание состояний в динамических и статических теориях. Законы термодинамики

 

Механическое движение тел подчиняется законам классической механики Ньютона, динамическим законам, устанавливающим, что дви­жение происходит под действием сил. Динамические законы имеют однозначный характер всех связей и зависимостей. Зная начальное состояние механической системы, можно однозначно определить ее последующие состояния. Динамические закономерности не допускают какой-либо неопределенности системы.

Термодинамика – наука о тепловых явлениях. Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы.

Система – совокупность тел, выделенная из пространства.

Если в системе возможен массо- и теплообмен между всеми ее составными частями, то такая система называется термодинамической.

Если между системой и окружающей средой отсутствует массо- и теплообмен, то такая система называется изолированной. Если отсутствует массообмен, но возможен теплообмен, то система называется закрытой. Если же между системой и окружающей средой возможен и массо-, и теплообмен, то система открытая.

I закон термодинамики (закон сохранения энергии): энергия не исчезает и не возникает вновь из ничего при протекании процесса, она лишь может переходить из одной формы в другую в строго эквивалентных отношениях.

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энер­гией теплового (поступательного, вращательного и ко­лебательного) движения молекул и потенциальной энер­гией их взаимодействия.

Возможны два способа измене­ния внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем теплооб­мена и путем совершения работы.

В случае теплообме­на, если теплота поступает к веществу, то она может превращаться непосредственно в работу или может накапливаться в веществе.

Всякий раз, когда к системе подводится теплота ( Q ), оно зат­рачивается на увеличение её внутренней энергии (U) и мо­жет быть использовано на производство работы (А), т.е.

Q = U + А

Однако вся теплота не может быть потра­чено на полезную работу, часть теплоты теряется необратимо. В качестве элементарного примера можно привести работу электрической лампочки, которая сопро­вождается двумя эффектами – нагреванием и свечением. При изучении тепловых явлений очевидным оказался факт, что распространение тепла представ­ляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, что тепло, возникшее, например, в результате какой-либо механической работы или в результате трения, нельзя превратить в энергию и потом использовать для произ­водства работы. Известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот.

Все реальные системы явля­ются открытыми. Открытые системы способны обме­ниваться с окружающей средой веществом и энергией.

Взаимодействуя со средой, открытая система заимствует извне или новое вещество, или энергию и одно­временно выводит в среду использованное вещество и от­работанную энергию. Поскольку между веществом (мас­сой) и энергией существует глубокая взаимосвязь, выра­жаемая уравнением Эйнштейна Е= тс², то можно ска­зать, что в ходе своей эволюции система постоянно обме­нивается энергией с окружающей средой, а следователь­но, производит энтропию. Но в отличие от закрытых сис­тем эта энергия, характеризующая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружаю­щую среду.

Материальные структуры, способные рас­сеивать (диссипировать) энергию называются диссипативными.

Открытая система не мо­жет быть равновесной, так как ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. Таким образом, открытая система извлекает по­рядок из окружающей среды и тем самым вносит беспо­рядок в эту среду.

II закон термодинамики (закон возрастания энтропии): все естественные физические и химические процессы стре­мятся идти в направлении, соответствующем необра­тимому переходу полезной энергии в хаотическую, не­упорядоченную форму.

 

3.5. Хаос, беспорядок и порядок в природе. Энтропия

 

Большинство процессов представляет собой два одновременно происходящих явления: передачу энергии и изменение в упорядоченности расположения частиц относительно друг друга. Частицам присуще стремление к беспорядочному движению, поэтому система стремится перейти из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное.

Количественной мерой беспорядка является энтропия S (термин предложил Р.Ю. Клаузиус).

Энтропия – функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению ко­личества теплоты dQ , сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре

Энтропия замкнутой системы, т.е. систе­мы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. Такие си­стемы эволюционируют в сторону увеличения беспоряд­ка, пока не наступит состояние равновесия – точка термодинамического равновесия, при которой энтропия максимальна, а производство работы уже невозможно.

Из этого следовало, что наиболее организованные, на­пример, живые организмы, должны быть высоко неупо­рядоченными. Шредингер показал, что живые системы, вопреки второму закону термодина­мики, способны поддерживать упорядоченность, то есть живые системы могут проявлять тенденцию как к разру­шению упорядоченности, так и к ее сохранению. Вся материя способна осуществлять работу против термодинамического равновесия, способна самоорганизо­вываться и самоусложняться.

В обыденной жизни мы, как правило, стремимся к по­рядку. Мы наблюдаем четкое, подчиняющееся определенному порядку движение планет, вращение Земли, смену дня и ночи, смену года, порядок в строении атома. Однако многие процессы в природе имеют непредсказуемый, случайный, хаотический харак­тер, например, броуновское движение частиц, катастрофы, социальные потрясения, радиосиг­налы.

Порядок в системах может быть равновесным и не­равновесным. Система всегда стремит­ся перейти из неравновесного в равновесное состояние; это касается не только физических, но и экологических, экономических и любых других систем. Так в термодина­мике это свойство систем выражается в принци­пе Ле Шателье: всякая система стремится только к такому изменению, которое сводит к минимуму внешнее воздействие.

Неравновесный порядок реализуется только в откры­тых системах за счет перераспределения потоков энергии (тепла и массы) системы и среды. Если подпитку системы прекратить, она перейдет в состояние термодинамического равновесия. Так, когда же жизненный цикл заканчивается, орга­низм переходит в состояние равновесия с окружающей средой, в результате чего устанавливается равновесный порядок.

Под хаосом всегда понималось неупорядоченное, случайное, непрогнозируемое поведение элементов си­стемы.

 

Литература: 1, 4–9.

Лекция 4. КВАНТОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА . НА ПЕРЕДНЕМ ПЛАНЕ МИКРОМИРА

4.1. Противоречия в классической теории излучения и проявления концепции квантов. Корпускулярно-волновой дуализм

В конце XVII в. почти одновременно возникли две, казалось, исключающие друг друга теории света: И. Ньютон представил корпускулярную теорию света: свет – поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямоли­нейным траекториям, а Х. Гюйгенс сформулировал волновую тео­рию: свет – упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире.

Первые сформировавшиеся волно­вые представления о свете были отражены в принципе Гюйгенса – Френеля: каждая точка, до которой дохо­дит световое возбуждение, становится центром вторич­ных волн и передает их во все стороны соседним точ­кам.

Г. Герц в 1887 г. обнаружил фотоэффект – явление испускания электронов веществом под действием элек­тромагнитного излучения. Так, металл пластины при облуче­нии светом дуговой лампы теряет свой заряд.

М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискрет­но, т.е. определенными порциями (фотонами или кванта­ми), причем энергия (Е) каждого кванта пропорциональ­на частоте волны ( v ):

Е = hv,

где h – постоянная Планка, равная 6,6 • 10^–34Дж • с.

В 1905 г. Эйнштейн создал квантовую теорию света, в которой показал, что свет распространяется в виде пото­ка световых квантов – фотонов, энергия которых описы­вается формулой Планка, а масса (т) формулой:  

т = Е/с²,

т = hv / c ² = h / l с,

где Е – энергия, т – масса, l – длина волны, h – постоянная Планка, с – скорость света.

Таким образом, свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпуску­лярных (квантовых) и волновых (электромагнитных). В результате возникло понятие корпускулярно-волнового дуализма (двойственности), согласно которому свет пред­ставляет собой единство дискретности и непрерывности.

Л. де Бройль в 1924 г. выдвинул гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальное значение – вол­новые свойства должны проявляться не только у фото­нов, но и у электрона, и других микрочастиц. Движение микрочастицы будет описываться как корпускулярными характеристиками – энергией, импуль­сом, так и волновыми – частотой и длиной волны. Формула де Бройля:

λ = h / p,

где λ – длина волны микрочастицы, например, электро­на, h – постоянная Планка, р – импульс частицы.

 Микрочастицы проявляют двойственность свойств, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, в зависимости от усло­вий они способны проявлять себя либо в виде волны, либо в виде частицы. Макроскопические тела проявляют только корпускулярные свойства.

 

4.2. Особенности описания состояний в квантовой механике. Дискретные уровни энергии электронов в атомах и принцип Паули

Элемен­тарные частицы – первичные, неразложимые час­тицы, из которых предположительно состоит вся мате­рия. Их насчитывается более 350.

Первыми были открыты электрон, протон и нейтрон, позднее – другие частицы, например, нейтрино, мезо­ны, мюоны. Элементарные частицы характеризуются рядом величин, прежде всего массой и электрическим за­рядом, например:

- масса нейтрона 1,675 • 10^–27 кг, нет заряда;

- масса протона 1,673 • 10^–27 кг, заряд +1;

- масса электрона 9,1 • 10^–31 кг, заряд –1.

Массы большинства элементарных частиц имеют по­рядок величины массы протона, но двух частиц с одинако­вой массой не существует. Размеры протона, нейтро­на и других адронов составляют порядка 10^–13см, а элект­рона и мюона предполагаются меньше 10^–16 см.

Элементарные частицы характеризуются еще вре­менем жизни, они делятся на стабильные и нестабиль­ные. Стабильных частиц известно всего четыре – это про­тон, фотон, электрон и нейтрино. Большинство элемен­тарных частиц нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^–24 с.

Физик Дирак предсказал существо­вание античастиц, т.е. частиц с противоположным зна­ком заряда, но с подобными исходным частицам свой­ствами.

Первым из античастиц был открыт позитрон – ан­тичастица электрона. Они различаются только знаком заряда: е^– и е⁺. Позднее были открыты и другие античастицы. Характерная особенность поведения частиц и античас­тиц – их аннигиляция при столкновении, т.е. переход в другие частицы с сохранением энергии, импульса и т.п., например вза­имоуничтожение электрона и позитрона с выделением энергии при рождении двух фотонов: е^– + е⁺ ↔ 2 hυ .

В квантовой механике известны еще виртуальные час­тицы – кванты релятивистских волновых полей, уча­ствующие в вакуумных флуктуациях (для них не выполняется соотношение специальной теории относитель­ности между энергией, импульсом и массой). Виртуальные частицы ответственны за кван­товый механизм взаимодействия частиц.

Для описания состояния микрочастиц используются квантовые числа.

Главное квантовое число (п) определяет значение энергии, которое может принимать частица, движуща­яся в силовом поле (п = 1, 2, 3 и т.д.). С увеличением глав­ного квантового числа возрастает энергия электрона и размер электронного облака. Состояние электрона, отвеча­ющее определенному значению главного квантового чис­ла, называется энергетическим уровнем электрона в атоме.

Орбитальное квантовое число ( l ) характеризует геометрическую форму электронной орбитали (l = от 0 до n – 1). Буквенное обозначение s , p , d , f . Состояние электрона, характеризующееся различными значениями l , называется энергетическим подуровнем электрона в атоме. Электронное облако s-электронов имеет форму шара, p-электронов – форму гантели, d-электронов и f-элект­ронов – более сложную форму.

Магнитное квантовое число т _l определяет положе­ние атомной орбитали относительно внешнего магнит­ного или электрического поля. т _l = 0, ±1, ±2,... ± l . Число значений магнитного квантового числа равно 2 l +1 значений – это число энер­гетических состояний (орбиталей), в которых могут нахо­диться электроны данного подуровня.

Спиновое квантовое число m_s – квантовая величина, определяющая направление вращения (момент импульса) вокруг собственной оси (с анлг. spin – вращение). m_s = ±1/2.

Правило Хунда: устойчивому состоянию атома соответствует максимальное значение спина (т.е. число неспаренных электронов должно быть максимально).

Принцип Паули (принцип запрета): в атоме не может быть двух или более электронов, облада­ющих одинаковой совокупностью четырех квантовых чи­сел.

Спином обладают не только электроны, но и другие элементарные частицы кроме мезонов.

В 1927 г. В. Гейзенберг анализируя законо­мерности изменения координаты и импульса электрона, пришел к заключению о том, что чем точнее определены координаты микрочастицы, тем нео­пределеннее становятся соответствующие составляющие импульса.

Принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно определить значения координаты и количества движения (импульса) частицы.

Принцип дополнительности: наиболее общие физические свойства какой-либо системы должны быть выражены с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных (правило парности), каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другой.

В связи с тем, что микрочастицы ведут себя как типичные корпускулы, и как волновые структуры, то согласно принципу дополнительности для более полного описания их пове­дения следует использовать законы и из волновой, и из квантовой теории.

4.3. Методы изучения микромира. Ускорители элементарных частиц. Стандартная модель элементарных частиц

В. Рентген в 1895 г. при исследовании катодных лучей случайно об­наружил необычные, названные им Х-лучи, которые лег­ко проходили через чехол рабочей трубки и вызывали све­чение (люминесценцию) бумаги. Эти лучи, как оказалось, способны про­ходить через тело человека, слой металла, бумагу и дру­гие предметы. Их впоследствии назвали рентгеновскими лучами.

А. Беккерель в 1896 г. и, независимо от него, М. Складовская-Кюри и ее муж П. Кюри открыли явление естественной радиоактивности – самопроизвольный распад вещества. Радиоактивное вещество может быть источником трех видов излучения:

- α-излучение (отклоняющееся в магнит­ном поле подобно потоку положительных частиц; ядра атома гелия);

- β-излучение (отклоняющееся в маг­нитном поле аналогично отрицательно заряженным час­тицам; индеферентно потоку электронов);

- γ-излуче­ние (не реагирующее на магнитное поле; жесткое электромагнитное излучение с малой длиной волны менее 10^–10м, очень опасное для человека).

Следствием этих открытий был вывод – атом не является мельчайшей частицей вещества, он делим!

Д. Томсон в 1897 г. открыл электрон и предложил первую модель атома. Атом он представил как положительно за­ряженную сферу, в которую вкраплены отрицательно за­ряженные электроны.

Э. Резерфорд в 1911 г. создать первую планетарную модель ато­ма, в которой атом уподобляется миниатюрной солнечной системе. В цент­ре атома положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена преобладаю­щая часть его массы, а вокруг ядра с большой скоростью вращаются отрицательно заряженные электроны. Поло­жительный заряд ядра нейтрализуется суммарным отри­цательным зарядом электронов так, что атом в целом ос­тается электрически нейтральным. Размер атома 10^–8см и размер ядра 10^–13 см. Модель Резерфорда подрывала теорию классической физики, так согласно электродинамике  Максвелла, движущийся вокруг ядра электрон должен излучать энергию и поэтому быстро упасть на ядро. Прак­тически же этого не происходит. Атом – устойчивое об­разование, и для его разрушения требуется огромная сила.

Эти противоречия разрешил Н. Бор, изложил два положе­ния своей квантовой теории строения атома, получивших название постулатов Бора, которые лежат в основе со­временной атомно-молекулярной физики.

Первый постулат Бора: электрон может вращаться вокруг ядра только по определенным – стационарным орбитам. При движении по таким ор­битам электрон не излучает и не поглощает энергию.

Второй постулат Бора: электрон излучает энергию в виде кванта только тогда, когда переходит с одной ста­ционарной орбиты на другую.

Бор показывает, что в процессах излучения и поглощения энер­гии атомами выполняется закон сохранения энергии. Теория строения атома, созданная Резерфордом и Бо­ром позволила объяснить периодичность изменения свойств атомов химических эле­ментов, но не могла объяснить причину устойчивости ато­мов.

I . Классификация элементарных частиц по значению спина

Фермионы – частицы с полуцелым спином (1/2, 3/2) – электрон, протон и др. (атомное вещество), подчиняющиеся принципу Паули

Бозоны – частицы с целочислен­ным спином (0, 1, 2) – фотон и др. (частицы излучения), не подчиняющиеся принципу Паули

 

II. Классификация элементарных частиц по участию во взаимодействиях

Адроны – частицы, участвующие, прежде всего, в силь­ном, наряду с электромагнитном и сла­бом взаимодействиями; адроны не являются истинно элементарными частица­ми, т.к. имеют конечные размеры и сложную струк­туру		Лептоны – частицы, участвующие только в электромагнит­ном и/или слабом взаимодействиях (электрон, мюон, нейтрино)
барионы – это адроны с полуцелым спи­ном (нейтрон и протон называ­ют нуклонами)	мезоны – это адроны с целым спи­ном, их барионный заряд равен нулю

 

Кроме того, выделяют еще группу частиц, которые не являются строительным мате­риалом материи, но с их помощью осуществляется перенос взаимодействий. Считается, что все частицы об­ладают гравитационным взаимодействием.

Полагают, что электрон является истинной элементар­ной частицей. Нейтрино – наиболее распространенная частица во Вселенной. Нейтрино существует в виде электрон­ного, мюонного и тау-нейтрино. На долю мюонов прихо­дится значительная часть космического излучения; это субатомная частица, как и электрон, имеет тот же заряд и спин, но имеет большую массу (в 206,7 раз) и является нестабильной. За две миллионные  доли секунды она распадается на электрон и два нейтри­но. Третий заряженный лептон ведет себя подобно электрону и мюону, но масса ее превышает массу электрона в 3500 раз.

Выявление об­щих свойств и различий огромное количество открытых адронов (более 300) было получено с помощью кварковой модели строения адронов, согласно которой адроны рассматриваются как частицы, имеющие сложную внутреннюю структуру. Фундаментальным структурным элементом адронов счи­таются кварки.

Кварк – частица со спином ¹/₂ и дробным электри­ческим зарядом. Кроме спина, кварки имеют еще две внутренние степени свободы, которые назвали «аромат» и «цвет».

4.4. Проблемы объединения фундаментальных взаимодействий

 

Современ­ная физика пытается раскрыть все содержание реального мира через проявления четырех видов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого.

Гравитационное взаимодействие описывается фундаментальным законом всемирного тяготения. Все, что имеет массу, а масса присуща любой форме, любому виду материи, испытывает гравитационное притяжение. Оно свободно передается через любые тела, для него не существует преград. Радиус действия гравита­ционного взаимодействия не ограничен. Гравитационным силам принадле­жит доминирующая роль при взаимодействии больших масс, например, космических тел, в этом случае они ста­новятся грандиозными. Так, например, Земля и Луна притягиваются с силой, приблизительно равной 2 ∙ 10¹⁶ тонн! Вследствие того, что гравитационные силы являют­ся дальнодействующими, гравитация связывает все тела Вселенной. Гравитационное взаимодействие может играть сущест­венную роль не только в космосе, но и в микромире. На земле гравитационные силы слабы и пропорцио­нальны массе тел. Так, сила притяжения двух людей сред­него веса при расстоянии между ними 1 м не превышает 0,03 мг. Скорость распространения гравитационных волн предполагается равной ско­рости света в вакууме.

Электромагнитное взаимодействие связано с нали­чием электрического и магнитного полей. Электриче­ское поле возникает при наличии электрических заря­дов, а магнитное – при их движении. В отличие от гра­витационного взаимодействия, которое всегда проявляет­ся как притяжение, электростатическое взаимодействие между заряженными телами, в зависимости от знака за­ряда, сводится либо к притяжению, либо к отталкива­нию. Электромагнитное взаимодействие обладает универсаль­ным характером и присуще всем телам. Силы электромагнитного происхождения удерживают электроны в окрестности атомного ядра и организуют ато­мы в молекулы. В астрономических масштабах электромагнитное взаимодействие пренебрежительно мало в связи с тем, что звезды электронейтральны. В масштабах макро- и микро­мира им принадлежит огромная роль. Радиус действия этих сил неограничен, но они значительно, в 100–1000 раз, слабее сильных взаимодействий.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах ядра, то есть на расстоянии 10^–13 см. Проявлением сильных взаи­модействий выступают ядерные силы, объединяющие нук­лоны в ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем больше энергия связи. Однако с возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находя­щихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и мо­гут самопроизвольно распадаться. Такой процесс называ­ют радиоактивным распадом. Силь­ное взаимодействие трактуется как цветовое взаимодей­ствие между кварками, объединяющимися в адроны.

Слабое взаимодействие существует только в микро­мире. Оно присуще всем адронам и лептонам, но не свойственно фотонам. Силы, которым соот­ветствует слабое взаимодействие, ответственны за превра­щение и разложение микрочастиц, например, нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Радиус слабого взаимодействия очень мал, всего 10^–15 см, поэтому оно ограничивается су­батомными частицами. Слабые взаимодействия играют очень важную роль в природе. Они обеспечивают все ядерные процессы, проис­ходящие на Земле и в космосе. Благодаря им происходят ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, обеспечиваю­щие Вселенную энергией и веществом.

Четыре вида фундаментальных взаимодействий обес­печиваются четырьмя различными видами частиц – пе­реносчиками взаимодействия:

- переносчик электромаг­нитного взаимодействия – фотон,

- переносчики слабого взаимодей­ствия – бозоны,

- переносчики сильно­го взаимодействия – глюоны,

- переносчики гравитацион­ного взаимодействия – гравитоны.

При элек­тромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы отталкиваются, а при гравитационном – притя­гиваются.

В современной физике созданы ряд общих законов физических взаимодействий:

Теория единого элек­трослабого взаимодействия: при очень высоких температурах или энергиях (100 ГэВ) сла­бое и электромагнитное взаимодействия объединяются и создают единый фундаментальный заряд. Этот заряд по­рождает общее поле, квантом которого служит безмассо­вая частица бозон.

Теория Большого объединения объединяет сла­бое и электромагнитное взаимодействия еще и с сильным взаимо­действием; разрабатывается теория суперобъединения, которая включает все четыре фундаментальных взаимо­действия, объединение которых возможно при сверхвы­соких энергиях порядка 10¹⁹ ГэВ.

 

Литература: 1, 4–9.

 

Лекция 5. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

5.1. Химия и алхимия

 

Химия – наука о веществах и процес­сах их превращения, сопровождающие изменением состава и структуры.

Основанием химии выступает проблема получения веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами веществ.

Свойства веществ зависят: 1) от элементарного и молекулярного состава; 2) от структуры молекулы; 3) от термодинамических и кинетических условий процесса химической реакции; 4) от уровня химической организации вещества.

Концептуальные этапы получения знаний по химии: XVII – учение о составе вещества; середина XIX в. – учение о структуре вещества; конец XIX в. – учение о химических процессах; середина XX в. – учение о химической эволюции.

В эпоху эллинизма (до н.э.) возникла алхимия – ненаучное учение о «трансмутации» (превращении), согласно которому, изменяя соче­тание элементов, можно получать вещество с иными свойствами. Так, пытались полу­чить золото из более распространенных металлов – рту­ти, свинца и др. Главной целью алхимия считала поиски «философ­ского камня» для превращения неблагородных метал­лов в благородные, получение элексира долголетия, универсального растворителя и др.

Теофаст Парацельс (XV–XVI вв.) подчеркнул вещественный характер трех начал: «серы» – начала горючести, «рту­ти» – начала летучести, «соли» – начала огнепостоянства. Он ставит задачу исследовать свой­ства веществ и найти новые соединения с более полезны­ми для медицинских целей свойствами, чтобы помогать человеку от болезней, успешно применял препараты ртути против сифилиса. Вскоре медицинскую химию (иатрохимию) стали преподавать на медицинских факультетах университетов.

5.2. Учение о составе вещества. Понятие о химических элементах. Периодическая система Д.И. Менделеева

 

Научное изучение химических явлений начинается в 1600 г. с работ Р. Бойля. Он создал теорию, по которой окружающий нас мир построен из мельчай­ших частичек – корпускул, различных по разме­рам, форме и массе, они объединяясь и разъединяясь, образуют качественно различные тела – структурные формы вещества, среди этих тел вода, земля, железо, ртуть. При получении хи­мических элементов как «простых тел» пользовались универсальным по тому времени методом разложения «сложных тел» – прокаливанием.

Г. Шталь изучая процессы горения разработал пер­вую научную теорию в хи­мии – теории флогистона (но в ней перепутаны понятии простого и сложного вещества), в ней впервые разработаны научные представления о реакциях окисления-восстановления.

Гипотеза флогистона опровергнута А. Лавуазье после открытия кислоро­да и установлении его роли в процессах горения и окисления. Так, явление обжига металлов и горение стали рассматривать как процессы соединения элемента с кислородом, а не как процесс разложения «сложного вещества» на элемент и флогистон. Это была настоящая революция в химии. Лавуазье впервые разде­лил вещества на простые вещества (химические элемен­ты) и химические соединения.

Основатель научной химии М.В. Ломоносов в 1756 г. сформулировал один из основопо­лагающих, действующих и по сей день законов естествоз­нания – закон сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

В 1869 г. Д.И. Менде­леев систематизировал известных тогда 62 элементов на основании их атом­ного веса и предста­вил это в виде таблицы, которая и получила название «Периодическая таблица Д.И. Менделеева».

Современная формулировка периодического закона: свойства химический элементов, их форм и соединений находятся в периодической зависимости от заряда их атомного ядра.

Систематизация элементов, выполнен­ная Д.И. Менделеевым, оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие химических исследований. На основании выявленных общностей он предсказал суще­ствование неизвестных элементов, оставив для них вакант­ные места в периодической таблице. Впоследствии эти элементы были открыты и свойства их оказались такими, какие предсказал Д.И. Менделеев.

Атом – сложная делимая субъединица вещества. Вся масса атома сосредоточена в его ядре (~10^–13 см). Ядро атома состоит из протонов (р), несущих положительный заряд (+1) и обладающих массой. Заряд ядра равен порядковому номеру элемента. Вок­руг ядра по орбиталям вращаются электро­ны (е) – частицы с отрицательным зарядом (–1). Количество электронов равно количеству протонов, атом в целом электронейтра­лен. Ядро атома кроме протонов содержит нейтроны (n) – частицы, не имеющие заряда, но обладающие массой.

Пример строения хлора С l: порядковый номер 17, а атомная масса 37, число электронов 17, ядро содержит 17 протонов и 20 электронов.

Ядра элементов могут содержать различное количество нейтронов, так есть атомы хлора, обладающие атомной массой 37 и 35, их ядра содержат 20 и 18 нейтронов соответственно – изотопы ³⁷С l и ³⁵С l.

Изотопы – атомы с одинаковым зарядом ядра (и соответственно химическими свойства), но разным числом нейтронов.

Химический эле­мент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. это совокупность изотопов.

Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава: любое индиви­дуальное химическое соединение обладает строго опре­деленным неизменным составом, «прочным притяжени­ем составных частей» (атомов) и тем отличается от сме­сей.

Д. Дальтон утверж­дал, что все простые и сложные индивидуальные вещества состоят из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов химических элементов. Так, молеку­лы простых веществ – водорода (Н₂), кислорода (О₂), озо­на (О₃), – образованные из атомов одного элемента. Молекулы сложных веществ образованы из раз­ных атомов.

К. Бертолле утверждал возможность существо­вания индивидуальных химических соединений перемен­ного состава с непрерывным изменением. Так, интерметаллические соединения, состо­ящие из 2 металлов: цинк-сурьма, магний-се­ребро и др. образуют со­единения, как с постоянным, так и с перемен­ным составом.

Н.С. Курнаков соединения постоянного состава назвал дальтонидами (в честь Ж. Дальтона), а соединения переменного состава – бертоллидами (в честь К. Бертолле).

Молекула – наименьшая ча­стица вещества, обладающая его химическими свойства и состоящая их одинаковых или разных атомов. В состав молекул входят атомы. Большинство неорганических веществ не имеют молекулярного строения.

Атом – наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств.

 

5.3. Учение о структуре вещества

 

Й. Берцелиус в 1830 г. выдвинул гипотезу: все ато­мы разных элементов обладают различной электроот­рицательностью, причем атом каждого элемента несет два заряда (положительный + и отрицательный –). Объединение атомов в молекулы происходит за счет взаимодействия разноименно заряженных атомов или атомных групп, что сопровожда­ется частичной нейтрализацией зарядов. Например, ка­лий (К) несет положительный заряд, а кисло­род (О) – отрицательный, взаимодействуя, они об­разуют оксид.

Ф. Кекуле сформулировал теорию валентности – каждый атом обладает определенной способностью к насыщению. Благодаря этому появилась воз­можность составлять так называемые структурные фор­мулы. При написании в любой формуле элементы связывают друг с другом согласно их валентности.

А.М. Бутлеров раз­работал теорию строения органических соединений – основа органической химии.

 

5.4. Химические связи и строение молекул.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: