ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ КАК СОВОКУПНОСТЬ НАУК О МАТЕРИИ

Термин «естествознание» образован из понятий «естество» (объективная реальность, материя, природа и т. д.) и «знание». Современное естествознание представлено рядом взаимосвязанных наук, предметом которых является материя во всем ее многообразии.

Понятие материи

Материя; вещество и поле как формы существования материи; структурные виды материи, классификация элементарных частиц.

Под термином материя в настоящее время понимается совокупность всех объектов и систем окружающего нас мира, в том числе и тех, которые не известны человечеству. Этот термин включает не только указанные объекты и системы, но и совокупность их свойств, форм движения, взаимодействий, связей и т. д. Материя является объективной реальностью.

Основная характеристика материи - движение. Под этим термином понимают любые изменения, происходящие в материальных объектах, в том числе и в результате их взаимодействий между собой. Движение - это свойство и способ существования материи, поэтому окружающий нас мир за счет движения постоянно изменяется (преобразуется). К химическим видам движения материи можно отнести, например, любой тип перемещения в пространстве атомов, ионов, молекул, кластеров и все равновесные и неравновесные процессы (химические реакции) с их участием. Движение осуществляется в пространстве и во времени, которые рассматриваются как формы существования материи. Поэтому пространство и время вне материи (т. е. независимо от нее) немыслимы. Другими словами, окружающая нас действительность - это движущаяся материя, которая существует независимо от нас, а ее наличие фиксируется нашими органами чувств или с помощью различных приборов.

Также характеристиками материи являются дискретность и бесконечное многообразие ее форм. Это означает, что любой материальный объект представляет собой систему, состоящую из более мелких объектов, тем или иным способом соединенных между собой (находящихся во взаимодействии). При этом каждый из этих объектов состоит из еще более мелких объектов и т. д. Число же сочетаний материальных объектов бесконечно велико, что определяет бесконечное многообразие форм материи.

На данном этапе считается, что материя может быть трех видов: вещество, поле и физический вакуум (рис. 1). Деление условно, так как внутри вещества имеется поле.

Материя и ее свойства, виды, атрибуты

Рис. 1. Материя и ее свойства, виды, атрибуты

К веществу относят вид материи, дискретные частицы которого имеют массу покоя.

Масса - одна из основных характеристик материи, определяющая инерционные и гравитационные свойства тел (т. е. взаимодействие материальных объектов с гравитационным полем) при скоростях, намного меньших скорости света. Масса - величина скалярная.

К дискретным объектам вещества относят некоторые элементарные частицы (электрон, протон, нейтрон и т. д.), из которых при их соединении формируются атомы и ионы. В свою очередь, в процессе объединения атомов или ионов образуются молекулы, различные типы кластеров, кристаллических решеток, аморфных тел и другие многочисленные материальные объекты. Из всех известных частиц вещества минимальной массой характеризуется электрон (ё) тё = 9,11 • 10~28г, тогда как масса протона (р) и масса нейтрона (п°) в 1836 и 1840 раз соответственно больше массы ё.

Полем называется вид материи, дискретные частицы которого не имеют массы покоя. Это означает, что понятие массы для них неразрывно связано с их механическим движением (перемещением в пространстве). Например, дискретной частицей электромагнитного поля можно считать фотон, который движется со скоростью порядка 300 000 км/с, и его масса при этом составляет порядка 4 • 10~21 тё. Поля обеспечивают взаимодействие материальных объектов и их систем. Кроме электромагнитного, выделяют поля гравитационное, магнитное, электрическое, ядерных сил и т. д. В реальных объектах вещество и поле представляют собой единую систему, само существование которой определяется взаимодействием этих двух видов материи: например, протоны, нейтроны и другие элементарные частицы в атомном ядре связаны за счет ядерного поля, ё с ядром в атоме - за счет электромагнитного поля и т. д.

Одной из характеристик элементарных частиц, которая описывает их электрическое взаимодействие, является заряд. Экспериментально установлено, что заряды бывают двух видов: с учетом взаимного отталкивания или притяжения заряды условно делятся на положительный и отрицательный. В частности, заряду ё приписывают отрицательный знак, а его значение равно -1,602 • 10'19 Кл. Так как модуль заряда ё наименьший из известных, это значение принято за единицу заряда всех других элементарных частиц и ионов. То есть -1,602 • 10~19 Кл обозначается как -1, чему соответствует черточка в символе ё, тогда заряд р, равный +1,602 • 10~19 Кл, обозначается как +1. Заряды и прочие свойства некоторых элементарных частиц представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства некоторых элементарных частиц

Частица

Символ

Масса, у. е *

Заряд**

Спин

Протон

1,0073

+ 1

±1/2

Нейтрон

1,0087

0

±1/2

Электрон

0,00055

-1

±1/2

Позитрон

0,00055

+ 1

±1/2

Фотон

0

0

1

Нейтрино

0

0

±1/2

  • * Массы выражены в углеродных единицах у. е. Это единица массы, используемая при оценке масс объектов пикомира, равна 1/12 массы стабильного изотопа углерода (число и протонов, и нейтронов в ядре равно 6, 1 у е. = 1,66 • 10‘24 г). Синоним - атомная единица массы (а. е. м.).
  • ** Заряд выражен в условных единицах, один равен 1,602 • 1019 Кл.

Развивающее задание: определите в кулонах заряды ионов А13+ и S042-.

Некоторые дискретные частицы характеризуются величиной, определяющей собственный момент количества движения, не связанного с их перемещением в пространстве как целого. Эта характеристика называется спин. Например, спин фотона = 1, а для ё и р+ эта характеристика может принимать значения ±1/2.

Любой материальный объект характеризуется продолжительностью существования (время жизни, стабильность), т. е. рождение и распад - обязательное свойство всех видов материи. К стабильным элементарным частицам относятся ё и р+ (время жизни 5 • 1021 и 2 • 1030 лет соответственно). Нейтрон достаточно стабилен только в составе ядер, тогда как изолированный нейтрон имеет время жизни порядка 16 мин и распадается по схеме: п° = р+ + ё + v (v - нейтрино). Нейтрино и фотон являются рекордсменами по стабильности.

Физический вакуум представляет собой идеальную систему, которая служит для обозначения низшего энергетического состояния квантового поля. Это понятие введено в квантовую теорию поля для объяснения некоторых процессов как начальная точка их развития.

Известные уровни структурирования материи принято условно разделять на четыре типа (рис. 2):

пико- и субпикомир, к которому относятся объекты от атомов и продуктов их ионизации до элементарных частиц (условный радиус объектов от 10'10до 10~18 м, время жизни может изменяться от бесконечности до 10'24 с). Все они имеют ярко выраженную двойственную природу, обладая как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Эти объекты можно обнаружить только с использованием современной аппаратуры; нано- и микромир (радиус объектов 10~9-10_5м) - мир молекул, радикалов, сложных ионов, комплексов, коллоидных частиц, кластеров и т. д.; эти объекты также идентифицируются с помощью аппаратуры;

макромир - объекты радиусом более 10'5м: макромолекулы, живые клетки, частицы различных веществ, живые организмы, в том числе человек и продукты его деятельности. Верхний предел макромира - сотни километров; мегамир - планеты и их системы, звезды, галактики и их скопления, образующие метагалактики.

Элементарные частицы (порядка 400 частиц и их античастиц) являются объектами субпикомира. Сложное строение части из них, например протона, нейтрона, в настоящее время доказано экспериментально; для других (электрон, нейтрино, фотон) такие данные пока не получены. Возможность существования античастиц впервые теоретически была предсказана П. Дираком (1928 г.) на примере позитрона, «двойника» электрона, имеющего с ё одина-

Уровни структурирования материи ковую массу, но противоположно заряженного

Рис. 2. Уровни структурирования материи ковую массу, но противоположно заряженного. Позитрон был экспериментально обнаружен в 1932 г. в составе космических лучей. На сегодняшний день доказано, что все элементарные частицы, несущие заряд, имеют свои античастицы. Столкновение частицы и античастицы приводит к аннигиляции - превращению этих частиц в другие элементарные частицы: например, при аннигиляции пары ё - позитрон образуются фотоны. В настоящее время широко распространена гипотеза о существовании кварков - объектов, из которых формируются более крупные элементарные частицы. Согласно ей, кварки, не существующие вне систем, имеют дробные электрические заряды (т. е. их заряд меньше заряда ё), а, например, при соединении трех кварков образуются барионы (протоны и нейтроны).

В основе классификации элементарных частиц могут лежать их масса, заряд, время жизни, спин и т. д.

Классификация элементарных частиц по массе:

  • а) фотоны (не имеют массы покоя и движутся со скоростью света);
  • б) лептоны - легкие частицы (электрон и нейтрино);
  • в) мезоны - частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;
  • г) барионы - частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны).

Классификация элементарных частиц по заряду:

отрицательные (электрон);

положительные (протон, позитрон);

нейтральные (нейтрон, нейтрино).

По времени жизни:

стабильные (живут более 10'10 с);

нестабильные (живут 10'10-Ю'24 с);

квазистабильные (живут 10'24-10'26 с).

Нестабильных элементарных частиц - большинство.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >