Структурные уровни организации природы

Природу для удобства принято делить на три структурных уровня – микро-, макро- и мегамир.

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдае­мых микросистем с характерным размером от 10^{-8 см и менее, а время жизни – от бесконечности (начала образования Вселенной) до 10-10} с. (в порядке убывания: атомы, атомные ядра, элементарные частицы). Это мир элементарных частиц и полей.

Макромир – мир макрообъектов, размеры которых соотносят­ся с категориями человеческого опыта, для измерения пространства в миллиметрах, сантиметрах, километрах, для измерения времени в секундах, минутах, часах, сутках и годах. Макромир имеет уровни: физический, химический, биологический, социальный.

Мегамир – мир объектов огромных космических масштабов и ско­ростей, в котором расстояние измеряется световыми годами, а время – миллионами и миллиардами лет.

Микро-, макро- и мегамир тесно взаимосвязаны и составляют единое целое в природе. Тем не менее, на каждом из этих структурных уровней преобладают свои фундаментальные взаимодействия и законы: в микромире – законы квантовой физики, сильное и слабое взаимодействие, в макромире – законы классического естествозна­ния, прежде всего классической физики – механики, термодинамики, электродинамики, гравитационное и электромагнитное. Законы мега-мира основаны в первую очередь на общей теории относительности, гравитационном взаимодействии.

Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены гораздо позднее в работах русского ученого М. В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Дж. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д. И. Менделеева показал существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И наконец, в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие. Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий только ему набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения.

Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд. Эти частицы получили название электронов.

Н. Бор, сделав вывод о том, что зако­ны классической механики и электродинамики вообще неприменимы в микромире, и в частности в атоме. Чтобы сохранить наглядную пла­нетарную модель атома Резерфорда, он сформулировал два постулата (постулаты Бора), идущие вразрез с классической механикой и классической электродинамикой. Эти постулаты заложили основы принципиально новых теорий микромира – квантовой механики и квантовой электродинамики. Обосновывая свои постулаты, Бор опирался на идею существования квантов электромагнитного поля, выдвинутую в 1900 г. М. Планком и развитую затем А. Эйнштейном для объяснения фотоэффекта.

Постулаты Бора утверждают: электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбитам, а только по так называемым устойчивым или квантовым, на которых атом не излучает электромагнитных волн; переход электрона с удаленной на более близкую орбиту сопровождается потерей энергии электрона и излучением атомом кванта.

В рамках квантовой механики получили полное объяснение, как структура атомов, так и изменение свойств химических элементов в периодической системе Д. И. Менделеева.

Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон – частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя.

Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предска­занию существования античастиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» – другая частица с той же массой, но противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом.

Английский физик П. А. Дирак – основатель релятивистской квантовой теории поля – предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон – позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт и 1934 г. К. Д. Андерсоном в космических лучах.

По современным представлениям, атомные ядра элементов состоят из протонов и нейтронов. Первые указания на то, что в состав ядер входят протоны (ядра атомов водорода), были получены Резерфордом в 1919 г. в результате его нового (после открытия строения атома) сенсационного открытия – расщепления атомного ядра под действием α–частиц и получения новых химических элементов в результате первой искусственной ядерной реакции.

Дата добавления: 2014-01-03