Концепции современного естествознания (стр. 9 )

Е = n ћ,

где n - частота светового кванта; ћ - постоянная Планка.

Таким образом, Эйнштейн показал зависимость энергии электрона от частоты светового кванта и энергии связи электрона с металлом.

Корпускулярные свойства фотона были подтверждены русским физиком , доказавшим в 1899г. существование светового давления. Но вскоре выяснилось, что определить энергию фотона (частицы света или электромагнитного поля, не обладающей массой покоя) можно было, только представляя его себе в виде волны соответствующей длиной и частотой. Получалось, что фотон распространяется как волна, излучается и поглощается как частица, то есть является одновременно и волной и частицей.

Таким образом, классические представления о свете как волновом процессе были дополнены новыми взглядами, рассматривающими его как поток световых корпускул, квантов или фотонов. В результате возник так называемый корпускулярно-волновой дуализм.

В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль впервые высказал гипотезу о существовании волновых свойств у материи. Он исходил из того, что поскольку волновой материи присущи свойства корпускулярности, то и корпускулярной материи должны быть присущи волновые свойства. Гипотеза де Бройля формулировалась так: «Каждой материальной частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы: χ = ћ/р, где ћ – постоянная Планка, р – импульс частицы, равный произведению ее массы на скорость».

Экспериментально эта гипотеза была подтверждена в 1927г. американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером, обнаружившими явление дифракции электроном на кристалле никеля, то есть типично волновую картину. Распределение электронов, отражавшихся от пластинки и летевших лишь по некоторым избранным направлениям, было таким же, как если бы на пластинку падал пучок света с длиной волны, равной длине волны электрона, вычисленной по формуле де Бройля.

Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в основу новой физической теории – квантовой физики.

Таким образом, в классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей понималось вещество. Электродинамикой Максвелла положено основание физическому учению о поле, как особой форме материи. Но вещество и поле рассматривались отдельно друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля.

У объектов микромира, рассматриваемых с позиций квантовой механики, обнаружились такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном для нас мире. Прежде всего – это корпускулярно-волновая двойственность или дуализм элементарных частиц. Кроме того, движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъектов, оно подчиняется законам квантовой механики. Из этих законов вытекает установленное немецким физиком Вернером Гейзенбергом соотношение неопределенностей: если известно место положения частицы в пространстве, то остается неизвестным импульс (количество движения), и наоборот. Произведение их неточностей не должно превышать постоянную Планка:

Dр×DC = Dћ, где

Dр – импульс частицы;

DC - ее координата;

Dћ – постоянная Планка.

Другими словами, суть принципа неопределенности состоит в том, что если мы стремимся определить значение одной из сопряженных величин в квантово-механическом описании, например, координаты C, то значение другой величины, а именно скорости или скорее импульса p=mv нельзя определить с такой же точностью.

Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул принцип дополнительности для квантово-механических описаний микрообъектов, согласно которому корпускулярная картина такого описания должна быть дополнена волновым альтернативным описанием.

Таким образом, принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит также в том, что ее предсказания всегда имеют вероятностный характер. Это означает, что мы не можем точно предсказать, в какое именно место попадает, например, электрон в рассмотренном выше эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения не использовали. Можно оценить лишь его шансы попасть в определенное место, и, следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределенных ситуаций. Подчеркивая это «очень важное различие между классической и квантовой механикой», Р. Фейнман указывает, что «мы не умеем предсказывать, что должно было бы случиться в данных обстоятельствах».

1.3.2. Происхождение Земли и других планет

Как уже было отмечено ранее, жесткой границы, разделяющей структурные уровни организации материи, не существует. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля отнесена к уровню макромира, но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.

Частицами, связывающими микро - и макроуровни материи, считают молекулы. Последние, состоящие из атомов, построены аналогично, но объем, занимаемый здесь электронными орбиталями, несколько больше, и молекулярные орбитали ориентированы в пространстве. В результате каждая молекула имеет определенную форму. Для сложных молекул, особенно органических, форма имеет решающее значение. Состав, пространственное строение молекул определяют свойства вещества. Виды связей ионов, структуру веществ и молекул, химические системы и химические реакции рассмотрим позже при изучении темы «Химические системы и процессы».

Мир объектов так называемой средней «средней величины» простирается от молекул до нашей планеты – Земли. Как космическое тело Земля характеризуется следующими данными: объем 1012 куб. км, масса 6 × 1021 т, средняя плотность вещества 5,5 г/см 3. Экваториальный радиус 6378 км, полярный – на 21 км меньше. Общая площадь поверхности Земли – 510 млн км2, из них 361 млн км2 приходится на мировой океан и 149 млн км2 – на сушу. Земля отстоит от Солнца на 150 млн км и вращается вокруг него со скоростью 30 км/с. Земля образовалась 4,6 млрд лет назад в процессе гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества.

Пространство вокруг Земли заполнено магнитным полем и называется магнитосферой; вокруг магнитосферы находятся радиационные пояса, в которых заряженные частицы захватываются магнитным полем. Земля защищена этими поясами от космических лучей, губительных для всего живого. Межпланетная среда, окружающая Землю, состоит из твердых тел разных размеров, пылинок, атомов, молекул, элементарных частиц и т. д. Теперь же ко всему этому добавились искусственные спутники и другие объекты, занесенные в космос человеком.

Познание глубин Земли не менее сложно, чем изучение отдаленных областей Вселенной. Наиболее важные сведения о природе земных недр дает анализ сейсмических волн – механических колебаний, возникающих при землетрясениях или взрывах. Земные недра разделяют на три основные области: ядро, мантию и кору. Температура, плотность и давление растут с увеличением глубины. Температура в центре Земли достигает 10000 градусов. Земная кора на континентах имеет толщину до 65 км, а под океанами – до 8 км. Максимальная высота на поверхности Земли – гора Джомолунгма в Гималаях – 8848 м, самое глубокое место – Марианская впадина в Тихом океане – 11022 м. Под земной корой располагается мантия, самая мощная из твердых оболочек Земли. Она простирается до глубины 2900 км и составляет более 60% массы и около 80 % объема Земли. Ядро Земли изучено слабо. Считается, что оно состоит из двух частей: внешней (жидкой) и внутренней (твердой). Внешнее ядро оказывает воздействие на магнитное поле Земли.

Земля – самая крупная из внутренних планет Солнечной системы и самая массивная. Безусловно, она является уникальной планетой нашей системы, поскольку на ней созданы условия для жизни. Прежде всего, от других планет Землю отличает наличие богатой кислородом атмосферы и температура, делающая возможной существование жизни в том виде, в каком мы ее понимаем. Экосистема простирается от орбиты Венера до орбиты Марса. Экосфера Земли – это область, в которой солнечное излучение создает условия, подходящие для жизни. Характерной особенностью Земли является магнитное поле, связанное с плотным богатым железом ядром Земли.

Земля опять же уникальна тем, что большая часть ее поверхности покрыта водой. Хотя она самая большая из четырех внутренних планет, поверхность ее суши много меньше, чем у Венеры, и равна по площади поверхности Марса.

Поскольку Земля настолько исключительна, высказывались предположения, что она образовалась иначе, чем другие планеты, но это не так. Возраст Земли – по измерениям радиоактивным методом – составляет примерно 4,6 млрд. лет, и, как показало исследование лунных пород, возраст Луны такой же.

Положение Земли в середине экосферы и особенно ее размер и масса явились причиной образования у нее атмосферы особого типа, единственной в своем роде.

Вопрос о том, как возникла Земля, занимал умы людей на протяжении тысячелетий. Он оставался нерешенным, пока сравнительно недавно не были выдвинуты достаточно правдоподобные гипотезы. Но даже сегодня нельзя с уверенностью сказать, что главные проблемы решены.

Современные теории предполагают, что некогда существовало что-то вроде «солнечной туманности», она содержала вещество, которое, концентрируясь, постепенно образовало планеты. Если так, то Солнце и планеты имеют одинаковое происхождение и состоят из одного и того же вещества.

Возраст Солнца 5 млрд лет. Диаметр в 109 раз больше земного, а масса в 333000 раз больше массы Земли. Температура центральных областей достигает 15 млн градусов, а давление – сотни миллиардов атмосфер. В этих условиях идут ядерные реакции синтеза ядер водорода в ядра гелия. за счет которых и выделяется громадная энергия. Над ядром Солнца находится так называемая конвективная зона, а еще выше – атмосфера со слоями фотосферы, хромосферы и короны. Средняя температура поверхности Солнца – 6000 градусов. Если толщина короны достигает десятков солнечных радиусов, то толщина фотосферы всего 300 км. Установлены разные периоды колебания солнечной активности. Через каждые 11-12 лет усиливаются факелы и пятна в фотосфере, вспышки в хромосфере, протуберанцы (громадные плазменные образования) в короне. Все это оказывает заметное воздействие на атмосферу и биосферу Земли.