Концепции современного естествознания

     С другой стороны, степень разупорядоченности системы можно характеризовать  так называемой термодинамической вероятностью состояния (статистическим весом) W.

     Термодинамическая вероятность (W) – это число различных способов, которыми может быть осуществлено данное состояние W 1. Однако пользоваться термодинамической вероятностью для количественной оценки направленности протекания процессов неудобно, так как в случае нескольких систем необходимо прибегать к перемножению вероятностей. Удобнее, если бы удалось ограничится суммированием каких-то величин. Такой величиной и является энтропия, которую можно математически выразить через термодинамическую вероятность следующим образом:                                        
                                                             

     Свойства  энтропии:

     1) если движение системы абсолютно  упорядочено, то W=1 и S=0;

     2) энтропия изолированной системой  не может быть <0, поскольку в  этом случае не может быть  меньше единицы термодинамическая  вероятность; 

     3) при  необратимых  процессах  энтропия  возрастает.  Действительно,  если, например, рассмотреть процесс расширения газа в пустоту, то при этом число способов которыми может быть осуществлено новое состояние больше, чем прежнее, т.е. , а поэтому ;

     4) уменьшаться энтропия может только  в случае неизолированной системы.

     7.4. Второе начало  термодинамики

     Второе  начало термодинамики определяет направление  протекания происходящих в природе  процессов. Его можно сформулировать несколькими способами.

     Наиболее  очевидная формулировка второго начала принадлежит Клаузиусу: теплота не может сама собой переходить от тела, менее нагретого, к телу более нагретому. 

     Второе  начало, записанное в дифференциальной форме, постулирует существование  дифференциала энтропии (dS) и является его определением: 
                                                         .

     7.5. Термодинамика открытых  систем

     Если  первое начало термодинамики справедливо  для любых систем, то второе начало – только для изолированных систем, т. е. таких, которые защищены от внешнего мира непрозрачной оболочкой и не обмениваются с окружающей средой энергией и веществом.

     В самом деле, из формулы Больцмана  следует, что, когда температура всех тел Вселенной сравняется, т. е. S = Smax, должно было бы наступить тепловое равновесие или тепловая смерть Вселенной. Но этого не произойдёт, так как Вселенная – это открытая система, т. е. она обменивается с окружающей средой энергией, веществом и информацией.

     Если  энтропия изолированной системы при протекании в ней реальных процессов может только увеличиваться, достигая максимума в состоянии равновесия, то энтропия открытой системы может также уменьшаться.

     Приведём  пример. Если принять, что теплота  , отдаваемая Землёй за счёт теплового излучения, равна теплоте , полученной Землёй за счёт солнечного излучения, ( ), температура поверхности Земли           T₁ = 300К, а температура поверхности Солнца T₂ = 5800К, то изменение энтропии Земли: .

     Таким образом, за счёт того, что Земля  получает высококачественное излучение  и отдаёт более низкокачественное, приращение энтропии отрицательно. Это  способствует упорядоченности системы, например: развитию эмбриона и других объектов живой природы.

     Человек - также открытая система, и приращение его энтропии также отрицательно в период его роста, в период старения приращение энтропии становится положительным  за счёт  апоптоза – запрограммированного старения и гибели клеток. Апоптоз обусловлен наличием у клетки генетического кода. Как писал один стареющий физик: «Меня съедает энтропия и целиком, и по частям». Когда энтропия достигает максимального значения, система становится изолированной и наступает смерть.                

     8. Концепция корпускулярно-волнового  дуализма

     8.1. Природа света

     Свет  имеет двойственную природу –  корпускулярно-волновую. С одной стороны свет – это электромагнитные волны оптического диапазона (инфракрасные лучи, видимый свет и ультрафиолетовые лучи), а с другой – поток частиц – фотонов.

     Волновую  природу света подтверждают явления  интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии, поглощения света и др.; корпускулярную природу: тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона.

     Согласно  гипотезе Планка электромагнитное излучение испускается не непрерывно, а порциями – квантами. Позже кванты электромагнитного излучения были названы фотонами.

     Фотон – микрочастица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света), который распространяется со скоростью с. Фотон представляет собой частицу особого рода, отличную от таких микрочастиц, как электрон, протон и др., которые не могут двигаться со скоростью света в вакууме.

     Энергия фотона: , где h - постоянная Планка;                   ν – частота света; - скорость света в вакууме; λ – длина волны фотона. Импульс фотона .

     Эта формула показывает связь между  характеристикой волны – длиной волны и характеристикой частицы  – импульсом.

     8.2. Корпускулярно-волновые  свойства микрочастиц

     Французский учёный де Бройль, осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами. То есть любой частице, обладающей импульсом, сопоставляется волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля:    .

     Эта формула справедлива для любой  частицы с импульсом P.

     Вскоре  гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально американскими физиками Дэвиссоном и Джермером, которые  обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решётки – кристалла никеля, даёт отчётливую дифракционную картину.

     Подтверждённая  экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещества коренным образом  изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микрообъектам присущи и корпускулярные и волновые свойства: для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

     8.3. Принципы неопределённости и дополнительности

     Согласно  двойственной корпускулярно-волновой природе частиц вещества для описания свойств микрочастиц используются либо волновые, либо корпускулярные представления. Приписать им все свойства частиц и все свойства волн нельзя. Возникает необходимость введения некоторых ограничений в применении к объектам микромира понятий классической механики.

     В классической механике всякая частица  движется по определённой траектории так, что в любой момент времени  точно фиксированы её координата и импульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных различий заключается в том, что нельзя говорить о движении микрочастицы по определённой траектории и об одновременных точных значениях её координаты и импульса.

     Немецкий  физик Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные  с волновыми свойствами ограничения  в их поведении, пришёл в 1927 г. к выводу: объект микромира невозможно одновременно с любой наперёд заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно точно определенные координату х и импульс P, причём неопределённости этих величин удовлетворяют условию:  ∆x ∙ ∆P ≥ h, т. е. произведение неопределённостей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка.

     Соотношение неопределённостей неоднократно являлось предметом философских дискуссий, приводивших некоторых философов  к его идеалистическому истолкованию: соотношение неопределённостей, не давая возможности одновременно точно определить координаты и импульсы (скорости) частиц, устанавливает границу познаваемости мира, с одной стороны, и существования микрообъектов вне пространства и времени – с другой. На самом деле соотношение неопределённостей не ставит какого-либо предела познанию микромира, а только указывает, насколько применимы к нему понятия классической механики.

     Для описания микрообъектов Бор  сформулировал  в 1927 г. принципиальное положение квантовой механики – принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

     Такими  взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы и её скорость (или импульс), энергию и время.

     С физической точки зрения принцип  дополнительности часто объясняют (следуя Бору) влиянием измерительного прибора (микроскопического объекта) на состояние микрообъекта.

     С позиции современной квантовой  теории роль прибора в измерениях заключается в «приготовлении»  некоторого состояния системы. Состояния, в котором взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определённые значения, принципиально невозможны, причём если одна из таких величин точно определена, то значения другой полностью неопределенны. Таким образом, фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем.

     9. Элементы атомной  и ядерной физики

     9.1. Физика атома

     В конце XIX столетия атом рассматривался как неделимая, элементарная частица. Открытие электрона и явление  радиоактивного распада показало, что  атом является сложным образованием. Спектроскопические исследования светящихся газов подтвердили это положение.

     В 1913 г. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома, которая, однако, оказалась в противоречии с законами классической механики и термодинамики. Необходимо было найти новые закономерности. Это сделал Бор, положив в основу своей теории следующие постулаты.

     Первый  постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса. Этот постулат находится в противоречии с классической теорией.

     Второй  постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией: = hν = Е₂ – Е₁, Дж,

     где Е₂ и Е₁ - соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения).

     Немецкие  физики Франк и Герц, изучая методом  задерживающего потенциала столкновение электронов с атомами газов (1913 г.), экспериментально подтвердили существование  стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов.

     Теория  Бора была крупным шагом в развитии теории атома. Но её слабой стороной являлось то, что она была ни последовательно  классической, ни последовательно квантовой.

     Только  с помощью квантовой механики (уравнение Шрёдингера и др.) стало возможным ответить на многие вопросы, касающиеся строения и свойств любых элементов.

     9.2. Строение атомного  ядра

     Примерно  через 20 лет после того, как Резерфорд  «разглядел» в недрах атома его  ядро, был открыт нейтрон – частица по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода протон, но только без электрического заряда.