Концепции современного естествознания

     Согласно  историческим свидетельствам, Юлиус Роберт Майеррисунок 87, один из тех, кто своими исследованиями открыл новую, энергетическую эру, в возрасте десяти лет сконструировал свой первый и последний перпетуум мобиле. Как и многие другие его предшественники, он также поддался иллюзии вечного движения и захотел проверить эту идею на практике. Мальчик построил небольшую «сухую» водяную мельницу с водяным колесом и коклеей (архимедовым винтом) для обратного перекачивания воды к лопастям водяного колеса. Быть может, именно неудача, постигшая его, как и всех остальных, дала будущему исследователю материал для размышлений сн*. 

     В начале сороковых годов XIX в. Майеру удалось сформулировать один из важнейших  законов современной физики —  закон сохранения энергии, согласно которому энергия в произвольной замкнутой системе при любых  процессах, происходящих в системе, остается величиной постоянной и  лишь переходит из одной формы  в другую. 

     Майер прекрасно сознавал равносильность закона сохранения энергии и утверждения  о невозможности создания перпетуум мобиле. Так, об отрицательном отношении к вечному двигателю он писал в 1842 г. своему другу В. Гризингеру: 

     «Этот закон вытекает как необходимое  следствие из неопровержимых принципов. Но у меня есть и другое доказательство, близкое мне лично и свидетельствующее  о справедливости моих установлений, — это доказательство от противного. В науке общепризнанно, что создать  перпетуум мобиле невозможно (если даже отвлечься мысленно от всяческих механических сопротивлений, таких как трение и т.п.). Мое утверждение (речь идет о законе сохранения энергии.) можно вывести в качестве необходимого следствия из самого факта невозможности существования вечного двигателя. Если же, тем не менее, кому-либо удастся опровергнуть это мое утверждение, то я немедленно создам перпетуум мобиле». 

     Важную  роль в установлении точной количественной формулировки закона сохранения энергии  сыграл знаменитый немецкий естествоиспытатель, врач, физик и философ Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц. В 1847 г. он выступил в Берлине на заседании недавно  образованного Физического общества со своим знаменитым докладом «О сохранении силы», где он высказался и о вечном движении: 

     «Вообразим  себе систему тел природы, которые  состоят в известных пространственных взаимоотношениях друг с другом и  начинают двигаться под действием  своих взаимных сил до тех пор, пока они не придут в определенное другое положение; мы можем рассматривать  приобретенные ими скорости как  результат определенной механической работы и можем выразить их через  работу. Если бы мы захотели, чтобы те же силы пришли в действие во второй раз, совершая еще раз ту же работу, то мы должны бы были привести тела каким  бы то ни было образом в первоначальные условия, применяя другие силы, которыми мы можем располагать. Мы на это затратим определенное количество работы приложенных  сил. В этом случае наш принцип  требует, чтобы количество работы, которое  получается, когда тела системы переходят  из начального положения во второе, и количество работы, которое затрачивается, когда они переходят из второго  положения в первое, всегда было одно и то же, каков бы ни был способ перехода, путь перехода или его  скорость.

        Так как если бы величина  работы была на каком-нибудь  одном пути больше, чем на другом, то мы могли бы пользоваться  первым путем для получения  работы, а вторым — для обратного  перемещения тел, при котором  мы могли бы затратить только  часть полученной работы. И мы  получили бы неопределенно большое  количество механической силы, т.е.  мы могли бы построить вечный  двигатель (perpetuum mobile), который не только поддерживал бы свое собственное движение, но и был бы в состоянии давать силу для совершения внешней работы». 

     Независимо  от Майера закон сохранения энергии  был также установлен английским физиком Джеймсом Прескоттом Джоулем, проводившим в начале 40-х годов XIX в. свои классические опыты по выделению  тепла в проводниках при прохождении  по ним электрического тока. В 1843 г. эти опыты привели его к  определению механического эквивалента  тепла. Таким образом, усилиями Майера и Джоуля было сделано открытие, принесшее первое экспериментальное  доказательство кинетического характера  тепла — этой некогда загадочной и таинственной субстанции. Правда, в первых своих опытах, которые  не могли отличаться большой точностью, Джоуль получил значение механического  эквивалента тепла, равное 460 кгм/ккал; более поздние опыты дали весьма точное значение 425 кгм/ккал. В конце концов, в результате последовавших затем многочисленных измерений оказалось, что одной единице тепла — килокалории, определяемой, как количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма деаэрированной воды при нормальном атмосферном давлении от 14,5°С до 15,5°С, соответствует 4186,8 джоулей (418,7 кгм) механической работы. 

     Обнаружение Майером, Джоулем и другими исследователями  взаимосвязи между механической энергией и теплотой и нахождение их количественной эквивалентности  способствовало укреплению корпускулярной теории тепла, основанной на гипотезе, что теплота обусловлена движением  молекул и что преобразование тепла в работу и есть, собственно, трансформация одного вида движения в другой. 

     С момента открытия закона сохранения энергии прошло почти два столетия. Сегодня в его справедливости, естественно, нет никаких сомнений: по существу, его доказала вся техническая  практика человечества, несчетное число  раз подтвердившая, что самая  совершенная паровая машина, двигатель  внутреннего сгорания или турбина  способны совершать работу только тогда, когда к ним подводится энергия  от внешнего источника. Растаяли и надежды, с которыми сторонники перпетуум мобиле приветствовали на первых порах появление паровой машины, ожидая, что после своего усовершенствования она будет способна работать как некое идеальное устройство с кругооборотом постоянного количества энергии, непрерывно переходящей из механической формы в тепловую и обратно. 

     

10.  Принцип  возрастания энтропии.

     Принцип возрастания энтропии сводится к  утверждению, что энтропия изолированных  систем неизменно возрастает при  всяком изменении их состояния и  остается постоянной лишь при обратимом  течении процессов 

     В связи с развитием теплотехники ученые в прошлом веке пришли к  простому, но удивительному закону, потрясшему человечество. Это закон (иногда его называют принцип ) возрастания  энтропии (хаоса) во Вселенной. Этот закон  не опровергнут до сих пор, все  попытки его обойти, хитроумные опровержения, неизменно рассыпались при тщательном научном рассмотрении. 

     Говоря  проще, этот закон утверждает, что  любая сложная структура может  только упрощаться, т.е. разрушаться. 

     Другими словами, это значит, что энергия  в материальном мире может только рассеиваться, но не может сама собой  концентрироваться. 

     Из  закона возрастания энтропии (второго  закона термодинамики), в частности, следует, что тепловая энергия может  переходить только от тела с более  высокой температурой к телу с  более низкой температурой, но никак  не наоборот. Отсюда вытекает очевидное  следствие, что рано или поздно наступит так называемая «Тепловая смерть Вселенной», т.е. температура всех её частей выровняется, все процессы (включая  жизнь) прекратятся и Вселенная  застынет в мертвом вечном равновесии. 

     Однако  этот закон справедлив только для  изолированной однородной системы, т.е. системы без притока или  оттока энергии, имеющей однотипную структуру. Земля, к счастью, как  и многие другие планеты, относится  к так называемым открытым системам. Она непрерывно получает мощный поток  лучистой энергии от Солнца и избыток  этой энергии также непрерывно излучает обратно в космическое пространство. Причем разные части Земли получают и отдают энергию неодинаково. Энтропия этих частей разная, между ними происходит обмен энергией, переход её из одной  формы в другую. Вот почему мы наблюдаем течение рек, дожди, ветры, грозы, бури, землетрясения и другие природные явления. 

     

11.  Предпосылки  современной теории строения  атома.

     К моменту появления теории химического  строения А.М. Бутлерова многое уже  было известно о валентности элементов: Э. Франкланд установил валентность для ряда металлов, для органических соединений А.Кекуле предложил четырехвалентность атома углерода ( 1858) , было высказано предположение об углерод-углеродной связи, о возможности соединения атомов углерода в цепи ( 1859, А.С. Купер, А.Кекуле ). Эта идея сыграла большую роль в развитии органической химии.     Важным событием в химии был Международный конгресс химиков ( 1860, г.Карлсруэ), где были четко определены понятия об атоме, молекуле, атомном весе, молекулярном весе. До этого не было общепризнанных критериев для определения этих понятий, поэтому была путаница в написании формул веществ. А.М. Бутлеров считал самым существенным успехом химии за период с 1840 по 1880г. установление понятий об атоме и молекуле, что дало толчок развитию учения о валентности и позволило перейти к созданию теории химического строения.     Таким образом, теория химического строения возникла не на пустом месте. Объективными предпосылками ее появления явились: а). Введение в химию понятий о валентности и особенно, о четырехвалентности атома углерода, б). Введение понятия об углерод-углеродной связи. в). Выработка правильного представления об атомах и молекулах.

12. Строение атома.

     А́том (др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.[1]. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента. 

     Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

     Субатомные  частицы

     Основная  статья: Субатомные частицы 

     Хотя  слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится  на меньшие части, согласно научным  представлениям он состоит из более  мелких частиц, называемых субатомными  частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны. 

     Электрон  является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10−28 г, отрицательным  зарядом и размером, слишком малым  для измерения современными методами.[11] Протоны обладают положительным  зарядом и в 1836 раз тяжелее  электрона (1,6726×10−24 г). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10−24 г).[12] При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта  массы. Нейтроны и протоны имеют  сравнимый размер, около 2,5×10−15 м, хотя размеры этих частиц определены плохо.[13] 

     В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят  из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный  электрический заряд, равный +2⁄3 или  −1⁄3 элементарного. Протоны состоят  из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет  разницу в массах и зарядах  протона и нейтрона. Кварки связаны  между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.[14][15]

     [править]

     Электронное облако

     Основная  статья: Орбиталь 

     Термин  «электронное облако» не совсем корректен  с точки зрения квантовой механики, поэтому вместо него физики чаще всего  говорят об «облаке вероятности». 

     Электроны в атоме притягиваются к протонам, находящимся в ядре, под действием  электромагнитных сил. Эти силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы  электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо передать энергию  от внешнего источника. Чем ближе  электрон находится к ядру, тем  больше энергии для этого необходимо. 

     Электронам, как и другим частицам, свойственен  корпускулярно-волновой дуализм. Электронное  облако представляют собой часть  потенциального барьера, в которой  электронам соответствуют трёхмерные стоячие волны, не изменяющие своей  формы с течением времени относительно ядра. Говорят, что электрон движется по орбитали. На самом же деле это состояние описывают волновой функцией, квадрат которой характеризует плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Существует дискретный набор таких орбиталей, и электроны могут находиться длительное время только в этих состояниях, так как они являются наиболее устойчивыми. 

     Каждой  орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора). 

     

13.  Корпускулярно-волновой  дуализм. Квантовая механика.

     Корпускулярно-волновой дуализм - это теория о том, что  любое вещество (электромагнитное излучение, физическое тело, атом и т.п.) представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны.  

     В частности, свет - это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. 

     Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) 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 также волновыми свойствами.