Микро, макро и мега миры

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОРБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО  «БрГУ» 

Кафедра физики 

Реферат на тему:

«МИКРО, МАКРО И МЕГАМИРЫ» 
 
 

Выполнила:                                                       Филиппова И. А., К-06

Руководитель:                                                     Геращенко Л. А. 
 
 

Братск, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Микромир: концепции современной физики ………………………………..4

     1.1 Атомистическая концепция строения  материи

    1.2 Электроны и электронная оптика………………………………………...8

2. Макромир: концепции классического естествознания……………………..11

    3. Мегамир:  современные астрофизические и  космологические концепции………………………………………………………………………………...17

    3.1 Современные  космологические модели Вселенной………………........18

    3.2 Проблема происхождения и эволюции Вселенной……………….........21

    3.3 Структура  Вселенной……………………………………………….........26

Заключение…………………………………………………………………........34

Список литературы……………………………………………………………...38 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ.

         Основная цель современного естествознания - познание мира, формирование нашего личного мировоззрения. Сейчас главная функция современного естествознания - технический прогресс. Современный мир сформировался в ряде факторов, основной из которых Научно-технический Прогресс (НТП). Основные особенности современного мира определяются НТП.

              Научно-технический  Прогресс -  основа современной  цивилизации. Ему всего 300-350 лет.  Именно тогда возникла индустриальная  цивилизация. НТП пропитывает  всю цивилизацию (деятельность, жизнь  людей). Все связано с НТП, даже культура (создана индустрия размножения продуктов культуры).

               НТП  вещь двоякая: у него есть  как положительные, так и отрицательные черты. Положительные - улучшение комфорта, отрицательные - экологические (комфорт ведет к экологическому кризису) и культурные (в связи с развитием средств общения  нет необходимости непосредственного контакта).

          Отношение к нему тоже двоякое: несмотря на усиленное  развитие Научно-технического Прогресса, на уровне культуры нет подобного роста. Даже, напротив, есть полярность. Одни говорят, что наука хорошо, другие - плохо.

         Приведем результаты опроса  по  отношению к науке в Англии.

      45 %  - больше добра. 

      38 %  - уравновешено.

      11 %  - больше зла.

    В настоящее время изучение естественной науки сконцентрировано на трех главных фронтах: 1) изучение очень большого - (занимается астрономия, астрономы наблюдают все более отдаленные объекты и пытаются составить представление о том, как выглядит населяемый нами мир в макрокосмосе); 2) изучение очень малого - (представляет собой мир атомов. Мы сами и все вокруг нас состоит из атомов, для нас представляет первостепенный интерес, как мы сложены); 3) изучение очень сложного (эта область принадлежит биологии).   

1. Микромир: концепции современной физики. 

  1.1 Атомистическая концепция строения материи.

      Атомистическая гипотеза строения  материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

    В физику представления об атомах как  о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном Превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. Изучение радиоактивности было продолжено французскими физиками супругами Пьером и Марией Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

      История исследования строения  атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

      Исходя из огромной, по сравнению  с электроном, массы положительно  заряженной частицы, английский  физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1902 г. первую модель атома —положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как “изюм в пудинг”. Эта Идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

       В 1908 г. Э. Марсден и X. Гейгер, сотрудники Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. По модели Дж. Томсона это объяснить не удавалось, но Э. Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая - до 150°. Э. Резерфорд пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятствие, это препятствие представляет собой ядро атома - положительно заряженную микрочастицу, размер которой (10^-12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10^-8 см), но в ней почти полностью сосредоточена масса атома.

    Модель  атома, предложенная Э. Резерфордом  в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

    Ядро  имеет положительный заряд, а  электроны - отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов — атом электрически нейтрален.

    Неразрешимое  противоречие этой модели заключалось  в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.

    Следующее противоречие связано с тем, что  спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

    В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров.

    Модель  атома Н. Бора базировалась на планетарной  модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

    1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

    2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

    Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, почему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое.

    Теория  атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствами электрона. Длина волны движущегося в атоме электрона равна примерно 10^-8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том случае, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравнению с размерами системы. Другими словами, следует учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.

    Следовательно, точно описать структуру атома  на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других - меньше.

    Описание  распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного заряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н. Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило согласованность с экспериментальными данными.

    Теория  Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа  развития современной физики. Это  последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.

    Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений. 

    1.2 Электроны и электронная оптика.

    Подлинная революция в микроскопии произошла  в 20-х годах нашего века, когда  возникла идея использовать в ней  потоки частиц - электронов. На основе этой идеи возникла и быстро развилась новая область науки - электронная микроскопия, позволившая осуществить наиболее глубокий прорыв в области видения и изучения сверхмалых объектов. Мы привыкли к тому, что видение объекта, формирование его изображения связаны с поступлением в прибор (а в конечном счёте в глаз) световых волн от этого предмета, того, что мы называем излучением. Как же можно получить изображение объекта, причём даже с гораздо более высокой разрешающей способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а частиц? Забегая несколько вперед, скажем, что электроны проявляют волновые свойства отнюдь не в меньшей мере, чем «настоящие», привычные волны, например, радио или световые. Но об этом ниже... Вместе с тем электроны ведут себя как настоящие частицы, обладающие массой, траекторией движения, энергией и другими свойствами, присущими различным предметам. Так в первую очередь ведут себя электроны во многих приборах и устройствах, широко применяющихся не только в науке и технике, но и в быту в электронных лампах, кинескопах и других электронных приборах радиоприёмников и телевизоров. Современная физика весьма подробно знает «анкетные данные» электрона. Это отрицательно заряженная частица (e=4,8e^-10 CGSE) с массой 9,1e^-28 г, но физики тщательно обходят вопросы, которые иногда хочется задать чрезмерно любопытным, например о форме электрона, а о его размерах обычно говорят с оговорками. Звучит эта оговорка примерно так: «классический радиус электрона составляет 10^-13 см, а в рамках релятивистской теории это вообще точечная частица». Если не касаться определённой группы ситуаций, в которых электроны ведут себя не по правилам «здравого смысла», то это частицы, поведение которых можно описать и весьма точно рассчитать по законам механики и теории электромагнетизма, как и любого другого объекта. Правда, в этих случаях, т. е. тогда, когда ещё не проявляются закономерности так называемой квантовой механики, приходится учитывать проявление эффектов теории относительности (релятивистских эффектов) и в первую очередь возрастание массы электрона с ростом скорости его движения. Во многих практических применениях электронных потоков, например в вакуумных приборах, электроны ведут себя как вполне «нормальные» частицы. Под действием известной силы, например, создаваемой электрическим полем между электродами, электрон приобретает ускорение, пропорциональное силе и обратно пропорциональное его массе. Движущиеся потоки электронов эквивалентны электрическим токам, поэтому могут эффективно взаимодействовать с внешними магнитными полями. Таким образом, электрические и магнитные поля могут существенно влиять на траектории и скорости электронных потоков, и с помощью таких полей можно управлять движением электронов. Наука, занимающаяся нахождением траекторий движения электронов в электрических и магнитных полях, а также расчётом элементов и устройств, способных формировать нужные поля, называется электронной оптикой.  Более подробный анализ анкетных данных электрона обнаруживает необычность ряда его свойств. Действительно, если подходить к электрону с обычными мерками и считать, что он занимает объём V и обладает массой m, то «плотность вещества в электроне» (m/V) = (9,1e^-28)/(4/3r³)10¹¹ г/см³ (!). Здесь мы считаем электрон шариком с радиусом r порядка 10^-13 см. Масса, заряд и некоторые другие постоянные, характеризующие электроны, известны уже с весьма высокой точностью. Вопрос о том, каким образом электрон удерживается как целое и не разлетается под действием сил расталкивания, выходит далеко за рамки этого реферата. Если предметам, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, достаточно трудно сообщить большую скорость (например, порядка нескольких километров в секунду), то электрон даже в поле с U=1В приобретает скорость V=(2e/mU)0,56e⁷ см/сек. Таким образом, электроны легче разогнать до больших скоростей, чем «остановить», т. е. заставить находиться в покое. Электроны в обычной медицинской рентгеновской трубке тормозятся в поверхностном слое антикатода, проходя при этом путь в несколько ангстрем. Отрицательное ускорение на пути s (например, при U100 кв.) при этом будет весьма велико: (v²)/(2s)10²³ см/сек² (!). Наконец, укажем, что, как правило, в наших приборах для их нормальной работы необходим электронный поток, содержащий внушительное число частиц (например, электронному току в 1A соответствует поток электронов в 10¹⁹ частиц в секунду!). Итак, положение с электронами выглядит своеобразно: 1) есть объект, которым мы умеем управлять и свойства которого научились использовать; 2) мы достаточно хорошо знаем свойства этого объекта и научились проводить измерение даже точнее, чем для многих других объектов, с которыми встречаемся в повседневной жизни и которые можем видеть невооружённым глазом; 3) никто никогда не видел электронов, но все знакомы с результатами его действий; 4) с точки зрения «здравого смысла» и на основе сопоставления результатов очень хорошо поставленных экспериментов электрон является далеко не тривиальным объектом: плотность электронного вещества фантастически велика, он является сверх прочным объектом, способным «противостоять» действию сверхбольших инерциальных и электрических (кулоновских) сил.