Квантовая теория и строение материи

Элементы квантовой теории строения материи

Квантовая теория и строение материи

Физические основы электронной техники.

Их виды и характеристики.

Межатомные связи.

Классификация веществ в зависимости от структурных особенностей твердых тел.

Принято различать твердые вещества: аморфные, поликристаллические, монокристаллические.

Аморфные – вещества, которые не имеют какой-либо определенной (упорядоченной) внутренней структуры расположения атомов.

Поликристаллические вещества – состоят из отдельных гранул или малых областей. Каждая гранула имеет четко выраженную структуру, однако размеры и ориентация гранул в соседних областях совершенно произвольная.

Монокристаллические вещества – в них атомы пространственно упорядочены и образуют трехмерную периодическую структуру, называемую кристаллической решеткой.

Полупроводниковые устройства и интегральные схемы выполняют из монокристаллов, среди которых наибольшее значение имеют монокристаллы кремния (Si).

Основную роль в процессе объединения атомов в кристалл играют электроны. Межатомная связь возникает благодаря тому, что атомы в веществе расположены близко друг к другу и влияют друг на друга.

По степени взаимного влияния атомов различают три вида межатомных связей: ионная, металлическая и ковалентная (парноэлектронная).

При ионной связи электроны перемещаются от одних атомов к другим. Как следствие, в структуре возникают ионы.

При металлической связи кристаллическая решетка из положительно заряженных ионов окружена «электронным газом».

При ковалентной связи внешние электроны, так называемые валентные, становятся общими для ближайших соседних атомов.

В твердых телах с ковалентной связью образуются различные кристаллические решетки, вид которых определяется узлами между направлениями различных ковалентных связей.

Кристаллическая решетка, в которой каждый электрон внешней орбиты связан ковалентными связями с остальными атомами вещества, является идеальной. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов нет. При температуре абсолютного нуля (-273˚С) полупроводники, состоящие из таких кристаллов, обладают свойствами идеальных изоляторов.

То, что атом является первокирпичиком материи, догадывались еще мудрецы древности. Именно свойства атомов определяют свойства веществ. Однако, как устроен атом, начало проясняться постепенно, начиная с конца 19 века. Долгое время считалось, что плотность распределения энергии излучения тел по длинам волн представляет непрерывную функцию.

И аналитические выражения, описываемые формулами Рэлея-Джинса, вроде бы это подтверждали.

Однако при проведении экспериментов с определением энергии излучения абсолютно черного тела выяснилось, что эти формулы удовлетворительно согласуются лишь при достаточно больших длинах волн и резко расходятся с опытом для малых длин волн, хотя с классической точки зрения формулы были безупречны.

Это расхождение (результат) получило название ультрафиолетовой катастрофы, что указывало на существование закономерностей, несовместимых с представлениями классической физики.

В 1900 году Планку удалось найти вид функции, в точности соответствующей опытным данным. Для этого ему необходимо было сделать предположение, не укладывающееся в рамки классических представлений. Он выдвинул гипотезу, в соответствии с которой электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии, величина которых пропорциональна частоте излучения.

Эти порции энергии получили название квантов, а коэффициент пропорциональности h был впоследствии назван постоянной Планка (h=6,62*Дж*с).

Если излучение испускается порциями, то его энергия должна быть кратна этой величине:

, где n=0, 1, 2, …

Проводя опыты по рассеянию α-частиц, Резерфорд в 1911 году предложил ядерную модель атома. Согласно этой модели атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжелое положительное ядро с зарядом Z*e, имеющее размеры не более см, а вокруг ядра расположены Z электронов, распределенных по всему объему атома. Атом электронейтрален.

Однако ядерная модель атома оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики.

Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии, Резерфорду пришлось отказаться от статической модели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра по орбитам.

Но в этом случае электроны будут двигаться с ускорением и согласно классической электродинамике должны непрерывно излучать электромагнитные волны и терять энергию, что должно привести к нарушению равновесия центробежных и центростремительных сил и падению электронов на ядро.

Однако этого не происходит, что подтверждается наличием атомных оптических спектров, имеющих линейчатую структуру, которым соответствуют определенные дискретные значения частот.

Выяснилось, что классическая механика и электродинамика неспособны объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомного спектра.

Выход из тупика был предложен в 1913 году датским физиком Нильсом Бором, ценой введения предположений, противоречащих классическим представлениям. Допущения Бора представляют два его постулата.

Постулаты Бора.

1.

Из бесконечного множества электронных орбит, которые возможны с точки зрения классической механики, осуществляются в действительности, только некоторые дискретные (стационарные) орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. На таких орбитах электроны не излучают электромагнитной энергии, несмотря на движение с ускорением. Для этого необходимо, чтобы момент импульса электрона был равен целому кратному постоянной Планка.

(n=1, 2, 3, …)

2. Возможность излучения или поглощения кванта энергии появляется у электрона только при переходе из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое, поэтому

— разность энергий стационарных уровней, между которыми совершается квантовый скачок.

Несмотря на блестящее экспериментальное подтверждение постулатов Бора, его теория не была последовательно квантовой теорией и не учитывала волновых свойств вещества.

В 1924 году Луи де-Бройль выдвинул смелую гипотезу, что корпускулярно-волновые свойства (дуализм) присущи не только оптическим явлениям, но и движущимся частицам вещества.

Поэтому электрон обладает как свойствами частицы, так и волновыми свойствами: при движении по замкнутой орбите электрон не излучает электромагнитной энергии, если вдоль орбиты укладывается целое число длин волн (стоячая волна).

; ; , n — целое

Принцип Паули. В соответствии с этим принципом распределение электронов по энергетическим уровням происходит так, что электроны стремятся занять уровни с наименьшей энергией, поэтому все внутренние орбиты оказываются полностью заполненными. Частично может быть заполнена только внешняя орбита (которая определяет оптические и химические свойства атома).

Принцип запрета Паули гласит, что на каждом энергетическом уровне может находиться не более 2-х электронов (с различными спинами).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/2_38642_elementi-kvantovoy-teorii-stroeniya-materii.html

Квантовая теория и строение материи

Квантовая теория и строение материи

Понятие материи, на самом деле, многоуровневое. Рассмотрим эти уровни по отдельности.

Из чего построено всякое вещество? Атомы химических элементов образуют соединения посредством химической связи. Химическими методами можно поменять связи между атомами, но не затронуть типового свойства атома – превратить его в другой элемент. До открытия ядерных реакций понятие материи в основном сводилось к атомам и их взаимосвязям.

Открытие радиоактивности, эксперименты Резерфорда показали сложность строения атома. Атом содержит ядро и электроны. Расщепление ядер показало, что они в свою очередь, так же как и атомы, сложны.

Вводится понятие элементарных частиц. Этими частицами являются нейтрон, протон и электрон. На сегодняшний день при данном уровне развития науки понятие материи сводится к элементарным частицам.

Но это еще не предел.

Установлено, что столкновение элементарных частиц рождает новые элементарные частицы, но это не обломки первых, а такие же элементарные частицы. Частицы превращаются друг в друга, в излучение, поскольку их сущность – энергия, та самая потенция, о которой еще мыслил Аристотель. Более того, эти частицы в состоянии образовываться из кинетической энергии – энергии движущегося тела.

Энергия – подлинное бытие. Она же и есть материя, хотя не обязательно обладает плотностью, как это должно было бы быть при классическом подходе. Энергия – это то, из чего все образуется и во что, в конечном счете, может превратиться.

Энергия воплощается в вещах, в излучении, во взаимодействиях тел – все это формы материи, а так же ее движения. Материя подчиняется единому уравнению. Ранее в математике было показано, что существует ограниченное число групп симметрии.

Данные группы лежат в основе законов природы, точнее в их формальном математическом представлении. Универсальное уравнение материи так же симметрично относительно этих групп. Решения этого уравнения представляют собой элементарные частицы.

Не все так безоблачно с пониманием мира с позиций квантовой теории. Существует пока непреодоленное противоречие между квантовой теорией и теорией относительности.

Связано это с тем, что в теории относительности присутствует предельное ограничение точности по времени. Отсюда вытекает возможность сколь угодно больших энергий в соответствие с принципом неопределенности.

Данное рассмотрение позволяет сделать вывод о том, что и древние мыслители имели некоторое правильное понимание проблемы материи. Материя действительно строительный материал и потенция, так как энергия это и возможность совершения некой работы, а так же источник возникновения элементарных частиц.

С другой стороны, отчасти прав был Платон, когда говорил, что элементам – элементарным частицам в современном понимании – соответствует число, решение универсального уравнения материи в рамках квантовой теории.

Не стоит полагать, что древние философы уже, якобы, знали все то, до чего дошла современная наука. Их рассуждения были чисто умозрительными и в ряде случаев неверными.

Реальная ситуация такова, что современные представления о материи можно соотнести с представлениями древних и увидеть много общего.

особенность современных взглядов в том, что они, в отличие от древних взглядов, подкреплены серьезнейшим эмпирическим материалом.

В течение длительного времени прежде развития квантовой теории предполагалось существование некоего всепроникающего вещества. Необходимость в таком предположении исходила из наблюдаемого факта – свет проходит через вакуум.

Следовательно, поскольку волновые свойства света были уже установлены, необходимо было постулировать наличие среды, в которой световые волны распространяются. Было непонятно, есть ли он вообще, а если и есть, то, движется ли он вместе с движущимся телом или нет. В любом случае имелась возможность обнаружить наличие «эфирного ветра».

Если эфир покоится относительно Земли, то ветер будет около 30 км/с! Если же движется вместе с Землей, то на разных высотах величина «эфирного ветра» должна быть различной.

Для проверки гипотезы существования эфира Майкельсон и Морли провели опыт, который был основан на том, что при наличии «эфирного ветра» скорость света должна быть разной в зависимости от направления «ветра».

Разность скоростей света в разных направлениях приводит к появлению разности хода световых лучей в интерферометре, ориентированном по направлению движения Земли.

Если бы интерференционная картина изменилась при ином ориентировании интерферометра относительно движения Земли, то наличие эфира можно считать доказанным. На деле никакого эфирного ветра не оказалось.

После того, как с распространением света проблемы были сняты, и стало ясно, что свет спокойно может распространяться в пустоте, встал вопрос о зависимости скорости света от скорости среды, в которой он распространяется.

На опыте оказалось, что скорость света в движущейся по направлению распространения света воде даже меньше, чем в покоящейся. Такие, странные на первый взгляд, результаты привели ученых в замешательство.

В последствии оказалось, что скорость света по отношению к движущемуся навстречу ему телу не превышает скорость света в вакууме.

Эйнштейн сделал смелое предположение: скорость света в вакууме – максимально достижимая материальным телом скорость. Это предположение стало постулатом теории относительности.

Поскольку предельной скоростью движения материального тела может быть скорость света в вакууме, то, не вдаваясь в конкретные выражения теории относительности, оказывается, что время и расстояние в движущейся системе отсчета относительно другой системы связано с ее скоростью относительно этой второй системы отсчета.

В теории относительности вводится понятие одновременности, отличное от обыденного понятия. Одновременными могут считаться только те события, информация о которых, например, свет, прибывают в точку наблюдения в один и тот же момент времени, судя по часам, находящимся в этой точке.

Весьма интересным оказалось соотношение массы и энергии, найденное Эйнштейном. В связи с этим возникли антиматериалистические тенденции в философии. Правда эти антиматериалистические тенденции не получили широкого распространения.

На рубеже XIX и XX веков активно развивается квантовая теория. Рэлей и Джинс пытались объяснить с позиций классической механики хорошо известный факт, заключающийся в том, что при нагревании тела независимо от его цвета, оно начинает светиться цветом, зависящим от температуры.

Сначала тело светится красным, далее оранжевым, потом при еще большем повышении температуры белым цветом. Представления классической механики, применяемые к объяснению данного факта, приводили к противоречиям с наблюдениями.

Кроме того, классическая механика была абсолютно не в состоянии объяснить устойчивость атомов в свете планетарной модели, бытовавшей в то время.Стало ясно, что надо менять теорию.

Макс Планк – немецкий физик, попытался объяснить наблюдаемые явления на основе некоторых соотношений, казавшихся ему верными. Поначалу данные соотношения М. Планка имели характер догадок, причем сам Планк продолжал их анализировать.

Физический смысл этих соотношений был неясен даже самому М. Планку! Оказалось, что М. Планк говорил о новой физической реальности – квантованности энергии, которую может поглощать или испускать атом. Дело в том, что по предположению М.

Планка значение энергии атома не континуально, а прерывисто.

Нильс Бор положил начало «матричной механике». Здесь уже происходит отказ от традиционной планетарной модели атома, и серьезнейшим образом формализуются утверждения теории. Матричная механика, в отличие от классической, объясняла устойчивость атомов.

Луи — де — Бройльразвивает представления о соответствии всякой элементарной частице волны. Развитие этим представлениям дал немецкий физик Э. Шредингер. Основную трудность в понимании, представляло собой это самое «соответствие».

Например, как может свет, поток фотонов, быть одновременно волной? Эксперимент, как ни странно, указывал на дуалистическую природу света. Позднее Шредингер показал эквивалентность своих исследований с «матричной механикой».

Тем не менее, противоречия в волновом и корпускулярном представлении электронов и света оставались неразрешенными.

Настоящий успех достигнут к 1924-26 гг. В физику вводится понятие «волны вероятности». Вот как это описывает В. Гейзенберг: «Волна вероятности означала нечто подобное стремлению к определенному протеканию событий. Она означала количественное выражение старого понятия «потенция» аристотелевской философии».

Введение вероятностных представлений в физику дало совсем иное понимание процессов микромира. Несмотря на это нововведение, классические представления не утратили своего значения. Теперь для применения классической или квантовой теории обозначились четкие границы. На самом деле, классические представления не совсем точно соответствуют природе.

Так одновременно сколь угодно точно определить координату и импульс частицы невозможно. Произведение этих неопределенностей имеет порядок постоянной Планка.

Проблема состоит в том, что в отличие от прежних представлений, когда исследователь и его инструменты никак (или почти никак) не влияли на результаты эксперимента, исследование микромира производится другими объектами того же микромира.

Например, чтобы определить координату электрона, необходимо, чтобы он провзаимодействовал с фотоном, иначе мы никак не получим информации. Это взаимодействие существенно изменит координату электрона. Аналогичная ситуация с импульсом. В микромире описание процессов возможно лишь на вероятностном уровне.

Итак, в конце XIX века в физике произошло множество открытий, носящих революционный характер: открытие А. Беккерелем в 1897 году явления радиоактивности; в 1900 году М. Планк выдвинул квантовую гипотезу о прерывности процессов излучения.

В результате в физике сформировалось два, казалось несовместимых представления о материи – корпускулярное и континуальное (полевое). В 1913 году Н.

Бор предложил свою модель атома (стационарную), в которой электрон, вращавшийся вокруг ядра, излучал энергию только порциями при переходе с одной орбиты на другую. Это противоречило известным законам электродинамики, но позволило сделать прорыв в науке, т.е.

создать фундаментальные физические теории – квантовую механику и квантовую электродинамику. Над их созданием работали Э. Резерфорд, Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн.

Важнейшие понятия новых теорий

Корпускулярно-волновой дуализм – наличие у каждой частицы материи свойств волны и частицы одновременно.

Cоотношение неопределенностей Гейзенберга – невозможность одновременного измерения координат и импульса частицы.

Мировые универсальные константы – постоянные, которые не сводимы друг к другу и имеют значение для всей наблюдаемой части Вселенной:

скорость света в вакууме (с = 300 000 км/с) – это максимальная скорость для всех возможных взаимодействий в природе;

гравитационная постоянная (G), используемая в законе всемирного тяготения;

постоянная Планка (h) – это квант энергии, входит во все уравнения, описывающие процессы на уровне микромира;

постоянная Больцмана (k), она устанавливает связь между микроскопическим динамическими явлениями и макроскопическими характеристиками состояния объединений частиц.



Источник: https://infopedia.su/17x74bb.html

Квантовая теория и строение материи (стр. 1 из 5)

Квантовая теория и строение материи

В. Гейзенберг

Понятие «материи» на протяжении истории человеческого мышления неоднократно претерпевало изменения. В различных философских системах его интерпретировали по-разному. Когда мы употребляем слово «материя», то надо иметь в виду, что различные значения, которые придавались понятию «материя», пока еще в большей или меньшей степени сохранились в современной науке.

Ранняя греческая философия от Фалеса до атомистов, искавшая единое начало в бесконечном изменении всех вещей, сформулировала понятие космической материи, мировой субстанции, претерпевающей все эти изменения, из которой все единичные вещи возникают и в которую они в конце концов снова превращаются. Эта материя частично идентифицировалась с некоторым определенным веществом — водой, воздухом или огнем, — частично же ей не приписывали никаких других качеств, кроме качеств материала, из которого сделаны все предметы.

Позднее понятие материи играло важную роль в философии Аристотеля — в его идеях о связи формы и материи, формы и вещества. Все, что мы наблюдаем в мире явлений, представляет собой оформленную материю. Материя, следовательно, является реальностью не сама по себе, но представляет собой только возможность, «потенцию», она существует лишь благодаря форме 13.

В явлениях природы «бытие», как называет его Аристотель, переходит из возможности в действительность, в актуально свершившееся, благодаря форме.

Материя у Аристотеля представляет собой не какое-либо определенное вещество, как, например, воду или воздух, не является она также и чистым пространством; она оказывается в известной степени неопределенным телесным субстратом, который содержит в себе возможность перейти благодаря форме в актуально свершившееся, в действительность.

В качестве типичного примера этого соотношения между материей и формой в философии Аристотеля приводится биологическое развитие, в котором материя преобразуется в живые организмы, а также создание человеком произведения искусства. Статуя потенциально содержится в мраморе уже до того, как ее высекает скульптор.

Только значительно позднее, начиная с философии Декарта, материю как нечто первичное стали противопоставлять духу. Имеются два дополняющих друг друга аспекта мира, материя и дух, или, как выражался Декарт, «res extensa» и «res cogitans».

Поскольку новые методологические принципы естествознания, особенно механики, исключали сведение телесных явлений к духовным силам, то материя могла быть рассматриваема только как особая реальность, независимая от человеческого духа и от каких-либо сверхъестественных сил.

Материя в этот период представляется уже сформировавшейся материей, и процесс формирования объясняется причинной цепью механических взаимодействий. Материя уже утеряла связь с «растительной душой» аристотелевской философии, и поэтому дуализм между материей и формой в это время уже не играет никакой роли.

Это представление о материи внесло, пожалуй, наибольший вклад в то, что мы ныне понимаем под словом «материя».

Наконец, в естествознании XIX столетия важную роль играл другой дуализм, а именно дуализм между материей и силой, или, как тогда говорили, между силой и веществом. На материю могут воздействовать силы, и материя может вызывать появление сил.

Материя, например, порождает силу тяготения, и эта сила в свою очередь воздействует на нее. Сила и вещество являются, следовательно, двумя ясно различимыми аспектами физического мира. Поскольку силы являются также формирующими силами, это различие снова приближается к аристотелевскому различению материи и формы.

С другой стороны, именно в связи с новейшим развитием современной физики, это различие силы и вещества полностью исчезает, так как всякое силовое поле содержит энергию и в этом отношении представляет собой также часть материи. Каждому силовому полю соответствует определенный вид элементарных частиц.

Частицы и силовые поля — только две различные формы проявления одной и той же реальности.

Когда естествознание изучает проблему материи, ему следует прежде всего исследовать формы материи.

Бесконечное многообразие и изменчивость форм материи должны стать непосредственным объектом исследования; усилия должны быть направлены на то, чтобы найти законы природы, единые принципы, которые могли бы служить направляющей нитью в этом бесконечном поле исследований. Поэтому точное естествознание и особенно физика уже давно концентрируют свои интересы на анализе строения материи и сил, которые это строение определяют.

Со времени Галилея основным методом естествознания является эксперимент. Этот метод сделал возможным перейти от общих исследований природы к специфическим исследованиям, выделить характеристические процессы в природе, на основе которых ее законы можно изучать более непосредственно, чем в общих исследованиях.

То есть при изучении строения материи необходимо произвести над ней эксперименты. Необходимо поставить материю в необычные условия, чтобы изучить ее превращения в этих обстоятельствах, надеясь познать тем самым определенные фундаментальные черты материи, которые сохраняются при всех ее видимых изменениях.

Со времени формирования естествознания нового времени это было одной из важнейших целей химии, в которой довольно рано пришли к понятию химического элемента.

Субстанция, которая не могла быть разложена или расщеплена далее какими угодно средствами, имевшимися в то время в распоряжении химиков: кипячением, сжиганием, растворением, смешиванием с другими веществами, была названа «элементом». Введение этого понятия было первым и исключительно важным шагом в понимании строения материи.

Многообразие имеющихся в природе веществ было тем самым сведено по крайней мере к сравнительно малому числу более простых веществ, элементов, и благодаря этому среди различных явлений химии был установлен определенный порядок.

Слово «атом» поэтому и было применено к мельчайшей единице материи, которая входит в состав химического элемента, и самая маленькая частица химического соединения могла быть наглядно представлена в виде маленькой группы различных атомов. Мельчайшей частицей элемента железа оказался, например, атом железа, и наименьшая частица воды, так называемая молекула воды, оказалась состоящей из атома кислорода и двух атомов водорода.

Следующим и почти столь же важным шагом было открытие сохранения массы в химических процессах.

Если, например, сжигается элемент углерода и при этом образуется двуокись углерода, то масса двуокиси углерода равна сумме масс углерода и кислорода до того, как процесс начался.

Это открытие придало понятию материи прежде всего количественный смысл. Независимо от химических свойств материя могла быть измерена ее массой.

В течение следующего периода, главным образом в XIX столетии, было открыто большое число новых химических элементов. В наше время их число перешагнуло за 100.

Это число, однако, совершенно ясно говорит о том, что понятие химического элемента еще не привело нас к тому пункту, исходя из которого можно было бы понять единство материи.

Предположение о том, что существует очень много качественно различных видов материи, между которыми нет никаких внутренних связей, не было удовлетворительным.

К началу XIX столетия были уже найдены свидетельства в пользу наличия взаимосвязи между различными химическими элементами. Эти свидетельства заключались в том факте, что атомные веса многих элементов казались целочисленно кратными некоторой наименьшей единице, которая приблизительно соответствует атомному весу водорода.

Подобие химических свойств некоторых элементов также говорило в пользу существования этой взаимосвязи.

Но только благодаря применению сил, которые во много раз сильнее, чем те, которые действуют в химических процессах, можно было действительно установить связь между различными элементами и подойти ближе к пониманию единства материи.

Внимание физиков было привлечено к этим силам в связи с открытием радиоактивного распада, осуществленного Беккерелем в 1896 году. В последовавших затем исследованиях Кюри, Резерфорда и других превращение элементов в радиоактивных процессах было показано со всей очевидностью.

Альфа-частицы испускались в этих процессах в виде обломков атомов с энергией, которая приблизительно в миллион раз больше, чем энергия единичной частицы в химическом процессе. Следовательно, эти частицы могли быть теперь использованы в качестве нового инструмента для исследования внутреннего строения атома.

Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, явилась результатом экспериментов по рассеянию альфа-частиц. Важнейшей чертой этой известной модели было разделение атома на две совершенно различные части — атомное ядро и окружающие атомное ядро электронные оболочки.

Атомное ядро занимает в центре только исключительно малую долю всего пространства, которое занято атомом, — радиус ядра приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса всего атома; но оно все-таки содержит почти всю массу атома.

Его положительный электрический заряд, являющийся целочисленно кратным так называемому элементарному заряду, определяет общее число окружающих ядро электронов, ибо атом как целое должен быть электрически нейтрален; он определяет тем самым и форму электронных траекторий.

Это различие между атомным ядром и электронной оболочкой сразу дало согласованное объяснение тому факту, что в химии именно химические элементы являются последними единицами материи и что для превращения элементов друг в друга необходимы очень большие силы.

Химические связи между соседними атомами объясняются взаимодействием электронных оболочек, и энергии взаимодействия при этом сравнительно малы.

Электрон, ускоренный в разрядной трубке потенциалом всего в несколько вольт, обладает достаточной энергией, чтобы «разрыхлить» электронные оболочки и вызвать испускание света или разрушить химическую связь в молекуле.

Но химическое поведение атома, хотя в основе его и лежит поведение электронных оболочек, определяется электрическим зарядом атомного ядра. Если хотят изменить химические свойства, нужно изменить само атомное ядро, а это требует энергий, которые примерно в миллион раз больше, чем те, которые имеют место при химических процессах.

Источник: https://mirznanii.com/a/229835/kvantovaya-teoriya-i-stroenie-materii

Зарождение квантовой теории

Сначала специалисты могли рассматривать объект изучения с точки зрения химических процессов. Исследователь разделял вещество на составные части и просчитывал установленные взаимосвязи между ними. Так рождалось понятие о химическом элементе.

Немного позже эти знания были структурированы, так как стало понятно, что подобные элементы состоят не только из одних атомов, но и иных частиц.

Через некоторое время количество элементов выросло до сотни, однако это еще не могло привести научный мир к пониманию материи.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Новый виток развития квантовой теории пришелся на начало 20 века, когда физик Резерфорд провел ряд опытов и выявил ядерную модель атома. Чуть позже были открыты частицы атома:

  • электрон;
  • нейтрон;
  • ядро атома;
  • протон.

Эти частицы также совершали бесконечное взаимодействие, из которого рождались иные элементы вещества на сверхмалом уровне. Они выглядели как вид излучений, но при этом все равно не смогли ответить на вопрос о реальном строении и формы материи.

Ученые в области квантовой физики начали создавать различные теории, в основе которых лежали понятия гравитации, как основной невидимой силы. Она участвовала во всех основных процессах квантовой механики и могла послужить разгадкой в постижении всего понятия «материи».

Согласно высказанным предположениям в одной и той же реальности может существовать две формы этой же реальности в виде:

Согласно классическим понятиям механики, сформулированным Исааком Ньютоном, нельзя объяснить стабильность атома, поэтому формирование квантовой теории шло неоднородно, с осознанием большого числа несоответствий и ошибок.

Если математические модели могли дать положительный результат, то на практике все обстояло не таким удачным образом и путь к познанию строения и свойства материи остается нелегким.

Однако подобную стабильность все же удается описать в квантовой модели, так как она дает объективное описание атома в пространстве и во времени.

Анализ строения материи

Так как с точностью определить непосредственные характеристики материи нельзя, то теоретики прибегают к помощи составления анализа строения материи. К строению материи имеют отношение, как физика, так и химия. Они вместе составляют большую науку.

Однако при составлении понятия материи необходимо брать во внимание дополнительные знания из биологии. Считается, что резкого различия между живой и неживой материей провести нельзя.

Есть те специфические биологические функции, которые выполняются всеми группам молекул.

Замечание 1

Род стабильности, что усматривается в живых организмах, по своей природе довольно сильно отличается от стабильности атома или кристалла. В биологии идет речь о стабильности процесса или функции, а не о стабильности формы. Поэтому квантово-механические законы играют в биологических процессах весьма важную роль.

Методы изучения материи

Специалисты имеют ряд методов, для того, чтобы на квантовом уровне достичь определенного понимания понятия «материя». Для этого ни используют космическое излучение.

Электромагнитные поля на поверхности звезд, которые простираются на огромные пространства, при особых условиях могут ускорить заряженные атомные частицы, электроны и атомные ядра.

Ускорение при благоприятных условиях происходит еще в переменных магнитных полях между звездами. Результаты воздействия могут быть исследованы на новом уровне.

Другая особенность в познании строения материи состоят в экспериментах, проводимых на установках ускорителей частиц. Циклотроны способны под огромным напряжением концентрировать сильное магнитное поле заряженными атомными частицами. Их принуждают многократно вращаться по кругу, дополнительное ускорение придается электрическим полем.

В ходе экспериментов, кроме трех основных строительных элементов материи, были открыты новые элементарные частицы.

Они порождались в этих происходящих при высоких энергиях столкновениях, но на предельно короткие промежутки времени, однако их удавалось зафиксировать научным способом, что подтверждает правильность использования квантового метода мышления, который был введен в обращение около века назад. Новые элементарные частицы имеют свойства, похожие на характеристики уже известных протонов, нейтронов и электронов.

Замечание 2

Основным элементом, который существенно отличает их от остальных, является крайняя нестабильность. Наиболее стабильные частицы способны существовать рекордно малое время. Их жизнь длится примерно миллионную долю секунды.

Проведенные таким образом эксперименты при помощи космического излучения или очень больших ускорителей, выявили новые интересные черты материи. Полученные интересные результаты пока никак не могут ответить на главнее вопросы строения всей Вселенной, состоящей из материи.

Некоторые ученые считают, что они уводят в сторону от идей о единстве материи, однако приближает к разгадке этой тайны.

Благодаря согласованию экспериментов в области элементарных частиц наивысших энергий с математическим анализом их результатов можно будет прийти к полному пониманию единства материи.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/kvantovaya_teoriya_i_stroenie_materii/

Физика и философия | Страница 27 | Онлайн-библиотека

Квантовая теория и строение материи

Можно сказать, что физика является частью естествознания и в этом качестве должна стремиться к описанию и пониманию природы. Однако понимание любого рода, будь оно научным или нет, зависит от нашего языка, от того, что мы можем передавать наши мысли.

Всякое описание явлений, опытов и их результатов также основывается на языке как на единственном средстве понимания. Слова этого языка выражают понятия повседневной жизни, которые в научном языке физики могут быть уточнены до понятий классической физики.

Эти понятия представляют собой единственное средство однозначной передачи сообщений о процессах, расположении приборов в опытах и их результатах.

Поэтому когда физика-атомника просят дать описание того, что реально происходит в его опытах, то слова „описание“, „реальность“ и „происходит“ могут относиться только к понятиям повседневной жизни или классической физики.

Как только физик попытался бы отказаться от этой базы, он потерял бы возможность однозначно объясняться и не смог бы развивать свою науку далее. Поэтому всякое высказывание о том, что на самом деле происходит или произошло, является высказыванием, использующим понятия классической физики.

Оно по самой своей природе вследствие законов термодинамики и соотношения неопределенностей оказывается неполным в отношении тех деталей атомных процессов, о которых в данном случае идет речь. Требование, что следует описывать и то, что в квантово-механическом процессе происходит в промежутке между двумя следующими друг за другом наблюдениями, является contradictio in adjecto, так как слово „описывать“ имеет отношение только к применению классических понятий, тогда как эти понятия не могут быть применены в промежутках между двумя наблюдениями. Они могут применяться только в момент наблюдения.

Необходимо также подчеркнуть, что копенгагенская интерпретация квантовой теории никоим образом не является позитивистской.

В то время как позитивизм исходит из чувственных восприятий элементов бытия, копенгагенская интерпретация рассматривает описываемые в классических понятиях объекты и процессы, то есть фактическое, в качестве основы всякого физического объяснения.

Вместе с тем признается также, что статистичность природы законов микрофизики устранена быть не может, так как всякое знание „фактического“ в силу квантово-механических законов природы является знанием неполным.

Онтология материализма основывалась на иллюзии, что в атомную область можно экстраполировать способ существования, непосредственно данное окружающего нас мира. Но эта экстраполяция невозможна.

Можно было бы добавить еще некоторые замечания относительно формальной структуры контрпредложений в отношении копенгагенской интерпретации. Все выдвинутые до сих пор контрпредложения в отношении копенгагенской интерпретации заставляют жертвовать существенными свойствами симметрии квантовой теории.

Поэтому вполне можно предположить, что копенгагенская интерпретация является необходимой, если эти свойства симметрии, подобно свойству инвариантности относительно преобразований Лоренца, считать существенными свойствами природы. В пользу этого говорят и все проведенные до сих пор эксперименты.

IX. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ И СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ

Понятие „материи“ на протяжении истории человеческого мышления неоднократно претерпевало изменения. В различных философских системах его интерпретировали по-разному. Когда мы употребляем слово „материя“, то надо иметь в виду, что различные значения, которые придавались понятию „материя“, пока еще в большей или меньшей степени сохранились в современной науке.

Ранняя греческая философия от Фалеса до атомистов, искавшая единое начало в бесконечном изменении всех вещей, сформулировала понятие космической материи, мировой субстанции, претерпевающей все эти изменения, из которой все единичные вещи возникают и в которую они в конце концов снова превращаются. Эта материя частично идентифицировалась с некоторым определенным веществом — водой, воздухом или огнем, — частично же ей не приписывали никаких других качеств, кроме качеств материала, из которого сделаны все предметы.

Позднее понятие материи играло важную роль в философии Аристотеля — в его идеях о связи формы и материи, формы и вещества. Все, что мы наблюдаем в мире явлений, представляет собой оформленную материю. Материя, следовательно, является реальностью не сама по себе, но представляет собой только возможность, „потенцию“, она существует лишь благодаря форме 13.

В явлениях природы „бытие“, как называет его Аристотель, переходит из возможности в действительность, в актуально свершившееся, благодаря форме.

Материя у Аристотеля представляет собой не какое-либо определенное вещество, как, например, воду или воздух, не является она также и чистым пространством; она оказывается в известной степени неопределенным телесным субстратом, который содержит в себе возможность перейти благодаря форме в актуально свершившееся, в действительность.

В качестве типичного примера этого соотношения между материей и формой в философии Аристотеля приводится биологическое развитие, в котором материя преобразуется в живые организмы, а также создание человеком произведения искусства. Статуя потенциально содержится в мраморе уже до того, как ее высекает скульптор.

Только значительно позднее, начиная с философии Декарта, материю как нечто первичное стали противопоставлять духу. Имеются два дополняющих друг друга аспекта мира, материя и дух, или, как выражался Декарт, „res extensa“ и „res cogitans“.

Поскольку новые методологические принципы естествознания, особенно механики, исключали сведение телесных явлений к духовным силам, то материя могла быть рассматриваема только как особая реальность, независимая от человеческого духа и от каких-либо сверхъестественных сил.

Материя в этот период представляется уже сформировавшейся материей, и процесс формирования объясняется причинной цепью механических взаимодействий. Материя уже утеряла связь с „растительной душой“ аристотелевской философии, и поэтому дуализм между материей и формой в это время уже не играет никакой роли.

Это представление о материи внесло, пожалуй, наибольший вклад в то, что мы ныне понимаем под словом „материя“.

Наконец, в естествознании XIX столетия важную роль играл другой дуализм, а именно дуализм между материей и силой, или, как тогда говорили, между силой и веществом. На материю могут воздействовать силы, и материя может вызывать появление сил.

Материя, например, порождает силу тяготения, и эта сила в свою очередь воздействует на нее. Сила и вещество являются, следовательно, двумя ясно различимыми аспектами физического мира. Поскольку силы являются также формирующими силами, это различие снова приближается к аристотелевскому различению материи и формы.

С другой стороны, именно в связи с новейшим развитием современной физики, это различие силы и вещества полностью исчезает, так как всякое силовое поле содержит энергию и в этом отношении представляет собой также часть материи. Каждому силовому полю соответствует определенный вид элементарных частиц.

Частицы и силовые поля — только две различные формы проявления одной и той же реальности.

Когда естествознание изучает проблему материи, ему следует прежде всего исследовать формы материи.

Бесконечное многообразие и изменчивость форм материи должны стать непосредственным объектом исследования; усилия должны быть направлены на то, чтобы найти законы природы, единые принципы, которые могли бы служить направляющей нитью в этом бесконечном поле исследований. Поэтому точное естествознание и особенно физика уже давно концентрируют свои интересы на анализе строения материи и сил, которые это строение определяют.

Со времени Галилея основным методом естествознания является эксперимент. Этот метод сделал возможным перейти от общих исследований природы к специфическим исследованиям, выделить характеристические процессы в природе, на основе которых ее законы можно изучать более непосредственно, чем в общих исследованиях.

То есть при изучении строения материи необходимо произвести над ней эксперименты. Необходимо поставить материю в необычные условия, чтобы изучить ее превращения в этих обстоятельствах, надеясь познать тем самым определенные фундаментальные черты материи, которые сохраняются при всех ее видимых изменениях.

27

Источник: http://litrus.net/book/read/168590?p=27

Booksm
Добавить комментарий