2.4.3. Микроуровень организации материи

К 30-м годам 20 века были известны 4 типа элементарных частиц:

1. .ПРОТОНЫ - положительно заряженные частицы атомного ядра.

1. . НЕЙТРОНЫ - не имеющие заряда частицы атомного ядра, близкие по массе протону.

2. . ЭЛЕКТРОНЫ - отрицательно заряженные частицы периферии атомов.

3. .ФОТОНЫ - сгустки энергии электромагнитных излучений.

С помощью этих частиц удалось объяснить природу химических элементов, периодический закон, природу химической связи и радиоактивности.

В 40-е годы была открыта частица нейтрино - близкая по массе к электрону, но не имеющая заряда, которая приводила процесс бетта - распада в соответствие с законом сохранения энергии.

В 50-е годы была открыта частица позитрон - равная по массе электрону, но имеющая положительный заряд, т.е. античастица.

При столкновении электрона с позитроном происходит аннигиляция, т.е. в соответствии с формулой Эйнштейна, масса обеих частиц полностью переходит в энергию в виде 2-х фотонов.

Облучение различных веществ космическими лучами привело к открытию около 100 частиц малой массы, входящих в атомные ядра - мезоны. Кроме этого предполагалось, что протоны не являются неделимой элементарной частицей и должны состоять как минимум из 6 элементарных частиц.

В 80-90 х годах эти частицы - кварки - были обнаружены.

В основу классификации частиц было положено представление о фундаментальных физических силах в природе:

2.4.4. Фундаментальные взаимодействия.

1.СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. Действует только на очень коротких расстояниях внутри атомного ядра, следовательно, частицы атомного ядра называют сильновзаимодействующими и включают в себя протоны, мезоны и нейтроны.

2.СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. Меньше сильного в раз. Возникает между субатомными частицами, к которым относят электроны и нейтрино.

3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ. В 100 раз слабее сильного, но радиус действия практически не ограничен. К нему относят испускание и поглощение фотонов.

4. ГРАВИТАЦИОННОЕ. В микромире не выявлено. Меньше электромагнитного в .

Кроме этих 4 сил современная физика выделяет:

БЛИЗКОДЕЙСТВИЕ - это передача воздействия между материальными точками за конечный промежуток времени.

ДАЛЬНОДЕЙСТВИЕ - действие на расстоянии с мгновенной скоростью.

Глава 2..5. Действие закона сохранения в макромире.

2..5.1. Закон сохранения энергии свидетельствует о неуничтожимости движения и материи, существовании взаимных превращений между видами энергии и движения, невоз­можности создания чего-либо из ничего. Он объясняет при­роду механической работы, и справедлив для всех явлений природы.

Благодаря открытию закона сохранения энергии были сделаны новые ценные открытия, созданы механизмы и устройства нового типа, приведены в единую систему фи­зические представления о мире. Закон имеет исключитель­ное значение для естествознания, поскольку на нем осно­ваны основные положения современных физики, химии, прочих смежных наук. Все знания о веществе, разного рода превращениях, феноменах и процессах опираются на пред­ставления о сохранении энергии. Одновременно этот за­кон объединяет и разные виды энергии: лучистую, ядер­ную, электромагнитную, механическую, химическую, тепло­вую и т.д.

Закон этот неукосни­тельно соблюдается во всей бесконечной Вселенной. За­медление времени, искривление пространства, сверхтеку­честь и сверхпроводимость, а также прочие физические «штучки», нарушающие привычные представления о мире, на закон сохранения не распространяются. Он универса­лен. Если какие-то расчеты показывают, что энергия бе­рется из ниоткуда или уходит в никуда, значит они про­сто неверны. Закон сохранения при всей своей простоте непоколебим и категоричен. Исключений из него не су­ществует и не может существовать даже чисто предполо­жительно!

Невозможно представить себе случай, когда закон сохранения не действовал бы. Материя пребывает в движении, которое выражается в переходах энергии из одного состояния в другое. Поэтому, если бы случилось нечто фантасти­ческое, и закон сохранения энергии перестал бы работать, это означало бы исчезновение материи и Вселенной.

Обобщенная форма закона гласит: Внутри замкнутой системы энергия передается от одного тела к другому, претерпевая превращения и принимая новые разновидности. Количество ее всегда ос­тается неизменным.

При этом системой называется совокупность объектов (предметов и\или явлений) объединенных единым процессом.

Если процесс обратимый или циклический - система замкнутая. Все материальные системы, как естественного природного происхождения, так и созданные человеком, в той или иной степени взаимодействуют с внешними по отношению к системе объектами, то есть являются открытыми и составляют вместе с этими «внешними» объектами более сложную систему или надсистему, по отношению к которой будут являться подсистемой. Процесс, объединяющий компоненты в элементарную систему может быть и необратимым. Например: система, состоящая из органического вещества – целлюлозы (спичка) и кислорода, объединенных необратимой химической реакцией (горения) превращения их в углекислый газ, минеральные соли и пары воды. Такая система, образованная необратимым процессом будет называться незамкнутой. Однако процесс необратимый в рамках данной элементарной системы может оказаться обратимым в рамках одной из надсистем более высоких иерархий. А так как все процессы, в какой бы форме они не протекали, - это в итоге процессы перехода и превращения энергии, то, по сути, все материальные системы являются замкнутыми. Смысл закона заключается в том, чтобы следить за приходом и расходом энергия внутри выбранной систе­мы. Энергией называется способность какого-либо тела или системы совершать работу. Известно, что работа в физике — это дей­ствие приложенной к телу силы на каком-то отрезке пути А = FS (F – сила, S- расстояние, А - работа)

Частный вариант закона — для механики — утвер­ждает, что полная механическая энергия всех тел системы остается неизменной.

Тела взаимодействуют друг с другом механически (как шестеренки в часах) и при этом передают друг другу энер­гию. Передача ее и взаимодействие такого рода называет­ся механическим процессом. Не участвующие в процессе тела, если они как-то иначе влияют на систему, изменяют ее энергию. Но тела внутри системы этого не могут: коли­чество энергии постоянно при чисто механическом про­цессе.

Для объяснения смысла закона сохранения механичес­кой энергии обратимся к связи между работой и потенци­альной энергией.

Выделяют два основных вида энергии: потенциальную и кинетическую. Потенциальную энергию тело или система приобретают в результате работы, совершенной против действия какой-либо силы. Например, для того чтобы тело приобрело потенциальную энергию его нужно поднять на определенную высоту, т.е. совершить работу против силы тяжести.

Следовательно, мы можем говорить не об абсолютных значениях энергии тела или системы, а только о том на сколько она изменится после совершения работы.

Кинетическая энергия приобретается в процессе движения тел или систем обладающих массой и зависит от скорости этого движения

Такой энергией обладает брошенный камень. Можно сказать, что кинетическая энер­гия есть энергия движущегося тела.

Потенциальная и кинетическая энергии могут проявляться в различных формах механической, химической, электрической, тепловой. При этом все эти формы могут переходить друг в друга и в конечном итоге в механическую или тепловую энергию, т.е. в макромире возможны принципиально только 2 способа перехода энергии: в другую форму: через механическую работу ,или через тепловую форму энергии.

Энергия означает способность тела совершать работу. Пока тело не совершает никакой работы, его энергия пере­ходит из потенциальной в кинетическую и наоборот — до бесконечности.

Но любое взаимодействие порождает расход энергии тела. Кинетическая энергия уменьшается, переходя в работу, то же самое может произойти и с потенциальной энергией. Полная энергия тела или системы тел, как несложно понять, равна сумме их кинетической и потенциальной энергий.

Поэтому как бы не менялось количество кинетической и потенциальной энергий, полная энергия неизменна. Имен­но это и утверждает закон сохранения механической энер­гии. В системе она лишь передается от тела к телу. Способ передачи механической энергии — это и есть работа, кото­рая всегда равна величине изменения энергии. Физики формулируют это утверждение так: работа служит мерой передачи энергии при механических процессах.

Нет такого механизма, который бы давал «выигрыш» работе. Нельзя из бензобака получить больше энергии» чем там есть! Нельзя извлечь больше энергии из атомного реак­тора, чем это возможно. Работа выполняется одинаковая.

Потенциальная и кинетическая энергии могут проявляться в различных формах механической, химической, электрической, тепловой, атомной. При этом все эти формы могут переходить друг в друга и в конечном итоге в механическую или тепловую энергию, т.е. в макромире возможны принципиально только 2 способа перехода энергии: в другую форму: через механическую работу, или через тепловую форму энергии.