Современное описание микромира

     Содержание:

    Введение……………………………………………………………...1

    1.Сущность  квантово-механической концепции  описания микромира…………………………………………………………………2

    2.Взгляды  Н.Бора, В.Гейзенберга, Луи де Бройля и других физиков на природу микромира…………………………………………4

    3.Особенности  волновой генетики………………………………..13

    Заключение…………………………………………………………15

    Список  использованной литературы……………………………...17 
 
 

    Введение.

    Физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Вследствие этой общности физика и ее законы лежат в основе всего естествознания. На стыке  физики и других естественных наук возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и другие. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и так далее.

    Слово «физика» появилось еще в древние  времена. В переводе с греческого оно означает «природа». Одно из основных сочинений древнегреческого ученого  Аристотеля (384-322г. до н.э.), ученика Платона, так и называлось «Физика». Физика тех времен, конечно, носила натурфилософский характер. Тем не менее, предвидя развитие физики, Аристотель писал: «Наука о природе изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движений, а кроме того, начала такого рода бытия».

    «Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически  вывести картину мира.» - так считал А.Эйнштейн.

    Одна  из задач физики - выявление самого простого и самого общего в природе. В современном представлении самое простое – так называемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и так далее. А наиболее общими свойствами материи принято считать движение, пространство и время, массу, энергию и другие. Конечно, физика, изучает и очень сложные  явления и объекты. Но при изучении сложное сводится  к простому, конкретное- к общему. При этом устанавливаются  универсальные  законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из  существенных признаков физики как фундаментальной науки.

    Всю историю физики можно условно  разделить на три основных этапа:

    - древний и средневековый;

    - классической физики;

    - современной физики.

    Первый  этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать полностью оправданным: фундаментальные зерна физики и  естествознания в целом были посеяны  еще в глубокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала  17века, поэтому и называется древним и средневековым этапом.

    Начало  второго этапа – этапа классической физики – связывают с одним из основателей точного естествознания – итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником  классической физики, английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Второй этап продолжался до конца 19века.

    К началу 20-го  столетия появились  экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый подход  впервые  ввел в 1900 году немецкий физик Макс Планк (1858-1947гг), вошедший в историю развития физики как один из  основоположников квантовой теории. Его  трудами открывается третий этап развития физики – этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления мира.

    Цель  контрольной работы изложить сущность микромира с точки зрения современной физики. 

    1.Квантово-механические  концепции описания микромира. 

    В истории физики наиболее плодотворной  и важной для понимания явлений  природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет  прерывистое, дискретное строение, т.е.  состоит из мельчайших частиц – атомов. До конца 19века  в соответствии с концепцией  атомизма считалось, что материя состоит из отдельных неделимых частиц – атомов. С точки зрения современного атомизма, электроны – «атомы» электричества, фотоны- «атомы» света и так далее.

    Концепция атомизма, впервые предложенная древнегреческим  философом Левкиппом в 5 веке до н. э., развитая его учеником Демокритом и затем древнегреческим философом-материалистом Эпикуром (341-270 до н.э.) и запечатленная в замечательной поэме  «О природе вещей» римского поэта и философа Лукреция Кара (1век до н.э.), вплоть до нашего столетия оставалось умозрительной  гипотезой, хотя и подтверждаемой косвенно некоторыми экспериментальными  доказательствами (например, броуновским движением, законом Авогардо и др.).

    Концепция атомизма – концепция дискретного, квантованного строения материи  – пронизывает естествознание  на протяжении всей его истории –  от античной натурфилософии  Левкиппа и Демокрита до современных учений физики, химии, биологии и других наук. Многие ведущие физики и химики даже в конце 19 века не верили в реальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц – молекулы.

    В каком соотношении находятся  между собой атомы и молекулы? Насколько те и другие малы? Действительно  ли они существуют? Только в начале 20 века были получены ответы на поставленные вопросы.

    Реальное  существование молекул  было окончательно подтверждено в 1906 году опытами французского физика Жана Перрена (1870-1942г) по изучению закономерностей броуновского движения. В современном представлении – молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой.

    Атом  – составная часть молекулы, в  переводе с греческого  означает «неделимый». Действительно, вплоть до конца 19 века неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца 19 и начала 20 столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897 году английский физик Джозеф Джон  Томсон (1856-1940г) открыл  электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав  электронной оболочки атомов. В 1898 году Томсон определил заряд электрона, а в 1903 году предложил одну из первых моделей атома.

    Можно говорить о тождественности элементарных частиц. Тождественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами: массой, электрическим зарядом, спином и другими внутренними характеристиками (квантовыми числами). Например, все электроны Вселенной считаются тождественными. Понятие о тождественных частицах как о принципиально неразличимых частицах – чисто квантово-механическое. Тождественные частицы подчиняются принципу тождественности.

    Принцип тождественности – фундаментальный  принцип квантовой механики, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния должны рассматриваться как одно физическое состояние.

    Принцип тождественности – одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике  всегда  можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом  отличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности.

    Состояние частицы в квантовой  механике описывается волновой функцией, позволяющей  определить лишь вероятность нахождения частицы в данной точке пространства. В случае неопределения  в  пространстве волновых функций двух или более тождественных частиц нет смысла говорить о том, какая из них находится в данной точке; имеет смысл говорить лишь о вероятности нахождения в этой точке одной из тождественных частиц.

    Эмпирическим  фактом, который и составляет сущность принципа тождественности, является то, что в природе различают лишь два класса волновых функций для систем  тождественных частиц: симметричные волновые функции, у которых при перестановке пространственных и спиновых координат любой пары  тождественных точек волновая функция не изменяется, и антисимметричные волновые функции, при аналогичной перестановке изменяющие знак.

    Принцип тождественности и вытекающие из него требования симметрии волновых функций для системы тождественных  частиц приводят к важнейшему квантовому эффекту, не имеющему аналога в классической теории – существованию обменного взаимодействия. Одним из первых успехов квантовой механики было объяснение Гейзенбергом  наличия двух состояний атома гелия – орто- и парагелия, основанное на принципе тождественности.

    Так постепенно, шаг за шагом, современная  физика открывала совершенно новый  мир физических объектов – микромир или мир микроскопических частиц, для которых характерны преимущественно  квантовые свойства. 
 

    2. Взгляды Н. Бора, В. Гейзенберга, Луи де Бройля и других физиков на природу микромира.

    Положительно  заряженная часть атома была открыта в 1911 году английским физиком Э.Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах. Более тщательное исследование такого явления показало, что при прохождении  пучка параллельных лучей  сквозь слой газа или тонкую металлическую пластинку  выходят уже не параллельные лучи, а несколько расходящиеся: происходит рассеяние альфа-частиц, т.е. отклонение от их первоначального пути. Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое число частиц, примерно одна из нескольких тысяч, которые откланяются очень сильно. Некоторые частицы  отбрасываются назад, как если бы на пути встретилось что-то твердое, непроницаемое. Это не электроны – их масса гораздо меньше массы альфа-частиц. Отклонение может происходить при столкновении с положительными частицами массой того же, что и альфа-частицы. Исходя  из этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему строения атома.

    В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Поскольку масса электрона ничтожна мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, число которых сравнительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой.

    Предложенная Резерфордом схема строения атома или, как обыкновенно говорят, планетарная модель атома, легко объясняет явления альфа-частиц. Действительно, размеры ядра и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атомы  без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда альфа-частица очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяния альфа-частиц положило начало ядерной теории атома.

      Планетарная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию альфа-частиц вещества, однако возникли принципиальные трудности при обосновании устойчивости атомов.

    Первая  попытка построить качественно  новую - квантовую - теорию атома была предпринята в 1913 г. Нильсом Бором. Он поставил цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил ядерную модель Резерфорда. Он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам. Движение по окружности даже с постоянной скоростью обладает ускорением. Такое ускоренное движение заряда эквивалентно переменному току, который создает в пространстве переменное электромагнитное поле. На создание этого поля расходуется энергия. Энергия поля может создаваться за счет энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром. В результате электрон должен двигаться по спирали и упасть на ядро. Однако опыт показывает, что атомы - очень устойчивые образования. Отсюда следует вывод, что результаты классической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла, неприменимы к внутриатомным процессам. Необходимо найти новые закономерности. В основу своей теории атома Бор положил 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. Движение электронов по таким орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.