V současné době je pro pohodlí zvykem rozdělovat jednotnou Přírodu na tři strukturální úrovně – mikro-, makro- a megasvět. Přirozenými, i když částečně subjektivními znaky rozdělení jsou velikosti a hmotnosti studovaných objektů.
Mikrosvět– svět extrémně malých, přímo nepozorovatelných mikrosystémů s charakteristickou velikostí 10–8 cm nebo menší (atomy, atomová jádra elementární částice).
Makrosvět– svět makrotěl, počínaje makromolekulami (velikosti od 10–6 cm a výše) po objekty, jejichž rozměry jsou srovnatelné s měřítkem přímé lidské zkušenosti – milimetry, centimetry, kilometry, až po velikost Země (délka zemský rovník je ~ 10 9 cm).
Megasvět– svět objektů v kosmickém měřítku od 10 9 cm do 10 28 cm. Tento rozsah zahrnuje velikost Země, Sluneční Soustava, Galaxie, Metagalaxie.
Přestože jsou mikro-, makro- a mega-světy úzce propojeny a tvoří jeden celek, přesto má každá z těchto strukturních úrovní své specifické zákony: v mikrosvětě - zákony kvantové fyziky, v makrosvětě - zákony klasické přírodní vědy, zejména klasické fyziky: mechanika, termodynamika, elektrodynamika. Zákony megasvěta jsou založeny především na obecná teorie relativita.
Mikrosvět
Atomová fyzika Dokonce i staří Řekové Leucippus a Democritus předložili skvělý odhad, že hmota se skládá z malých částic - atomů.
Vědecké základy atomově-molekulární vědy byly položeny mnohem později v dílech ruského vědce M.V. Lomonosov, francouzští chemici L. Lavoisier A J. Proust, anglický chemik J. Dalton, italský fyzik A. Avogadro a další badatelé.
Periodický zákon D.I. Mendělejev ukázal existenci přirozeného vztahu mezi všemi chemickými prvky. Bylo jasné, že všechny atomy mají ve svém jádru něco společného. Do konce 19. stol. v chemii převládalo přesvědčení, že atom je nejmenší nedělitelná částice jednoduchá látka. Věřilo se, že během všech chemických přeměn se ničí a vytváří pouze molekuly, zatímco atomy zůstávají nezměněny a nelze je rozdělit na části. A konečně na konci 19. stol. byly učiněny objevy, které ukázaly složitost struktury atomu a možnost přeměny některých atomů na jiné.
Němečtí vědci byli první, kdo poukázal na složitou strukturu atomu. GR. Kirchhoff A R.V. Bunsen, studující emisní a absorpční spektra různých látek. Složitou strukturu atomu potvrdily i pokusy o studiu ionizace, objevu a studiu tzv. katodových paprsků a fenoménu radioaktivity.
GR. Kirchhoff a R.V. Bunsen objevil, že každý chemický prvek má ve svých emisních a absorpčních spektrech charakteristickou, jedinečnou sadu spektrálních čar. To znamenalo, že světlo bylo emitováno a pohlcováno jednotlivými atomy a atom byl zase komplexním systémem schopným interakce s elektromagnetickým polem.
Dokazoval to i fenomén ionizace atomů, objevený při studiích elektrolýzy a výboje plynu. Tento jev lze vysvětlit pouze předpokladem, že atom během procesu ionizace ztratí část svých nábojů nebo získá nové.
Důkaz o složité struktuře atomu poskytly experimenty se studiem katodových paprsků vznikajících při elektrickém výboji ve vysoce zředěných plynech. Pro pozorování těchto paprsků se ze skleněné trubice, do které jsou připájeny dvě kovové elektrody, odčerpává co nejvíce vzduchu a pak tudy prochází vysokonapěťový proud. Za takových podmínek se „neviditelné“ katodové paprsky šíří od katody trubice kolmo k jejímu povrchu a způsobují jasně zelenou záři v místě, kam dopadají. Katodové paprsky mají schopnost uvést do pohybu snadno se pohybující tělesa a vychýlit se ze své původní dráhy v magnetických a elektrických polích.
Studium vlastností katodových paprsků vedlo k závěru, že se skládají z drobných částic nesoucích záporný náboj. Později bylo možné určit hmotnost a velikost jejich náboje. Ukázalo se, že hmotnost částic a velikost jejich náboje nezávisí ani na povaze plynu zbývajícího v trubici, ani na látce, ze které jsou elektrody vyrobeny, ani na jiných experimentálních podmínkách. Kromě toho jsou katodové částice známé pouze v nabitém stavu a nemohou existovat bez svých nábojů, nelze je přeměnit na elektricky neutrální částice: elektrický náboj je samotnou podstatou jejich povahy. Tyto částice se nazývají elektrony.
V katodových trubicích se elektrony oddělují od katody vlivem elektrického pole. Mohou ale vzniknout i bez spojení s elektrickým polem. Například při emisi elektronů kovy emitují elektrony, při fotoelektrickém jevu mnohé látky také emitují elektrony. Uvolnění elektronů širokou škálou látek naznačovalo, že tyto částice jsou součástí všech atomů bez výjimky. To vedlo k závěru, že atomy jsou složité útvary postavené z menších složek.
V roce 1896, při studiu luminiscence různých látek, A.A. Becquerel náhodně zjistili, že uranové soli vyzařují bez předchozího osvětlení. Toto záření, které má velkou pronikavou sílu a působí na fotografickou desku obalenou černým papírem, bylo tzv radioaktivní záření. Později bylo zjištěno, že se skládá z těžkých kladně nabitých částic α, lehkých záporných částic β (elektronů) a elektricky neutrálního záření γ.
Objev elektronu lze považovat za počátek zrodu atomové fyziky, který vedl k pokusům o konstrukci atomové modely. Protože elektron má záporný náboj a atom jako celek je stabilní a elektricky neutrální, bylo přirozené předpokládat přítomnost kladně nabitých částic v atomu.
První modely atomu založené na konceptech klasické mechaniky a elektrodynamiky se objevily v roce 1904: autorem jednoho z nich byl japonský fyzik Hantaro Nagaoka, druhá patřila anglickému fyzikovi J. Thomson- autor objevu elektronu.
X. Nagaoka prezentoval strukturu atomu jako podobnou struktuře sluneční soustavy: roli Slunce hraje kladně nabitá centrální část atomu, kolem které se pohybují „planety“ – elektrony – v ustáleném prstencovém tvaru. oběžné dráze. Při nepatrných posunech elektrony vybudí elektromagnetické vlny.
V modelu atomu J. Thomsona je kladná elektřina „distribuována“ po kouli, ve které jsou zabudovány elektrony. V nejjednodušším atomu vodíku je elektron umístěn ve středu kladně nabité koule. V multielektronových atomech jsou elektrony uspořádány ve stabilních konfiguracích vypočítaných J. Thomsonem. Thomson věřil, že každá konfigurace určuje určité chemické vlastnosti atomů. Pokusil se teoreticky vysvětlit periodický systém prvků D. I. Mendělejeva.
Brzy se ale ukázalo, že nová experimentální fakta Thomsonův model vyvracejí a naopak svědčí ve prospěch modelu planetárního. Tyto skutečnosti byly zjištěny E. Rutherford v roce 1912. Předně je třeba poznamenat, že objevil atomové jádro. K odhalení struktury atomu Rutherford sondoval atom pomocí částic alfa, které vznikají při rozpadu radia a některých dalších radioaktivních prvků. Jejich hmotnost je přibližně 8000krát větší než hmotnost elektronu a jejich kladný náboj se co do velikosti rovná dvojnásobku náboje elektronu.
Při Rutherfordových experimentech dopadl paprsek α-částic na tenkou fólii vyrobenou ze studovaného materiálu (zlato, měď atd.). Po průchodu fólií dopadly α-částice na síto potažené sulfidem zinečnatým. Srážka každé částice s obrazovkou byla doprovázena scintilaci(světelný záblesk), které bylo možné pozorovat. V nepřítomnosti fólie se na obrazovce objevil jasný kruh sestávající ze scintilací způsobených paprskem částic. Ale když byla fólie umístěna do dráhy paprsku, pak, na rozdíl od očekávání, částice α zaznamenaly velmi malý rozptyl na atomech fólie a byly distribuovány na obrazovce uvnitř kruhu o trochu větší ploše.
Zcela neočekávaně se také ukázalo, že malý počet částic α (asi jedna z dvaceti tisíc) byl vychýlen pod úhly většími než 90°, tzn. prakticky se vrátit. Rutherford si uvědomil, že kladně nabitá částice α může být vržena zpět pouze v případě, že kladný náboj atomu a jeho hmotnost jsou soustředěny ve velmi malé oblasti prostoru v cílových atomech. Rutherford tedy přišel s nápadem atomové jádro- malé těleso, ve kterém je soustředěna téměř veškerá hmota a veškerý kladný náboj atomu.
Počítáním počtu částic α rozptýlených pod velkými úhly byl Rutherford schopen odhadnout velikost jádra. Ukázalo se, že jádro má průměr řádově
10 –12 –10 –13 cm (pro různá jádra). Velikost samotného atomu je přibližně 10–8 cm, tzn. 10 - 100 tisíckrát větší, než je velikost jádra. Následně bylo možné přesně určit náboj jádra. Pokud vezmeme náboj elektronu jako jeden, pak se náboj jádra rovná přesně počtu daného chemického prvku v periodická tabulka prvky D.I. Mendělejev.
Planetární model atomu s kladně nabitým atomovým jádrem přímo vycházel z Rutherfordových experimentů. Vzhledem k tomu, že atom jako celek by měl být elektricky neutrální, mělo by se dojít k závěru, že počet vnitroatomových elektronů, stejně jako náboj v jádře, se rovná pořadovému číslu prvku v periodické tabulce. Je také zřejmé, že elektrony nemohou být v klidu uvnitř atomu, protože by na něj dopadaly vlivem přitažlivosti kladným jádrem. Proto by se měly pohybovat kolem jádra jako planety kolem Slunce. Tato povaha pohybu elektronů je určena působením elektrických Coulombových sil na část jádra.
V atomu vodíku obíhá kolem jádra pouze jeden elektron. Jádro atomu vodíku má kladný náboj rovný náboji elektronu a hmotnost přibližně 1836krát větší než hmotnost elektronu. Toto jádro pojmenoval Rutherford proton a začal být považován za elementární částici.
Velikost atomu je určena orbitálním poloměrem jeho elektronů. Poměrně jasný planetární model atomu, jak již bylo zmíněno, je přímým důsledkem Rutherfordových experimentálních výsledků o rozptylu částic alfa na atomech hmoty.
Brzy se však ukázalo, že takto jednoduchý model odporuje zákonům elektrodynamiky, z čehož vyplývá, že Rutherfordův model atomu je nestabilní systém a atom zadané konstrukce nemůže dlouhodobě existovat. Faktem je, že pohyb elektronů po kruhových drahách nastává se zrychlením a urychlující náboj musí podle Maxwellových zákonů elektrodynamiky emitovat elektromagnetické vlny (ω - frekvence rovna frekvenci jeho otáčení kolem jádra). Záření je doprovázeno ztrátou energie. Při ztrátě energie se elektrony musí přiblížit k jádru, stejně jako se satelit přiblíží k Zemi při brzdění v horních vrstvách atmosféry.
Ve skutečnosti se to však neděje. Atomy jsou stabilní a mohou existovat neomezeně dlouho, aniž by vůbec vyzařovaly elektromagnetické vlny.
Dánský vědec N. Bohr našel východisko z této situace. Došel k radikálnímu závěru, že zákony klasické mechaniky a elektrodynamiky nejsou v mikrokosmu a zejména v atomu vůbec použitelné. Aby však zachoval Rutherfordův planetární model atomu, formuloval dva postuláty (Bohrovy postuláty), které šly proti klasické mechanice i klasické elektrodynamice. Tyto postuláty položily základy pro zásadně nové teorie mikrosvěta – kvantovou mechaniku a kvantovou elektrodynamiku ( kvantová teorie elektromagnetické pole). Při zdůvodňování svých postulátů se Bohr opíral o myšlenku existence kvant elektromagnetického pole, kterou předložil v roce 1900 M. Planck a poté rozvinul A. Einstein (k vysvětlení fotoelektrického jevu).
Bohrovy postuláty jsou následující: elektron se nemůže pohybovat kolem jádra po žádných drahách, ale pouze po těch, které splňují určité podmínky vyplývající z kvantové teorie. Tyto oběžné dráhy se nazývají udržitelného, nebo kvantový, obíhat. Když se elektron pohybuje po jedné z možných stabilních drah, nevyzáří. Přechod elektronu ze vzdálené dráhy na bližší dráhu je doprovázen úbytkem energie.
Energie ztracená atomem při každém přechodu se přemění na jedno kvantum zářivé energie. Frekvence vyzařovaného světla je v tomto případě určena poloměry dvou drah, mezi kterými dochází k přechodu elektronů. Čím větší je vzdálenost od dráhy, ve které se elektron nachází, k dráze, na kterou se pohybuje, tím větší je frekvence záření.
Nejjednodušším atomem je atom vodíku: kolem jádra rotuje pouze jeden elektron. Na základě výše uvedených postulátů Bohr vypočítal poloměry možných drah pro tento elektron a zjistil, že jsou vztaženy jako čtverce přirozená čísla: 1:2: : 3: ... : P. Velikost P dostal jméno hlavní kvantové číslo. Poloměr oběžné dráhy nejblíže k jádru atomu vodíku je 0,53 angstromu. Z toho vypočítané frekvence záření, doprovázející přechody elektronu z jedné dráhy na druhou, se ukázaly být přesně stejné jako frekvence zjištěné experimentálně pro čáry vodíkového spektra. Byla tak prokázána správnost výpočtu stabilních (stacionárních) drah pro atom vodíku a zároveň použitelnost Bohrových postulátů pro takové výpočty.
Bohrova teorie byla později rozšířena na atomovou strukturu dalších prvků. Rozšíření teorie na víceelektronové atomy a molekuly však naráželo na potíže. Čím více se teoretici snažili popsat pohyb elektronů v multielektronovém atomu a určit jejich dráhy, tím větší byly rozpory mezi výsledky a experimentálními daty. Během vývoje kvantové teorie se ukázalo, že tyto nesrovnalosti jsou zásadního charakteru a jsou spojeny s tzv. vlnovými vlastnostmi elektronu.
Faktem je, že v roce 1924 Louis de Broglie rozšířil v té době známý vlnově-částicový dualismus elektromagnetického pole na hmotné částice mikrosvěta (atomy, elektrony, protony atd.). Připomeňme, že podle jeho představy mají vlnové vlastnosti i částice, které mají hmotnost, náboj atd. V tomto případě de Broglieho vlnová délka (λ) souvisí s hybností částice R a rovná se
λ = h/р, Kde h– Planckova konstanta.
De Broglieho myšlenka našla brilantní potvrzení v experimentech K. Davissona a L. Germera (1927), ve kterých byl pozorován jev elektronové difrakce – klasický příklad vlnového jevu.
Rozvíjení vlnových představ částic mikrosvěta, E. Schrödinger vytvořili matematický vlnový model atomu v podobě dnes již známé vlny diferenciální rovnice Schrödinger:
Analýza Schrödingerovy vlnové rovnice ukázala, že ji lze použít k určení všech možných diskrétních energií E p v atomu. Navíc bylo zjištěno, že vlnová funkce neumožňuje absolutně přesně určit polohu elektronů v atomech, ty se rozprostírají do jakéhosi „oblaku“; Můžeme tedy mluvit pouze o pravděpodobnosti nalezení elektronů na tom či onom místě v atomu, který je charakterizován druhou mocninou amplitudy vlny.
Vezmeme-li v úvahu zákony kvantové vlnové mechaniky, je jasné, proč nebylo možné přesně popsat strukturu atomu na základě představ o Bohrových drahách elektronů v atomu. Takto přesně lokalizované dráhy v atomech prostě neexistují a dobrá shoda mezi výpočtem elektronových drah v atomu vodíku v souladu s Bohrovou teorií a experimentálními daty je způsobena tím, že pouze pro atom vodíku se Bohrovy dráhy elektronů dobře shodovaly. s křivkami průměrné hustoty náboje vypočtenými v souladu se Schrödingerovou kvantovou teorií. U víceelektronových atomů taková shoda není pozorována.
V současné době vychází z kvantové mechaniky a také kvantové elektrodynamiky - kvantové teorie elektromagnetického pole, vyvinuté v roce 1927. P.A. Dirac, bylo možné vysvětlit mnoho rysů chování víceelektronových atomově-molekulárních systémů. Zejména bylo možné vyřešit nejdůležitější otázku o struktuře atomů různých prvků a stanovit závislost vlastností prvků na struktuře elektronových obalů jejich atomů. V současné době byla vyvinuta schémata struktury atomů všech chemických prvků, která umožňují vysvětlit řadu fyzikálních a chemických vlastností prvků.
Připomeňme, že počet elektronů rotujících kolem jádra atomu odpovídá pořadovému číslu prvku v periodické tabulce D.I. Mendělejev. Elektrony jsou uspořádány ve vrstvách. Každá vrstva má určitý počet elektronů, které ji vyplňují nebo jakoby nasycují. Elektrony téže vrstvy se vyznačují blízkými energetickými hodnotami, tzn. jsou na přibližně stejné energetické úrovni. Celý obal atomu se rozpadá na několik energetických úrovní ( n). Elektrony každé následující vrstvy jsou na vyšší energetické úrovni než elektrony předchozí vrstvy. Maximální počet elektronů ( N), který může být na dané energetické hladině (n), je určen vzorcem N = 2n 2, tzn. na první úrovni (n=1) mohou tam být dva elektrony, druhý (n = 2)– osm elektronů, na třetím (n=3)- osmnáct.
Elektrony vnější vrstvy, které jsou nejvzdálenější od jádra, a proto jsou s jádrem nejméně pevně vázány, mohou být od atomu odděleny a připojeny k jiným atomům, čímž se stanou součástí jeho vnější vrstvy. Atomy, které ztratily jeden nebo více elektronů, se stanou kladně nabitými, protože náboj na atomovém jádru převyšuje součet nábojů na zbývajících elektronech. Naopak atomy, které získaly elektrony, se nabíjejí záporně. Vzniklé nabité částice se nazývají ionty. Mnoho iontů zase může ztratit nebo získat elektrony a přeměnit se v elektricky neutrální atomy nebo nové ionty s jiným nábojem.
Shrneme-li úvahy o hlavních výsledcích kvantově mechanických přístupů ke struktuře a struktuře atomů, poznamenáváme následující . Stav každého elektronu v atomu charakterizují čtyři kvantová čísla - n, l, t, s:
1) n – Hlavní věc kvantové číslo charakterizuje energii elektronu na příslušné dráze ( n);
2)l – orbitální kvantové číslo, charakterizuje tvar oběžné dráhy (elektronového mraku) a může se v atomu měnit od 0 do n = 1;
3)T– magnetický kvantové číslo, charakterizuje orientaci drah (elektronových mraků) v prostoru a může nabývat hodnot od +1 do –1;
4)s–roztočit kvantové číslo, charakterizuje rotaci elektronu kolem vlastní osa a může nabývat pouze dvou hodnot: s= ±1/2.
Podle jednoho z nejdůležitějších principů kvantové mechaniky, Pauliho principu, atom nemůže mít elektrony, pro které jsou všechna čtyři kvantová čísla stejná. V rámci kvantové mechaniky jak strukturu atomů, tak změny vlastností chemických prvků v periodické tabulce plně vysvětlil D.I. Mendělejev.
Aplikace kvantové mechaniky na fyzikální pole se také ukázala jako plodná. Byla vybudována kvantová teorie elektromagnetického pole – kvantová elektrodynamika, která odhalila řadu základních zákonů mikrosvěta. Mezi nimi jsou nejdůležitější zákonitosti vzájemné přeměny dvou druhů hmotných látek – hmotné a polní hmoty – jedna v druhou.
Vaše místo v řadě elementární částice vzal foton– částice elektromagnetického pole, která nemá klidovou hmotnost. Syntéza kvantové mechaniky a speciální teorie relativity vedla k předpovědi existence antičástice. Ukázalo se, že každá částice musí mít svůj vlastní „dvojník“ – další částice se stejnou hmotností, ale opačným elektrickým nebo jiným nábojem. Anglický fyzik P.A. Dirac – zakladatel relativistické až parohové teorie pole – předpověděl existenci pozitronu a možnost přeměny fotonu na elektron-pozitronový pár a zpět. Pozitron, antičástice elektronu, byl experimentálně objeven v roce 1934. K.D. Anderson v kosmickém záření.
Nukleární fyzika.Atomová jádra prvků se podle moderních představ skládají z protonů a neutronů. První náznaky, že složení jader zahrnuje protony (jádra atomů vodíku), získal Rutherford v roce 1919 jako výsledek svého nového (po objevu struktury atomu) senzačního objevu - rozštěpení atomového jádra pod vliv α-částic a produkce nových chemických prvků ve výsledku první umělé jaderné reakce.
V jedné z verzí svých experimentů s použitím oblačné komory naplněné dusíkem, uvnitř které byl radioaktivní zdroj záření, získal Rutherford fotografie stop α-částic, na jejichž konci bylo charakteristické rozvětvení - „vidlička“. “. Jedna ze stran „vidlice“ měla krátkou dráhu a druhá – dlouhou. Dlouhá dráha měla stejné rysy jako dráhy, které dříve pozoroval Rutherford při bombardování atomů vodíku částicemi α
Bylo to poprvé, kdy byla vyjádřena myšlenka, že vodíková jádra jsou nedílnou součástí jader jiných atomů. Následně Rutherford navrhl pro tuto složku jádra termín „proton“.
Schéma Rutherfordovy reakce lze znázornit následovně: částice α vstupuje do atomového jádra dusíku a je jím absorbována. Mezilehlé jádro izotopu fluoru, které se v tomto případě vytvoří, se ukáže jako nestabilní: vyrazí ze sebe jeden proton a změní se na jádro izotopu kyslíku.
V roce 1932 D.D. Ivaněnko publikoval poznámku, ve které navrhl, že spolu s protonem je neutron také strukturním prvkem jádra. V roce 1933 zdůvodnil proton-neutronový model jádra a formuloval hlavní tezi, že jádro obsahuje pouze těžké částice – protony a neutrony. V tomto případě se mohou obě částice přeměnit jedna v druhou. Dále proton A neutron začalo být považováno za dva stavy jedné částice - nukleon.
A ve stejném roce 1933 J. Chadwick experimentálně prokázal existenci neutronů v atomových jádrech. Ozářil beryliovou desku alfa částicemi a studoval reakci přeměny berylia (Be) na uhlík (C) s emisí neutronu n).
Neutrony emitované z berylia byly nasměrovány do oblačné komory naplněné dusíkem (N), a když neutron narazil na proton atomu dusíku, vytvořilo se jádro boru (B) a částice α.
Samotný neutron nevytváří stopu v oblačné komoře, ale ze stop jádra boru a částice α lze vypočítat, že tuto reakci vyvolává neutrální částice o hmotnosti jedné atomové hmotnostní jednotky, tzn. neutron. Všimněte si, že volný neutron neexistuje dlouho, je radioaktivní, jeho poločas rozpadu je asi 8 minut, poté se změní na proton, emitující β-částici (elektron) a neutrino. Po objevu neutronu byl proton-neutronový model struktury atomových jader od D.D. Ivaněnko se stal všeobecně uznávaným.
Všechny jaderné reakce jsou doprovázeny emisí určitých elementárních částic. Produkty jaderných reakcí se ukazují jako radioaktivní, říká se jim uměle radioaktivní izotopy. Fenomén umělé radioaktivity byl objeven v roce 1934 slavnými francouzskými fyziky Frederick A Irene Joliot-Curie.
Stejně jako přirozeně se vyskytující radioaktivní látky, uměle vyrobené radioaktivní izotopy vyzařují známé záření α, β a γ. Kromě uvedených záření však Frederic a Irene Joliot-Curieovi objevili nový typ radioaktivity - emisi kladných elektronů-pozitronů.
Ta byla poprvé ustavena pomocí oblačné komory při bombardování některých lehkých prvků (berylium, bor, hliník) částicemi alfa, v důsledku čehož byla uměle vytvořena celá řada nových radioaktivních izotopů, které dříve v přírodě nebyly pozorovány. Příkladem vzniku pozitronového radioaktivního izotopu je reakce ostřelování hliníku částicemi α. A v tomto případě hliníkové jádro emituje neutron a mění se v jádro radioaktivního izotopu fosforu, který zase emituje pozitron β + , se mění ve stabilní izotop křemíku.
V průmyslovém měřítku se umělé radioaktivní izotopy obvykle vyrábějí ozařováním (hlavně neutronem) odpovídajících chemických prvků v jaderných reaktorech.
Poté, co bylo zjištěno, že jádra atomů se skládají z protonů i neutronů, byla teorie atomového jádra dále rozvíjena směrem ke studiu interakcí částic uvnitř jádra, stejně jako struktury atomových jader různých prvků. .
Níže jsou uvedeny základní informace o vlastnostech a struktuře jader.
1. Jádro nazývaná centrální část atomu, ve které je soustředěna téměř celá hmotnost atomu a jeho kladný elektrický náboj. Všechna atomová jádra se skládají z protonů a neutronů, které jsou považovány za dva stavy náboje jedné částice - nukleonu.
Proton má kladný elektrický náboj rovný v absolutní hodnotě náboji elektronu E=1,6 –19 C a klidová hmotnost t r ~ 1,6726 10 – 27 kg.
Neutron nemá elektrický náboj, jeho hmotnost je o něco větší než hmotnost protonu - t p= 1,6749 10 –27 kg.
Hmotnost jader elementárních částic se obvykle vyjadřuje v atomových hmotnostních jednotkách (amu). Za atomovou hmotnostní jednotku se považuje 1/12 hmotnosti izotopu uhlíku: 1 amu. = 1,66 10 –27 kg. Proto, t r= 1,00728 amu, a t p= 1,00866 amu
2. Základní náboj se nazývá množství ze, Kde E– velikost náboje protonu; Z je pořadové číslo chemického prvku v periodické tabulce Mendělejeva, které se rovná počtu protonů v jádře.
V současnosti jsou známá jádra s pořadovými čísly Z = 1 až Z = 114. U lehkých jader je poměr počtu neutronů (N) na počet protonů (Z) blízké nebo rovné jednotě. Pro jádra chemických prvků umístěná na konci periodické tabulky platí poměr N/Z = 1,6.
3. Celkový počet nukleonů v jádře A= N+ Z volal hromadné číslo. Nukleony (proton a neutron) mají přiřazeno hmotnostní číslo, rovný jedné. Jádra se stejným Z, ale jiný A jsou nazývány izotopy. Jádra, která se stejným A mají různé Z, jsou tzv izobary. Symbolem se obvykle označují jádra chemických prvků .X, A, Z kde X– symbol chemického prvku; A– hmotnostní číslo; Z – atomové číslo.
Celkem je známo asi 300 stabilních izotopů chemických prvků a více než 2000 přírodních i uměle vyrobených radioaktivních izotopů.
Všechny izotopy jednoho chemického prvku mají stejnou strukturu elektronových obalů. Proto mají izotopy daného prvku stejné chemické vlastnosti. Nyní bylo zjištěno, že většina chemických prvků v přírodě je směs izotopů. Proto se atomové hmotnosti prvků uvedené v periodické tabulce často výrazně liší od celých čísel.
4. Velikost jádra je charakterizována poloměrem jádra, který má konvenční význam kvůli rozostření hranic jádra. Empirický vzorec pro poloměr jádra R= R A, Kde R=(1,3/1,7)10 –15 m, lze interpretovat jako úměrnost objemu jádra k počtu nukleonů v něm.
5. Jaderné částice mají své vlastní magnetické momenty, které určují magnetický moment jádra (R tt) obvykle. Jednotkou měření pro magnetické momenty jader je jaderný magneton μ já = eh,/2t p, Kde E– absolutní hodnota náboje elektronu; h– Planckova konstanta; t r– hmotnost protonu. Jaderný magneton μ jed je 1836,5krát menší než magnetický moment elektronu v atomu, což znamená, že magnetické vlastnosti atomů jsou určeny magnetické vlastnosti jeho elektrony.
6. Rozložení elektrického náboje protonů v jádře je obecně asymetrické. Míra odchylky tohoto sféricky symetrického rozdělení je kvadrupólový elektrický moment jádra Q. Pokud se předpokládá, že hustota jádra je všude stejná, pak Q určuje pouze tvar jádra.
Nukleony tvořící jádro jsou navzájem spojeny speciálními přitažlivými silami – jadernými silami. Stabilita atomových jader většiny prvků naznačuje, že jaderné síly jsou výjimečně silné: musí překročit významné Coulombovy odpudivé síly působící mezi protony umístěnými ve vzdálenostech řádově 10–13 cm (řádově velikosti jádra ). Jaderné síly jsou síly zvláštního druhu spojené s existencí zvláštního typu hmoty uvnitř jádra - jaderné pole.
V současnosti byla přijata mezonová teorie jaderných sil, podle níž nukleony mezi sebou interagují výměnou speciálních elementárních částic - π-mezonů - kvant jaderného pole.
Přítomnost výměnných částic v jádře – mezonů – poprvé teoreticky předpověděl japonský vědec Hidoki Yukawa v roce 1936 a poté objeven v kosmickém záření v roce 1947.
Obecná charakteristika jaderných sil se scvrkává na následující.
1. Jaderné síly jsou síly krátkého dosahu. Objevují se jen ve velmi malých vzdálenostech mezi nukleony jádra řádově 10 – 15 m. Délka (1,5 ÷ 2,2) –10 – 15 m je tzv. rozsah jaderných sil.
2. Jaderné síly vykazují nábojovou nezávislost: přitažlivost mezi dvěma nukleony je stejná bez ohledu na stav náboje nukleonů - proton nebo nukleon. Nábojová nezávislost jaderných sil je viditelná z porovnání energií v zrcadlových jádrech (takto se nazývají jádra, ve kterých je celkový počet nukleonů stejný, ale počet protonů v jednom se rovná počtu neutronů v jiný).
3. Jaderné síly mají vlastnost saturace, která se projevuje tím, že nukleon v jádře interaguje pouze s omezeným počtem sousedních nukleonů, které jsou mu nejblíže. To je důvod, proč existuje lineární závislost vazebných energií jader na jejich hmotnostních číslech A. V částici α je dosaženo téměř úplného nasycení jaderných sil, což je velmi stabilní formace.
Nukleony jsou v jádře pevně vázány jadernými silami. K přerušení tohoto spojení, tzn. Pro úplné oddělení nukleonů je třeba vykonat významnou práci. Energie potřebná k oddělení nukleonů tvořících jádro se nazývá jaderná vazebná energie. Velikost vazebné energie lze určit na základě zákona zachování energie a zákona úměrnosti hmotnosti a energie podle Einsteinova vzorce E = ts2.
Podle zákona zachování energie by měla být energie nukleonů vázaných v jádře menší než energie separovaných nukleonů o množství vazebné energie ε 0. Na druhé straně, podle zákona úměrnosti hmoty a energie, změna energie systému ΔW musí být doprovázena úměrnou změnou hmotnosti systému Δm, těch. ΔW = Δmc 2, Kde S– rychlost světla ve vakuu.
Protože v tomto případě ΔW je vazebná energie jádra, pak hmotnost atomového jádra musí být menší než součet hmotností nukleonů tvořících jádro o množství Δm, který se nazývá defekt jádrové hmoty. Ze vztahu ΔW = Δmc 2 je možné vypočítat vazebnou energii jádra, pokud je znám hmotnostní defekt tohoto jádra Δm.
Jako příklad vypočítejme vazebnou energii jádra atomu helia. Skládá se ze dvou protonů a dvou neutronů. Protonová hmotnost t r= 1,0073 amu, hmotnost neutronu – t p= 1,0087 amu Hmotnost nukleonů tvořících jádro je tedy rovna 2t r + 2 t p = 4,0320 amu Hmotnost jádra atomu helia t i = 4,0016 amu Hmotnostní defekt atomového jádra helia se tedy rovná Δm= 4,0320 – 4,0016 = 0,03 amu, popř Δm = 0,03 1,66 10~ 27 = 5 10~ 29 kg. Pak vazebná energie jádra helia
ΔW = Δmc 2=510-29 9-1016 J = 28 MeV.
Obecný vzorec pro výpočet vazebné energie libovolného jádra (v joulech) bude:
ΔW = c 2 (- t i),
kde Z je atomové číslo; A - hromadné číslo.
Vazebná energie jádra na nukleon se nazývá specifická vazebná energie (ε ). Proto ε= ΔW/A(specifická vazebná energie) charakterizuje stabilitu atomových jader. Čím větší s, tím stabilnější jádro.
Na Obr. Obrázek 1 uvádí výsledky výpočtů specifických vazebných energií pro různé atomy (v závislosti na hmotnostních číslech A).
Z grafu na Obr. 2.2 vyplývá, že měrná vazebná energie je maximální (8,65 MeV) pro jádra s hmotnostními čísly řádově 100. Pro těžká a lehká jádra je o něco méně (například 7,5 MeV pro uran a 7 MeV pro helium), např. atomové jádro vodíku je specifická vazebná energie nulová, což je pochopitelné, protože v tomto jádru není co oddělovat: skládá se pouze z jednoho nukleonu (protonu).
a.e.m.
Rýže. 1. Závislost měrných vazebných energií na hmotnostních číslech
Každá jaderná reakce je doprovázena uvolněním nebo absorpcí energie. Při štěpení těžkých jader s hmotnostními čísly A uvolní se asi 100 (nebo více) jaderné energie.
K uvolňování jaderné energie dochází také při typech jaderných reakcí - kdy se několik lehkých jader spojí (syntéza) do jednoho jádra. K uvolňování jaderné energie tedy dochází jak při štěpných reakcích těžkých jader, tak při fúzních reakcích lehkých jader. Množství jaderné energie Δ ε uvolněné každým zreagovaným jádrem se rovná rozdílu mezi vazebnou energií ε reakčního produktu a vazebnou energií původního jaderného materiálu.
Poměr ∆E∆t>ħ/2 znamená, že přeměna energie s přesností ∆E by měl trvat časový interval rovný alespoň ∆t~ ħ/∆E. Tento poměr je zodpovědný za přirozenou šířku spektrálních čar atomů a iontů. Životnost excitovaného stavu atomů je řádově t~10 -8 ÷10 -9 s. V důsledku toho je nejistota v energii takových stavů ∆E~ ħ/t, což odpovídá přirozené šířce spektrálních čar. Pokud energetická nejistota ∆E ~ ħ/∆t odpovídá energii nějaké částice ( mс 2, hv), aby tato částice, která vznikla z „ničeho“, může být po čas ve virtuálním stavu ∆t aniž by byl porušen zákon zachování energie. V moderní kvantové teorii pole jsou interakce částic a jejich vzájemné přeměny považovány za zrození nebo absorpci virtuálních částic každou skutečnou částicí. Jakákoli částice nepřetržitě vyzařuje nebo absorbuje virtuální částice různých typů. Takže například elektromagnetická interakce je výsledkem výměny virtuální fotony, gravitační - gravitony. Nukleární silové pole je určeno virtuální π–mezony. Vytváří se slabá interakce vektorové bosony(objeveno v roce 1983 v CERN, Švýcarsko-Francie). A nositelem silné interakce je gluony(z anglického slova znamenajícího „lepidlo“). Vztah neurčitosti omezuje použitelnost klasické mechaniky na mikroobjekty. To vyvolalo četné filozofické diskuse. Souřadnice částice a její hybnost, změna energie a doba, za kterou k této změně došlo, se nazývají vzájemně se doplňující veličiny. Získání experimentálních informací o některých fyzikální veličiny, popisující mikročástici, je nevyhnutelně spojena se ztrátou informací o dalších veličinách, kromě první. Toto tvrzení, které poprvé formuloval dánský fyzik N. Bohr, se nazývá princip komplementarity. Bohr vysvětlil princip komplementarity vlivem měřícího zařízení, které je vždy makroskopickým zařízením, na stav mikroobjektu. Z hlediska moderní kvantové teorie jsou však v zásadě nemožné stavy, kdy by vzájemně se doplňující veličiny měly současně přesně definované hodnoty. Princip komplementarity odráží objektivní vlastnosti kvantových systémů, které nesouvisí s existencí pozorovatele, a úlohou měřícího zařízení je „připravit“ určitý stav systému. Jakákoli nová teorie, která tvrdí, že poskytuje hlubší popis fyzické reality a širší rozsah použití než ta stará, musí zahrnovat předchozí jako omezující případ. Tak se relativistická mechanika (speciální teorie relativity) v limitu nízkých rychlostí mění v newtonovskou mechaniku. V kvantové mechanice princip korespondence vyžaduje, aby se jeho fyzikální důsledky v limitujícím případě shodovaly s výsledky klasické teorie. Princip korespondence odhaluje skutečnost, že kvantové efekty jsou významné pouze při uvažování mikroobjektů, kdy jsou akční rozměry srovnatelné s Planckovou konstantou. Z formálního hlediska znamená korespondenční princip, že v limitu ħ → 0 kvantově mechanický popis fyzických objektů musí být ekvivalentní klasickému. Význam korespondenčního principu přesahuje kvantovou mechaniku– on vejde nedílná součást do jakéhokoli nového teoretického schématu. V moderní fyzice se termín „elementární částice“ obvykle nepoužívá ve svém přesném významu, ale méně přísně k pojmenování velké skupiny drobných částic hmoty, které nejsou atomy nebo atomová jádra (výjimkou je proton). Nejdůležitější vlastností všech elementárních částic je schopnost se rodit a ničit (emitovat a absorbovat) při interakci s jinými částicemi. Nyní se celkový počet vědě známých elementárních částic (spolu s antičásticemi) blíží 400. Některé z nich jsou stabilní a v přírodě existují ve volném nebo slabě vázaném stavu. Jsou to elektrony, protony, neutrony, fotony a různé druhy neutrin.
Všechny ostatní elementární částice jsou extrémně nestabilní a vznikají v sekundárním kosmickém záření nebo se získávají v laboratoři.Hlavní metodou jejich generování jsou srážky rychlých stabilních částic, při kterých se část počáteční kinetické energie přemění na klidovou energii výsledných částic. (zpravidla se neshodují s kolidujícími).
Obecná charakteristika všechny elementární částice jsou hmotnostní m,život t, točit J a elektrický náboj Q.
Podle doby života se elementární částice dělí na stabilní, kvazistabilní a nestabilní (rezonance). Stabilní v rámci přesnosti moderních měření jsou elektron (t > 5 10 21 let), proton (t > 5 10 31 let), foton a neutrino. Kvazistabilní částice zahrnují částice, které se rozpadají vlivem elektromagnetických a slabých interakcí, jejich životnost je t > 5 10 -20 s. Příkladem kvazistabilní částice je neutron.
Rozpadá se kvůli slabým interakcím, průměrná životnost je 15,3 minut: 
.
Rezonance jsou elementární částice, které se rozpadají v důsledku silných interakcí; jejich charakteristická životnost je t~ 10 -22 - 10 -24 s.
Elektrické náboje elementárních částic jsou celočíselné násobky E≈1,6-10 -19 C, nazývaný elementární elektrický náboj (elektronový náboj). Pro známé elementární částice Q = 0, ±1, ±2.
Spin elementárních částic je celočíselný nebo poloviční celočíselný násobek Planckovy konstanty ħ.
Částice s polovičním celočíselným spinem se nazývají fermiony. Fermiony zahrnují leptony (jako je elektron a neutrino) a baryony, skládající se z kvarky (například proton a neutron). Jsou popsány fermionové systémy Fermi-Diracova kvantová statistika. Fermiony se řídí Pauliho vylučovacím principem a v daném kvantovém stavu nemůže fermionový systém obsahovat více než jednu částici. Fermiony tvoří materiálové struktury.
Nazývají se částice s celým číslem nebo nulovým spinem bosony. Mezi bosony patří částice s nulovou klidovou hmotností (foton, graviton), stejně jako mezony, skládající se z kvarků (například π-mezonů). Jsou popsány systémy takových částic Bose-Einsteinovy statistiky. Bosony se neřídí Pauliho vylučovacím principem a neexistují žádná omezení na počet částic, které mohou být v určitém kvantovém stavu. Tvoří interakční pole (podle kvantové teorie pole) mezi fermiony.
Například hmotné struktury jsou tvořeny elektrony a nukleony (protony a neutrony, které tvoří jádra atomů) a elektromagnetické pole interakce mezi nimi je tvořeno fotony (přesněji virtuálními fotony) (obr. 2).
Obr. 2. Klasifikace elementárních částic
Mezony a baryony se skládají z kvarků, a proto mají společný název - hadrony. Všechny známé hadrony se skládají buď z páru kvark-antikvark (mezony) nebo ze tří kvarků (baryony). Kvarky a antikvarky jsou drženy uvnitř hadronů gluonovým polem. Kvarky se liší „příchutí“ a „barvou“. Každý kvark může být v jednom ze tří barevných stavů: červené, modré a žluté. Co se týče „příchutí“, je jich známo 5 a předpokládá se přítomnost šesté. Chuť kvarků je označena písmeny u, d, s, c, b, t, které odpovídají anglickým slovům nahoru, dolů, zvláštní, okouzlený, krásný A pravda. Navíc každý kvark má svůj antikvark. Ani jeden kvark nebyl nikdy registrován ve volné formě, a to i přes mnoho let hledání. Kvarky lze pozorovat pouze uvnitř hadronů.
Fyzika částic je založena na konceptu základních interakcí: gravitační, elektromagnetické, silné a slabé.
Elektromagnetická interakce je způsobena výměnou fotonů, které jsou lépe studovány než jiné bosony. Zdrojem fotonů je elektrický náboj. Gravitační interakce je spojena se stále hypotetickými částicemi - gravitony. Neutrální (Z 0) a nabité (W + ,W –) bosony jsou nositeli slabé interakce mezi elektrony, protony, neutrony a neutriny. Nositeli silné interakce jsou gluony . Zdá se, že slepují kvarky dohromady v hadronech. Zdrojem gluonů jsou takzvané „barevné“ náboje. Nemají nic společného s běžnými barvami a jsou tak pojmenovány pro snadnější popis. Každá ze šesti příchutí tvarohu se dodává ve třech barevných variantách: žluté, modré nebo červené. (f, s, k respektive). Starožitnosti také nesou barevné anti-náboje. Je důležité zdůraznit, že tři náboje a tři antináboje jsou zcela nezávislé na příchutích kvarků. V současnosti tak celkový počet kvarků a antikvarků (včetně tří barev a šesti příchutí) dosáhl 36. Kromě toho je gluonů o devět více.Gluony, stejně jako kvarky, nejsou pozorovány ve volném stavu.
Existence kvarků a gluonů vede ke vzniku nového stavu hmoty, který je tzv kvark-gluonové plazma.
Toto je plazma skládající se nikoli z elektronů a iontů, jako běžné plazma, ale z kvarků a gluonů, které spolu slabě interagují nebo neinteragují vůbec.
Jedním z hlavních úkolů mikrofyziky, o jehož řešení A. Einstein snil, je vytvoření jednotné teorie pole, která by sjednotila všechny známé základní interakce. Vytvoření takové teorie by znamenalo zásadní průlom ve všech oblastech vědy.
K dnešnímu dni byla vytvořena a uznána teorie, která kombinuje dvě základní interakce – slabou a elektromagnetickou. To se nazývá jednotná teorie slabé a elektromagnetické (elektroslabé) interakce a tvrdí, že existují speciální částice – nositelé interakce mezi elektrony, protony, neutrony, neutriny. Tyto částice se nazývají bosony W + , W – a Z°, byly teoreticky předpovězeny v 70. letech. minulého století a experimentálně objeven v roce 1983.
Teorie silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika. Tato teorie, která popisuje interakci kvarků a gluonů, je modelována podle kvantové elektrodynamiky, která zase popisuje elektromagnetické interakce způsobené výměnou fotonů. Na rozdíl od elektricky neutrálních fotonů jsou gluony nositeli „barevných“ nábojů. To vede k tomu, že při pokusu o jejich oddělení v prostoru se zvyšuje energie interakce. V důsledku toho gluony a kvarky neexistují ve volném stavu: jsou „samouzamčené“ uvnitř hadronů.
Moderní teorie elementárních částic, skládající se z teorií elektroslabé interakce a kvantové chromodynamiky, je obvykle tzv. standardní model. Tato komplexní, ale téměř úplná fenomenologická teorie je hlavním teoretickým nástrojem, s jehož pomocí jsou řešeny problémy mikrofyziky
„Velké sjednocení“ je název pro teoretické modely založené na myšlence jednotné povahy silných, slabých a elektromagnetických interakcí. Je navržen tak, aby sjednotil všechny existující částice: fermiony, bosony a skalární částice. V rámci teorie velkého sjednocení je dobře vysvětleno mnoho velmi důležitých jevů, zejména pozorovaná gluonová asymetrie vesmíru, malá nenulová klidová hmotnost neutrin, kvantování elektrického náboje a existence řešení jako např. jako magnetické Diracovy monopoly. Podle posledních údajů je průměrná životnost protonu více než 1,6 10 33 let. Dokázat, že proton je nestabilní, by bylo objevem zásadního významu. Tento úpadek však dosud nebyl zaznamenán. Vědci doufají, že další vývoj modelů Velkého sjednocení povede ke sjednocení všech interakcí, včetně gravitačních (supersjednocení). Ale to je záležitost budoucnosti.
V mikrofyzice je známa určitá základní délka, která hraje důležitou roli, nazývaná Planckova nebo gravitační délka - l g= 1,6 – 33 cm. Předpokládá se, že délky menší než Planckovy v přírodě neexistují. Společně s Planckovým časem tg~ 1,6 10 – 43 s tvoří časoprostorová kvanta, která mají tvořit základ budoucí kvantové teorie gravitace. Podle akademika V.L. Ginzburg, fyzikální význam délky l g je, že v menších měřítcích již není možné použít klasickou relativistickou teorii gravitace a zejména obecnou teorii relativity (GR), jejíž konstrukci dokončil Einstein v roce 1915.
V současné době je nejmenším „parametrem dopadu“ dosaženým na moderních urychlovačích l f ~ 10 –17 cm.Můžeme tedy usuzovat, že až do vzdáleností l f ~ 10–17 cm a časy l f / c ~ 10 –27 s jsou platné stávající časoprostorové souřadnice. Význam l f odlišná od hodnoty l g až o 16 řádů, takže otázka základní délky zůstává pro vědu stále aktuální.
V první polovině 20. století, kdy předmětem studia mikrofyziky byl atom a poté atomové jádro, bylo pro pochopení chování elektronů v atomech nutné provést skutečnou revoluci ve vědě – vytvořit kvantové mechanika. Mikrofyzika tehdy zaujímala v přírodních vědách zcela zvláštní místo. Díky jejím úspěchům jsme byli schopni pochopit strukturu hmoty. Mikrofyzika je základem moderní fyzikální vědy.
Makrosvět
Z mikrosvěta do makrosvěta. Teorie atomové struktury dala chemii klíč k pochopení podstaty chemických reakcí a mechanismu vzniku chemických sloučenin – složitější molekulární úroveň organizace hmotné hmoty ve srovnání s elementární atomovou formou.
Kvantová mechanika umožnila vyřešit velmi důležitou otázku uspořádání elektronů v atomu a stanovit závislost vlastností prvků na struktuře elektronových obalů. V současné době jsou vyvinuta schémata struktury atomů všech chemických prvků. Při jejich konstrukci vědci vycházeli z obecných úvah o stabilitě různých kombinací elektronů. A přirozeně, periodický zákon D.I. sloužil jako vodící nit. Mendělejev.
Při vývoji diagramů struktury atomů prvků bylo vzato v úvahu:
1) předpokládalo se, že počet elektronů v atomu je roven náboji atomového jádra, tzn. pořadové číslo prvku v periodické tabulce;
2) celý elektronový obal se rozpadne na několik vrstev odpovídajících určitým energetickým hladinám (n = 1, 2,3,4,...);
3) na každé úrovni P více nemůže být N elektrony, kde N= 2P2;
4) stav každého elektronu v atomu je určen souborem čtyř kvantových čísel p, l, T A s.
Podle Pauliho principu se všechny elektrony v atomu od sebe liší alespoň jedním kvantovým číslem. V atomu nejsou dva elektrony, jejichž kvantová čísla jsou všechna stejná, v souladu s těmito předpoklady byly pro první tři periody periodické tabulky sestrojeny zjednodušené diagramy struktury atomů.
Navzdory konvenčnosti a jednoduchosti těchto schémat jsou přesto dostatečné pro vysvětlení nejdůležitějších vlastností prvků a sloučenin.
Takže například na první energetické úrovni ( n = 1, l = 0, t = 0) mohou existovat pouze dva elektrony, které se liší svými spinovými kvantovými čísly (s= ±1/2). Ostatní elektrony at n = Nemůže být 1. To odpovídá skutečnosti, že pokud je v první úrovni jeden elektron, pak se jedná o atom vodíku; pokud jsou tam dva elektrony, pak je to atom helia. Oba prvky vyplňují první řádek periodické tabulky.
Druhá řada periodické tabulky je obsazena prvky, jejichž elektrony se nacházejí na druhé energetické hladině ( P= 2). Ve druhé energetické hladině může být celkem osm elektronů (N=2· 2 2).
Opravdu, kdy P= 2 mohou nastat tyto stavy elektronů: jestliže l = 0 a T= 0, pak mohou existovat dva elektrony s opačnými spiny; Li l = 1, tedy T může nabývat tří hodnot (T= -1; 0; +1) a každou hodnotu T také odpovídá dvěma elektronům s různými spiny. Celkem tedy bude osm elektronů.
Druhá řada prvků v periodické tabulce, do které se postupně přidává jeden elektron na druhé energetické úrovni, je lithium, berylium, bor, uhlík, dusík, kyslík, fluor, neon.
U hlavního kvantového čísla P= 3 l může nabývat tří hodnot ( l=0; 1; 2) a všichni l odpovídá více hodnotám T. na l= 0 T= 0; na l~ 1 T= -1; 0; +1; na l=2 t=–2; -1; 0; I 1; +2 (obr. 2.4).
Protože může být celkem devět hodnot T, a do každého státu T odpovídá dvěma elektronům s různé významy s =±1/2, ale pouze na třetí energetické úrovni (n = 3) možná 18 elektronů (N=2· Z 2).
Třetí řádek v periodické tabulce odpovídá postupnému plnění vnější energetické hladiny prvků od sodíku po argon (sodík, hořčík, hliník, křemík, fosfor, síra, chlor, argon) elektrony.
Energetické hladiny a možné stavy elektronů v atomu: možné dráhy, na kterých se elektron v atomu pohybuje kolem jádra, lze znázornit ve formě kruhů (A), z nichž každý přesně odpovídá celému počtu vlnových délek světla rovný hlavní kvantové číslo P. Dvourozměrná analogie atomu může být popsána dvěma kvantovými čísly, zatímco skutečný atom je charakterizován třemi kvantovými čísly.
Následující řádky periodické tabulky odpovídají složitějším pravidlům pro plnění vnějších úrovní atomů elektrony, protože jak se celkový počet elektronů zvyšuje, začínají se v atomech objevovat kolektivní interakce mezi různými skupinami elektronů nacházejících se na různých energetických hladinách. To vede k nutnosti brát v úvahu řadu jemnějších efektů.
Objasnění struktury elektronických obalů atomů ovlivnilo i samotnou strukturu periodického systému, poněkud změnilo do té doby existující rozdělení prvků do period. V předchozích tabulkách každé období začínalo inertním plynem, přičemž vodík zůstal mimo období. Nyní se ale ukázalo, že nové období musí začít prvkem, v jehož atomu se poprvé objeví nová elektronová vrstva ve formě jednoho valenčního elektronu (vodík a alkalické kovy), a skončit prvkem, v jehož atomu má tato vrstva osm elektrony, tvořící velmi silnou elektronovou strukturu charakteristickou pro inertní plyny.
Teorie atomové struktury také vyřešila otázku postavení prvků vzácných zemin v periodické tabulce, které vzhledem k jejich velké podobnosti nebylo možné rozdělit do různých skupin. Atomy těchto prvků se od sebe liší strukturou jedné z vnitřních elektronových vrstev, zatímco počet elektronů ve vnější vrstvě, na kterých závisí především chemické vlastnosti prvku, je stejný. Z tohoto důvodu jsou nyní všechny prvky vzácných zemin (lanthanoidy) umístěny mimo obecnou tabulku.
Hlavním významem teorie atomové struktury však bylo odhalit fyzikální význam periodického zákona, který byl v Mendělejevově době stále nejasný. Stačí se podívat do tabulky uspořádání elektronů v atomech chemických prvků, abyste se přesvědčili, že s rostoucími náboji atomová jádra Stále se opakují stejné kombinace elektronů ve vnější vrstvě atomu. Dochází tedy k periodickým změnám vlastností chemických prvků v důsledku periodických návratů ke stejným elektronickým konfiguracím.
Pokusme se přesněji stanovit, jak chemické vlastnosti atomů závisí na struktuře elektronových obalů.
Podívejme se nejprve na změnu vlastností v průběhu období. V rámci každé periody (kromě první) kovové vlastnosti, nejvýraznější v prvním členu periody, během přechodu na následující členy postupně slábnou a ustupují vlastnostem metaloidů: na začátku periody je typický kov, při konec - typický metaloid (nekov) a za ním - inertní plyn.
Pravidelnou změnu vlastností prvků v průběhu období lze vysvětlit následovně. Většina charakteristická vlastnost kovů z chemického hlediska je schopnost jejich atomů snadno se vzdát vnějších elektronů a přeměnit se na kladně nabité ionty, zatímco metaloidy se naopak vyznačují schopností přidávat elektrony za vzniku záporných iontů.
Chcete-li odstranit elektron z atomu a přeměnit jej na kladný ion, musíte vynaložit určitou energii, tzv. ionizační potenciál.
Ionizační potenciál má nejnižší hodnotu u prvků, které začínají periodu, tzn. pro vodík a alkalické kovy a největší pro prvky končící období, tzn. pro inertní plyny. Jeho hodnota může sloužit jako měřítko větší či menší „kovovosti“ prvku: čím nižší je ionizační potenciál, tím snazší je odstranit elektron z atomu, tím výraznější by měly být kovové vlastnosti prvku.
Velikost ionizačního potenciálu závisí na třech důvodech: na velikosti jaderného náboje, na poloměru atomu a na zvláštním druhu interakce mezi elektrony v elektrickém poli jádra způsobeném jejich vlnovými vlastnostmi. Je zřejmé, že čím větší je náboj jádra a čím menší je poloměr atomu, tím silnější je přitahování elektronu k jádru a tím větší je ionizační potenciál.
U prvků stejného období se při přechodu z alkalického kovu na inertní plyn postupně zvyšuje jaderný náboj a zmenšuje se poloměr atomu. Důsledkem toho je postupné zvyšování ionizačního potenciálu a oslabování vlastností kovů. Ve vzácných plynech, ačkoli poloměry jejich atomů jsou větší než poloměry atomů halogenů ve stejném období, jsou ionizační potenciály větší než u halogenů. V tomto případě je silně ovlivněn třetí z výše uvedených faktorů - interakce mezi elektrony, v důsledku čehož má vnější elektronový obal atomu inertního plynu zvláštní energetickou stabilitu a odstranění elektronu z něj vyžaduje značné více energie.
Připojení elektronu k atomu metaloidu, přeměna jeho elektronového obalu na stabilní obal atomu inertního plynu, je doprovázeno uvolněním energie. Velikost této energie, přepočtená na 1 gramatom prvku, slouží jako míra tzv. elektronová afinita.Čím větší je elektronová afinita, tím snadněji atom připojí elektron. Elektronová afinita atomů kovů je nulová – atomy kovů nejsou schopny připojovat elektrony. Elektronová afinita atomů metaloidů je tím větší, čím blíže je metaloid inertnímu plynu v periodické tabulce. Proto se během určitého období vlastnosti metaloidů zvyšují, jak se blíží konec období.
V Každodenní život nemusíme se zabývat atomy. Svět kolem nás je postaven z objektů vytvořených z obrovského počtu atomů ve formě pevné látky, kapalin a plynů. Naším dalším krokem by proto mělo být studium toho, jak atomy vzájemně interagují za vzniku molekul a poté makroskopické hmoty. I lidská osobnost (a obecně chování všech živých organismů) je výsledkem rozdílů ve strukturách obřích molekul, které nesou genetickou informaci.
Molekuly se skládají z stejných nebo různých atomů, které jsou navzájem spojeny meziatomovými chemickými vazbami. Stabilita molekul ukazuje, že chemické vazby jsou způsobeny interakčními silami, které vážou atomy do molekuly.
Mezi vnějšími elektrony atomů vznikají meziatomové interakční síly. Ionizační potenciály těchto elektronů jsou mnohem nižší než potenciály elektronů umístěných na vnitřních energetických hladinách.
Hledání konkrétních vzorců chemických sloučenin se značně zjednoduší, pokud použijete pojem valence prvků, tzn. vlastnost jeho atomů připojit se k sobě nebo nahradit určitý počet atomů jiného prvku.
Pojem valence se vztahuje nejen na jednotlivé atomy, ale i na celé skupiny atomů, které jsou součástí chemických sloučenin a účastní se jako celek chemických reakcí. Takové skupiny atomů se nazývají radikálů.
Fyzikální základy chemické vazby v molekulách látky. Povaha sil, které určují vazby mezi atomy v molekulách, však zůstávala dlouho neznámá. Teprve s rozvojem nauky o struktuře atomu se objevily teorie, které vysvětlovaly důvod různé mocnosti prvků a mechanismus vzniku chemických sloučenin na základě elektronových konceptů. Všechny tyto teorie jsou založeny na existenci spojení mezi chemickými a elektrickými jevy.
Zastavme se nejprve u vztahu látek k elektrickému proudu.
Některé látky jsou vodiči elektrického proudu, pevné i kapalné: jedná se například o všechny kovy. Jiné látky nevedou proud v pevném stavu, ale jsou elektricky vodivé, když jsou roztaveny. Patří mezi ně převážná většina solí a také mnoho oxidů a hydrátů oxidů. Konečně třetí skupinu tvoří látky, které nevedou proud ani v pevném, ani v kapalném stavu. To zahrnuje téměř všechny metaloidy.
Zkušenosti prokázaly, že elektrická vodivost kovů je způsobena pohybem elektronů a elektrická vodivost roztavených solí a podobných sloučenin je způsobena pohybem iontů s opačným nábojem. Například, když proud prochází roztavenou kuchyňskou solí, kladně nabité ionty sodíku Na + se přesunou ke katodě a záporně nabité ionty chloru Cl – k anodě. Je zřejmé, že v solích ionty existují již v pevné látce, tavení pouze vytvoří podmínky pro jejich volný pohyb. Proto se takové sloučeniny nazývají iontové sloučeniny. Látky, které prakticky nevedou proud, neobsahují ionty: jsou vytvořeny z elektricky neutrálních molekul nebo atomů. Rozdílný poměr látek k elektrickému proudu je tedy důsledkem odlišného elektrického stavu částic, které tyto látky tvoří.
Výše uvedené typy látek odpovídají dvěma různým typům chemická vazba:
a) iontová vazba, jinak nazývaná elektrovalentní (mezi opačně nabitými ionty v iontových sloučeninách);
b) atomová neboli kovalentní vazba (mezi elektricky neutrálními atomy v molekulách všech ostatních látek).
Iontová vazba Tento typ vazby existuje mezi opačně nabitými ionty a vzniká jako výsledek jednoduché elektrostatické přitažlivosti iontů k sobě.
Kladné ionty vznikají odebíráním elektronů z atomů, záporné ionty vznikají přidáváním elektronů k atomům.
Například kladný iont Na + vzniká, když je jeden elektron odstraněn z atomu sodíku. Vzhledem k tomu, že ve vnější vrstvě atomu sodíku je pouze jeden elektron, je přirozené předpokládat, že je to právě tento elektron, který je nejdále od jádra, který se při přeměně na iont oddělí od atomu sodíku. Podobným způsobem se získávají ionty hořčíku Mg 2+ a hliník A1 3+ jako výsledek abstrakce dvou a tří vnějších elektronů z atomů hořčíku a hliníku.
Naproti tomu záporné ionty síry a chloru vznikají přidáním elektronů k těmto atomům. Vzhledem k tomu, že vnitřní elektronické vrstvy v atomech chloru a síry jsou vyplněny, musely se další elektrony v iontech S 2 a Cl – zjevně nacházet ve vnější vrstvě.
Porovnáním složení a struktury elektronových obalů iontů Na +, Mg 2+, A1 3+ vidíme, že všechny tyto ionty mají stejné - stejné jako atomy neonu inertního plynu (Ne).
Současně ionty S 2 a Cl – , vzniklé v důsledku adice elektronů k atomům síry a chloru, mají stejné elektronové obaly jako atomy argonu (Ar).
V uvažovaných případech, kdy se atomy přeměňují na ionty, se tedy elektronické obaly iontů stávají podobnými obalům atomů inertních plynů umístěných nejblíže k nim v periodické tabulce.
Moderní teorie chemické vazby vysvětluje
Materialistické chápání substance prošlo více než dvěma tisíci lety vývoje. Začalo to zjednodušenou představou pramatky, tzn. o něčem, co předcházelo moderní hmotě, a proto je substancí.
Pojem hmoty je základní kategorií filozofie a přírodních věd. V překladu z latiny znamená materia látka. Prvotní představy o hmotě vznikly již ve starověku, kde ji představitelé různých filozofických směrů ztotožňovali s hmotnou substancí existence: voda (Thales), vzduch (Anaximenes), oheň (Hérakleitos), atomy (Démocritus) atd.
Hmota byla ve středověku chápána především jako materiál, ze kterého jsou věci vyrobeny. Hmota jako filozofická kategorie se nevyvinula, i když u sv. Augustina najdeme pojem „duchovní a tělesná hmota“.
V XVII - XVIII století. Objevuje se nové chápání hmoty, odlišné od představ starých lidí. Došlo se k závěru, že hmota není specifická látka (země, oheň, voda, vzduch atd.), ale fyzická realita jako takové. V tomto období se matematické, přírodní a sociální vědy oddělily od filozofie a rozvinuly se jako samostatné obory. Nejrozvinutějšími vědami té doby byly mechanika a geometrie, proto v názorech na hmotu převládal mechanismus. Hmota je definována jako souhrn smyslových těl. Hmota je ztotožňována s látkou skládající se z nedělitelných, neměnných atomů, majících univerzální vlastnosti: mechanickou hmotnost, hmotnost, neprostupnost, setrvačnost. Všechno hmotné má tyto vlastnosti, což znamená, že je zcela logické přenést tyto vlastnosti z konkrétních látek na Látka jako taková.
Zároveň se objevila definice hmoty, kterou podal anglický filozof J. Berkeley, klasik subjektivního idealismu. Ve svém díle „Dialog mezi filozofem Berkeleym a materialistou“ vkládá do úst materialisty pojetí hmoty jako reality, která ovlivňuje naše pocity, ale nezávisí na nich. Berkeley, jakožto subjektivní idealista, směřoval veškerou svou filozofickou energii k boji proti materialismu a jeho základnímu konceptu – hmotě, ale francouzští materialisté chápali hmotu jako vše, na co působí. naše smysly. Tím vším, co působí na naše smysly, mysleli látku, která je souborem specifických částic-atomů, navzájem identických, majících univerzální vlastnosti. Hmota-látka je založena na základních zákonech vesmíru a především na zákonu zachování hmoty.
Toto chápání hmoty bylo historicky progresivní, ale také omezené. Na toto omezení jako první upozornil německý filozof F. Engels. Věřil, že hmotu nelze redukovat na sbírku specifických částic-atomů, protože samy mohou mít složitou strukturu. Je zodpovědný za definici hmoty jako obecného pojmu, který zahrnuje veškerou rozmanitost věcí.
Omezení konceptu ztotožňování hmoty se substancí se pro přírodní vědy projevila zvláště na přelomu 19. a 20. století. Právě v tomto období propukla ve fyzice krize spojená s revolučními objevy.
Jako jednu z možností, jak překonat krizi a další rozvoj fyziky a filozofie, V.I. Lenin navrhl nový metodologický základ – novou definici hmoty: „Hmota je filozofická kategorie k označení objektivní reality, která je člověku dána v jeho pocitech, které jsou kopírovány, fotografovány, zobrazovány našimi pocity, existující nezávisle na nich. “
Lenin se domníval, že je nutné rozlišovat mezi filozofickým chápáním hmoty a fyzikálními představami o jejích vlastnostech a struktuře, a podal filozofickou definici se zaměřením na skutečnost, že hmota jako kategorie neznamená nic jiného než objektivní realitu, což znamená, že bez ohledu na to, jaký nový stav hmoty je, stačí určit, zda je tento objev objektivní realitou či nikoli. Dále svou definicí zdůraznil, že hmota je primární realitou ve vztahu k našim pocitům, protože existuje nezávisle na nich.
Leninova definice je ve srovnání s předchozími metafyzickými definicemi více dialektická, protože je otevřená následnému poznání a vývoji. Ale jako každá definice je historicky omezená. Je to spíše epistemologické než ontologické, protože říkat, že hmota je objektivní realita, neznamená nic z hlediska obsahu. Tato definice působí proti subjektivnímu idealismu, ale vůbec nepracuje proti objektivnímu idealismu. Vždyť Bůh, světová mysl a absolutní idea zapadají do definice objektivní reality pro člověka, který v ně věří. Bůh se věřícímu zjevuje v konkrétním obrazu, který vnímá pomocí svých smyslů.
Ale přes tyto nedostatky dnes v materialismu neexistuje novější a dokonalejší definice hmoty. Spolu se světonázorem je třeba poznamenat i metodologický význam této definice pro rozvoj přírodních věd. Myšlenka nevyčerpatelnosti hmoty, vyjádřená V.I. Lenina, je nyní jedním z hlavních metodologických principů přírodovědného výzkumu. Zvláště jasně se to projevuje v moderních názorech na strukturu hmoty, které se vyvinuly v přírodní vědy.
Stručně popišme moderní nápadyÓ strukturální organizace hmoty. Strukturální úrovně hmoty jsou tvořeny z určitého souboru objektů jakékoli třídy a jsou charakterizovány zvláštním typem interakce mezi jejich základními prvky. Kritériem pro identifikaci strukturálních úrovní jsou časoprostorová měřítka, soubor nejdůležitějších vlastností a zákonů změny, stupeň relativní složitosti, který vznikl v procesu historického vývoje hmoty v dané oblasti světa.
Anorganická povaha se dělí na tři 1) mikro-, 2) makro- a 3) megasvěty, které mají následující posloupnost strukturních úrovní: 1) submikroelementární - mikroelementární (elementární částice a interakce polí) - jaderná - atomová - molekulární - 2) úroveň makroskopických těles (řada podúrovní) – 3) planety – hvězdo-planetární komplexy – galaxie – metagalaxie.
Živá příroda se dělí na tyto úrovně: biologické makromolekuly – buněčná úroveň – mikroorganismus – orgány a tkáně – organismus jako celek – populace – biocenóza – biosféra. Obecný základ života - organický metabolismus (výměna hmoty, energie a informací s okolím) - je specifikován v každé z vybraných úrovní.
Sociální realita reprezentované úrovněmi: jednotlivci - rodiny - skupiny - sociální skupiny - třídy - národnosti a národy - státy a systémy států - společnost jako celek.
Poznamenejme také, že vyšší úrovně systémové organizace hmoty vznikají v rámci relativně malého souboru jevů předchozí úrovně. Ze tří hlavních skupin úrovní anorganické přírody (mikro-, makro- a megasvět) tedy vzniká život pouze na úrovni menšiny jevů makrosvěta, stejně jako společnost vzniká mezi zástupci jediného biologického druhu. Komplikace systémové organizace hmoty je tak doprovázena zúžením možností její realizace.
Jaký je pojem „hmota“? Jaké jsou vlastnosti hmoty?
Hmota- objektivní realita, která je člověku dána v jeho počitcích a existuje nezávisle na něm. Jedná se o určitou substanci, základ všech existujících objektů a systémů, jejich vlastností, souvislostí mezi nimi a forem pohybu, tzn. z čeho se skládá okolní svět.
Struktura hmoty- existence nekonečného množství vzájemně úzce propojených integrálních systémů.
Atributy hmoty, univerzální formy jeho existence jsou pohyb, prostor a čas, které neexistují mimo hmotu. Úplně stejným způsobem to být nemůže hmotné předměty, který by neměl časoprostorové vlastnosti.
Prostor- objektivní realita, forma existence hmoty, je charakterizována rozsahem a strukturou hmotných objektů (jevů) v jejich vztahu k jiným objektům a jevům.
Čas- objektivní realita, forma existence hmoty je charakterizována trváním a návazností existence hmotných předmětů a jevů v jejich vztahu s jinými hmotnými předměty a jevy.
Friedrich Engels vyzdvihl pět forem pohybu hmoty: fyzický; chemikálie; biologický; sociální; mechanické.
Univerzální vlastnosti záležitost jsou:
nevytvořitelnost a nezničitelnost
věčnost existence v čase a nekonečno v prostoru
hmotu vždy charakterizuje pohyb a změna, seberozvoj, přeměna jednoho stavu v druhý
determinismus všech jevů
kauzalita - závislost jevů a předmětů na strukturních souvislostech v hmotných systémech a vnějších vlivech, na příčinách a podmínkách, které je vyvolávají
odraz - projevuje se ve všech procesech, ale závisí na struktuře interagujících systémů a povaze vnějších vlivů. Historický vývoj vlastnosti reflexe vede ke vzniku její nejvyšší formy – abstraktního myšlení
Univerzální zákony existence a vývoje hmoty:
Zákon jednoty a boje protikladů
Zákon přechodu kvantitativních změn na kvalitativní
Zákon negace negace
strukturální úrovně organizace hmoty v neživé přírodě.
Na každé strukturální úrovni hmoty existují speciální (emergentní) vlastnosti, chybí na jiných úrovních. Uvnitř každé ze strukturních úrovní existují vztahy podřízenosti, například molekulární úroveň zahrnuje atomovou úroveň a ne naopak. Každá vyšší forma vzniká na základě nižší a zahrnuje ji ve své sublované formě. To v podstatě znamená, že specifičnost vyšších forem může být známa pouze na základě analýzy struktur nižších forem. A naopak, podstatu formy nižšího řádu lze poznat pouze na základě obsahu vyšší formy hmoty ve vztahu k ní.
V přírodních vědách se rozlišují dvě velké třídy hmotných systémů: systémy neživá příroda a živé přírodní systémy. V neživá příroda Strukturální úrovně organizace hmoty jsou:
1) vakuum (pole s minimální energií), 2) pole a elementární částice, 3) atomy, 4) molekuly, makrotělesa, 5) planety a planetární systémy, 6) hvězdy a hvězdné systémy, 7) galaxie, 8) metagalaxie, 9 )Vesmír.
V živé přírodě existují dvě nejdůležitější strukturální úrovně organizace hmoty – biologická a sociální. Biologická úroveň zahrnuje:
precelulární úrovni (proteiny a nukleové kyseliny);
- buňka jako „stavební kámen“ živých věcí a jednobuněčných organismů;
- mnohobuněčný organismus, jeho orgány a tkáně;
- populace - soubor jedinců stejného druhu okupující určité území, volně se křížící a částečně nebo zcela izolovaní od ostatních skupin svého druhu;
- biocenóza - soubor populací, ve kterých jsou odpadní produkty některých podmínek pro existenci jiných organismů obývajících určitou oblast země nebo vody;
- biosféra - Živá hmota planety (souhrn všech živých organismů, včetně lidí).
V určité fázi vývoje života na Zemi vznikla inteligence, díky které se objevila sociální strukturální úroveň hmoty. Na této úrovni se rozlišují: jedinec, rodina, kolektiv, sociální skupina, třída a národ, stát, civilizace, lidstvo jako celek.
strukturální úrovně organizace hmoty v živé přírodě.
Podle moderních vědeckých názorů na přírodu jsou všechny přírodní objekty uspořádané, strukturované, hierarchicky organizované systémy. V přírodních vědách se rozlišují dvě velké třídy hmotných systémů: systémy neživé přírody a systémy živé přírody.
V živé přírodě zahrnují strukturální úrovně organizace hmoty systémy na precelulární úrovni – nukleové kyseliny a proteiny; buňky jako zvláštní úroveň biologické organizace, prezentované ve formě jednobuněčných organismů a elementárních jednotek živé hmoty; mnohobuněčné organismy flóry a fauny; nad strukturami organismu, včetně druhů, populací a biocenóz a konečně nad biosférou jako celou hmotou živé hmoty. V přírodě je vše propojeno, takže můžeme identifikovat systémy, které zahrnují prvky živé i neživé přírody — biogeocenózy.
Přírodní vědy, které začaly studovat hmotný svět s nejjednoduššími hmotnými objekty, které lidé přímo vnímali, přecházejí ke studiu nejsložitějších objektů hlubokých struktur hmoty, za hranicemi lidského vnímání a nesouměřitelných s objekty každodenní zkušenost Pomocí systémového přístupu přírodní věda nejen identifikuje typy hmotných systémů, ale odhaluje jejich spojení a korelaci. Ve vědě existují tři úrovně struktury hmoty: makrosvět, mikrosvět a megasvět.
Strukturální úrovně organizace hmoty
| Název parametru | Význam |
| Téma článku: | Strukturální úrovně organizace hmoty |
| Rubrika (tematická kategorie) | Vzdělání |
Ve své nejobecnější podobě je hmota nekonečným souborem všech objektů a systémů koexistujících ve světě, souhrn jejich vlastností, spojení, vztahů a forem pohybu. Navíc zahrnuje nejen všechny přímo pozorovatelné předměty a tělesa přírody, ale i vše, co nám není dáno v počitcích. Celý svět kolem nás hýbe hmotou v jejích nekonečně rozmanitých formách a projevech, se všemi jejími vlastnostmi, souvislostmi a vztahy. V tomto světě mají všechny objekty vnitřní řád a systémovou organizaci. Pořádek se projevuje v pravidelném pohybu a interakci všech prvků hmoty, díky čemuž jsou spojeny do systémů. Celý svět se tak jeví jako hierarchicky organizovaný soubor systémů, kde každý objekt je současně nezávislým systémem a prvkem jiného, složitějšího systému.
Podle moderního přírodovědného obrazu světa představují všechny přírodní objekty také samouspořádané, strukturované, hierarchicky organizované systémy. Na základě systematického přístupu k přírodě je veškerá hmota rozdělena do dvou velkých tříd hmotných systémů – neživé a živé přírody. V systému neživá příroda strukturálními prvky jsou: elementární částice, atomy, molekuly, pole, makroskopická tělesa, planety a planetární soustavy, hvězdy a hvězdné soustavy, galaxie, metagalaxie a Vesmír jako celek. V souladu s tím v divoká zvěř hlavními prvky jsou bílkoviny a nukleové kyseliny, buňky, jednobuněčné a mnohobuněčné organismy, orgány a tkáně, populace, biocenózy, živá hmota planety.
Neživá i živá hmota přitom zahrnuje řadu vzájemně propojených strukturních úrovní. Struktura je soubor spojení mezi prvky systému. Z tohoto důvodu se jakýkoli systém skládá nejen ze subsystémů a prvků, ale také z různých vazeb mezi nimi. V rámci těchto úrovní jsou hlavní -
Existují horizontální (koordinační) vazby a mezi úrovněmi jsou vertikální (podřízenosti). Soubor horizontálních a vertikálních vazeb umožňuje vytvořit hierarchickou strukturu Vesmíru, ve které je hlavním kvalifikačním znakem velikost předmětu a jeho hmotnost a také jejich vztah k člověku. Na základě tohoto kritéria se rozlišují tyto úrovně hmoty: mikrosvět, makrosvět a megasvět.
Mikrosvět- oblast extrémně malých, přímo nepozorovatelných hmotných mikroobjektů, jejichž prostorový rozměr se počítá v rozmezí 10 -8 až 10 -16 cm a životnost je od nekonečna do 10 - 24 s. Patří sem pole, elementární částice, jádra, atomy a molekuly.
Makrosvět - svět hmotných předmětů měřítkem úměrných člověku a jeho fyzickým parametrům. Na této úrovni jsou prostorové veličiny vyjádřeny v milimetrech, centimetrech, metrech a kilometrech a čas – v sekundách, minutách, hodinách, dnech a letech. V praktické realitě makrokosmos představují makromolekuly, látky v různých stavech agregace, živé organismy, lidé a produkty jejich činností, ᴛ.ᴇ. makrotělesa.
Megasvět - obrovská koule kosmického měřítka a rychlosti, vzdálenost, ve které se měří v astronomických jednotkách, světelných letech a parsekech, a životnost vesmírných objektů se měří v milionech a miliardách let. Tato úroveň hmoty zahrnuje největší hmotné objekty: hvězdy, galaxie a jejich kupy.
Každá z těchto úrovní má své specifické zákony, které jsou vzájemně neredukovatelné. I když všechny tyto tři sféry světa jsou spolu úzce propojeny.
Strukturní úrovně organizace hmoty - pojem a typy. Klasifikace a znaky kategorie "Strukturální úrovně organizace hmoty" 2017, 2018.
* tato práce není vědecká práce, není promoce kvalifikační práce a je výsledkem zpracování, strukturování a formátování shromážděných informací, určených k použití jako zdroj materiálu pro samostatnou přípravu vzdělávací práce.
PLÁN
ÚVOD
I. Strukturní úrovně organizace hmoty: mikro-, makro-, mega-světy
1.1 Moderní vzhled o strukturním uspořádání hmoty
II. Struktura a její role v organizaci živých systémů
2.1 Systém a celek
2.2 Část a prvek
2.3 Interakce části a celku
III. Atom, člověk, Vesmír - dlouhý řetězec komplikací
REFERENCE ZÁVĚRU
ÚVOD
Všechny objekty přírody (živá i neživá příroda) mohou být reprezentovány jako systém, který má rysy, které charakterizují jejich úrovně organizace. Pojem strukturních úrovní živé hmoty zahrnuje myšlenky systematičnosti a s tím spojenou organizaci celistvosti živých organismů. Živá hmota je diskrétní, tzn. je rozdělena na součásti nižší organizace, které mají specifické funkce. Strukturální úrovně se liší nejen třídami složitosti, ale také vzorci fungování. Hierarchická struktura je taková, že každá vyšší úroveň neřídí, ale zahrnuje tu nižší. Diagram nejpřesněji odráží holistický obraz přírody a úroveň rozvoje přírodních věd jako celku. S přihlédnutím k úrovni organizace lze uvažovat o hierarchii struktur organizace hmotných předmětů živé a neživé povahy. Tato hierarchie struktur začíná u elementárních částic a končí u živých společenství. Koncept strukturálních úrovní byl poprvé navržen ve 20. letech 20. století. našeho století. V souladu s tím se strukturální úrovně liší nejen třídami složitosti, ale vzorci fungování. Koncept zahrnuje hierarchii strukturních úrovní, ve které je každá následující úroveň zahrnuta do předchozí.
Účelem této práce je studovat koncept strukturní organizace hmoty.
I. STRUKTURÁLNÍ ÚROVNĚ ORGANIZACE HMOT: MIKRO-, MAKRO-, MEGA-SVĚTY
V moderní vědě je základem představ o struktuře hmotného světa systémový přístup, podle kterého jakýkoli objekt hmotného světa, ať už je to atom, planeta atd. lze považovat za systém - komplexní útvar, který zahrnuje komponenty, prvky a spojení mezi nimi. Prvek v tomto případě znamená minimální, dále nedělitelnou část daného systému.
Soubor vazeb mezi prvky tvoří strukturu systému, stabilní spojení určují uspořádanost systému. Horizontální spoje jsou koordinační a zajišťují korelaci (konzistenci) systému, žádná část systému se nemůže změnit bez změny ostatních částí. Vertikální spoje jsou spojnicemi podřízenosti, některé prvky systému jsou podřízeny jiným. Systém má znak celistvosti - to znamená, že všechny jeho součásti, když se spojí do celku, tvoří kvalitu, kterou nelze redukovat na kvality jednotlivých prvků. Podle moderních vědeckých názorů jsou všechny přírodní objekty uspořádané, strukturované, hierarchicky organizované systémy.
V nejobecnějším smyslu slova „systém“ znamená jakýkoli předmět nebo jakýkoli fenomén světa kolem nás a představuje propojení a interakci částí (prvků) v rámci celku. Struktura je vnitřní organizace systému, která přispívá ke spojení jeho prvků do jediného celku a dává mu jedinečné vlastnosti. Struktura určuje pořadí prvků objektu. Prvky jsou jakékoli jevy, procesy, jakož i jakékoli vlastnosti a vztahy, které jsou v jakékoli vzájemné souvislosti a vzájemné korelaci.
Při pochopení strukturní organizace hmoty hraje důležitou roli pojem „vývoj“. Koncepce vývoje neživé a živé přírody je považována za nevratnou řízenou změnu ve struktuře přírodních objektů, protože struktura vyjadřuje úroveň organizace hmoty. Nejdůležitější vlastnost konstrukce - její relativní stabilita. Struktura je obecný, kvalitativně definovaný a relativně stabilní řád vnitřních vztahů mezi subsystémy konkrétního systému. Pojem „úroveň organizace“ na rozdíl od pojmu „struktura“ zahrnuje myšlenku změny struktur a jejich posloupnosti v průběhu historického vývoje systému od okamžiku jeho vzniku. Zatímco změna ve struktuře může být náhodná a ne vždy řízená, ke změně na úrovni organizace dochází nezbytným způsobem.
Systémy, které dosáhly příslušné úrovně organizace a mají určitou strukturu, získávají schopnost využívat informace k tomu, aby si prostřednictvím řízení udržely nezměněnou (nebo zvýšily) úroveň své organizace a přispěly ke stálosti (nebo snížení) své entropie ( entropie je mírou nepořádku). Donedávna se přírodní vědy a další vědy mohly obejít bez holistického, systematického přístupu ke svým předmětům studia, aniž by braly v úvahu studium procesů utváření stabilních struktur a sebeorganizace.
V současné době se problémy sebeorganizace, studované v synergii, stávají aktuálními v mnoha vědách, od fyziky po ekologii.
Úkolem synergetiky je objasnit zákonitosti organizování organizace a vzniku řádu. Na rozdíl od kybernetiky zde není kladen důraz na procesy řízení a výměny informací, ale na principy budování organizace, její vznik, rozvoj a sebekomplikace (G. Haken). Otázka optimálního uspořádání a organizace je obzvláště naléhavá při studiu globálních problémů – energetiky, životního prostředí a mnoha dalších, které vyžadují zapojení obrovských zdrojů.
1.1 MODERNÍ POHLEDY NA STRUKTURÁLNÍ ORGANIZACE HMOTY
V klasické přírodní vědě představoval nauku o principech strukturního uspořádání hmoty klasický atomismus. Myšlenky atomismu sloužily jako základ pro syntézu všech znalostí o přírodě. Ve 20. století prošel klasický atomismus radikálními proměnami.
Moderní principy strukturního uspořádání hmoty jsou spojeny s vývojem systémových pojmů a zahrnují některé pojmové poznatky o systému a jeho vlastnostech, které charakterizují stav systému, jeho chování, organizaci a sebeorganizaci, interakci s okolím, účelnost a předvídatelnost chování a další vlastnosti.
Nejjednodušší klasifikací systémů je jejich rozdělení na statické a dynamické, což je i přes svou výhodnost stále podmíněné, protože všechno na světě se neustále mění. Dynamické systémy se dělí na deterministické a stochastické (pravděpodobnostní). Tato klasifikace je založena na povaze predikce dynamiky chování systému. Takové systémy jsou studovány v mechanice a astronomii. Naproti tomu stochastické systémy, které se obvykle nazývají pravděpodobnostně-statistické, se zabývají masivními nebo opakujícími se náhodnými událostmi a jevy. Předpovědi v nich proto nejsou spolehlivé, ale pouze pravděpodobnostní.
Na základě povahy interakce s prostředím se rozlišují otevřené a uzavřené (izolované) systémy a někdy se také částečně rozlišují otevřené systémy. Tato klasifikace je především podmíněná, protože myšlenka uzavřených systémů vznikla v klasické termodynamice jako určitá abstrakce. Naprostá většina, ne-li všechny, systémy jsou open source.
Mnoho složitých systémů nacházejících se v sociálním světě je cílených, tzn. zaměřené na dosažení jednoho nebo více cílů a v různých subsystémech a na různých úrovních organizace mohou být tyto cíle různé a dokonce se mohou dostat do vzájemného rozporu.
Klasifikace a studium systémů umožnilo rozvoj nová metoda znalostí, které se říká systémový přístup. Aplikace myšlenek systémů na analýzu ekonomických a sociálních procesů přispěla ke vzniku teorie her a teorie rozhodování. Nejvýznamnějším krokem ve vývoji systémové metody byl vznik kybernetiky jako obecné teorie řízení v technických systémech, živých organismech a společnosti. Přestože jednotlivé teorie řízení existovaly již před kybernetikou, vytvoření jednotného interdisciplinárního přístupu umožnilo odhalit hlubší a obecnější vzorce řízení jako procesu akumulace, přenosu a transformace informací. Samotné řízení se provádí pomocí algoritmů, které jsou zpracovávány počítači.
Univerzální teorie systémů, která určila základní roli systémové metody, vyjadřuje na jedné straně jednotu hmotného světa a na druhé straně jednotu vědecké znalosti. Důležitým důsledkem této úvahy o materiálových procesech bylo omezení role redukce ve znalostech systémů. Ukázalo se, že čím více se některé procesy liší od jiných, čím jsou kvalitativně heterogennější, tím obtížnější je jejich omezení. Zákony složitějších systémů proto nelze zcela redukovat na zákony nižších forem nebo jednodušších systémů. Jako protiklad k redukcionistickému přístupu vzniká holistický přístup (z řeckého holos - celek), podle kterého celek vždy předchází části a je vždy důležitější než části.
Každý systém je celek tvořený svými vzájemně propojenými a vzájemně se ovlivňujícími částmi. Proto proces poznávání přírodních a sociální systémy může být úspěšný pouze tehdy, když se části a celek nestudují v opozici, ale ve vzájemné interakci.
Moderní věda pohlíží na systémy jako na komplexní, otevřené, s mnoha možnostmi pro nové způsoby rozvoje. Procesy vývoje a fungování komplexního systému mají povahu samoorganizace, tzn. vznik vnitřně konzistentního fungování díky vnitřním souvislostem a propojení s vnějším prostředím. Samoorganizace je přirozeným vědeckým vyjádřením procesu samopohybu hmoty. Systémy živé a neživé přírody, stejně jako umělé systémy, mají schopnost sebeorganizace.
V moderním vědecky podloženém pojetí systémové organizace hmoty se obvykle rozlišují tři strukturální úrovně hmoty:
mikrosvět - svět atomů a elementárních částic - extrémně malé přímo nepozorovatelné objekty, rozměr od 10-8 cm do 10-16 cm a životnost - od nekonečna do 10-24 s.
makrokosmos - svět stabilních forem a množství úměrných lidem: pozemské vzdálenosti a rychlosti, hmoty a objemy; dimenze makroobjektů je srovnatelná s měřítkem lidské zkušenosti – prostorové dimenze od zlomků milimetru po kilometry a časové dimenze od zlomků sekund po roky.
megasvět - svět vesmíru (planety, hvězdné komplexy, galaxie, metagalaxie); svět obrovských kosmických měřítek a rychlostí, vzdálenost se měří ve světelných letech a čas se měří v milionech a miliardách let;
Studium hierarchie strukturních úrovní přírody je spojeno s řešením složitého problému stanovení hranic této hierarchie jak v megasvětě, tak v mikrosvětě. Objekty každého následujícího stupně vznikají a vyvíjejí se jako výsledek kombinace a diferenciace určitých souborů objektů předchozího stupně. Systémy jsou čím dál více víceúrovňové. Složitost systému se zvyšuje nejen proto, že se zvyšuje počet úrovní. Rozvoj nových vztahů mezi úrovněmi as prostředím společným pro takové objekty a jejich asociace se stává nezbytným.
Mikrosvět, který je podúrovní makrosvětů a megasvětů, má zcela jedinečné rysy, a proto jej nelze popsat teoriemi souvisejícími s jinými úrovněmi přírody. Zejména tento svět je ve své podstatě paradoxní. Zásada „sestává z“ se na něj nevztahuje. Když se tedy srazí dvě elementární částice, nevzniknou žádné menší částice. Po srážce dvou protonů vzniká mnoho dalších elementárních částic - včetně protonů, mezonů a hyperonů. Heisenberg vysvětlil fenomén „mnohonásobného zrození“ částic: při srážce velká Kinetická energie se mění ve hmotu a pozorujeme mnohonásobné zrození částic. Mikrosvět je aktivně studován. Jestliže před 50 lety byly známy pouze 3 typy elementárních částic (elektron a proton jako nejmenší částice hmoty a foton jako minimální část energie), nyní bylo objeveno asi 400 částic. Druhá paradoxní vlastnost mikrokosmu je spojena s duální povahou mikročástice, která je zároveň vlnou i tělískem. Nelze ji tedy striktně jednoznačně lokalizovat v prostoru a čase. Tato vlastnost se odráží v Heisenbergově principu vztahu neurčitosti.
Úrovně organizace hmoty pozorované člověkem jsou osvojovány s přihlédnutím k přirozeným životním podmínkám lidí, tzn. s přihlédnutím k našim pozemským zákonům. To však nevylučuje předpoklad, že na úrovních dostatečně vzdálených od nás mohou existovat formy a stavy hmoty vyznačující se zcela odlišnými vlastnostmi. V tomto ohledu vědci začali rozlišovat geocentrické a negeocentrické materiálové systémy.
Geocentrický svět je referenčním a základním světem newtonovského času a euklidovského prostoru, popsaný souborem teorií vztahujících se k objektům v pozemském měřítku. Negeocentrické systémy jsou zvláštním typem objektivní reality, vyznačující se jinými typy atributů, jiným prostorem, časem, pohybem, než pozemské. Existuje předpoklad, že mikrosvět a megasvět jsou okny do negeocentrických světů, což znamená, že jejich vzorce alespoň do určité míry umožňují představit si jiný typ interakce než v makrosvětě nebo geocentrickém typu reality.
Mezi megasvětem a makrosvětem neexistuje žádná přísná hranice. Obvykle se věří, že on
začíná se vzdálenostmi asi 107 a hmotností 1020 kg. Referenčním bodem pro začátek megasvěta může být Země (průměr 1,28 × 10 + 7 m, hmotnost 6 × 1021 kg). Vzhledem k tomu, že se megasvět zabývá velkými vzdálenostmi, jsou pro jejich měření zavedeny speciální jednotky: astronomická jednotka, světelný rok a parsek.
Astronomická jednotka (AU) je průměrná vzdálenost od Země ke Slunci, rovná se 1,5 × 1011 m.
Světelný rok je vzdálenost, kterou světlo urazí za jeden rok, konkrétně 9,46 × 1015 m.
Parsec (sekunda paralaxy) - vzdálenost, ve které je roční paralaxa zemské oběžné dráhy (tj. úhel, pod kterým je viditelná hlavní poloosa zemské oběžné dráhy kolmá k zorné přímce) rovna jedné sekundě. Tato vzdálenost se rovná 206265 AU. = 3,08×1016 m = 3,26 St. G.
Nebeská tělesa ve vesmíru tvoří systémy různé složitosti. Takže Slunce a 9 planet, které se kolem něj pohybují, tvoří Sluneční soustavu. Hlavní část hvězd naší galaxie je soustředěna v disku viditelném ze Země „z boku“ v podobě mlžného pásu protínajícího nebeskou sféru – Mléčnou dráhu.
Všechna nebeská tělesa mají svou vlastní historii vývoje. Stáří vesmíru je 14 miliard let. Stáří sluneční soustavy se odhaduje na 5 miliard let, Země - 4,5 miliardy let.
Další typologie materiálových systémů je dnes poměrně rozšířená. Jedná se o rozdělení přírody na anorganickou a organickou, ve které sociální forma hmoty zaujímá zvláštní místo. Anorganická hmota jsou elementární částice a pole, atomová jádra, atomy, molekuly, makroskopická tělesa, geologické útvary. Organická hmota má také víceúrovňovou strukturu: precelulární úroveň - DNA, RNA, nukleové kyseliny; buněčná úroveň - nezávisle existující jednobuněčné organismy; mnohobuněčná úroveň - tkáně, orgány, funkční systémy (nervové, oběhové aj.), organismy (rostliny, živočichové); nadorganismy - populace, biocenózy, biosféra. Sociální hmota existuje pouze díky činnosti lidí a zahrnuje zvláštní substruktury: jednotlivce, rodinu, skupinu, kolektiv, stát, národ atd.
II. STRUKTURA A JEJÍ ÚLOHA V ORGANIZACI ŽIVÝCH SYSTÉMŮ
2.1 SYSTÉM A CELEK
Systém je komplex prvků, které se vzájemně ovlivňují. V překladu z řečtiny je to celek složený z částí, spojení.
Po dlouhém historickém vývoji koncept systému z poloviny 20. století. se stává jedním z klíčových vědeckých pojmů.
Primární představy o systému vznikly ve starověké filozofii jako o uspořádanosti a hodnotě bytí. Pojem systém má nyní extrémně široký rozsah použití: téměř každý objekt lze považovat za systém.
Každý systém se vyznačuje nejen přítomností spojení a vztahů mezi jeho základními prvky, ale také svou nerozlučitelnou jednotou s prostředím.
Můžete si vybrat Různé typy systémy:
Podle povahy spojení mezi částmi a celkem - anorganické a organické;
Podle forem pohybu hmoty - mechanický, fyzikální, chemický, fyzikálně-chemický;
Ve vztahu k pohybu - statistickému a dynamickému;
Podle typu změny - nefunkční, funkční, rozvíjející se;
Podle povahy výměny s okolím - otevřená a uzavřená;
Podle stupně organizace - jednoduché a složité;
Podle úrovně rozvoje - nižší a vyšší;
Podle povahy původu - přírodní, umělé, smíšené;
Podle směru vývoje - progresivní a regresivní.
Podle jedné z definic je celek něco, co nepostrádá žádnou z částí, z nichž se to nazývá celek. Celek nutně předpokládá systematickou organizaci jeho součástí.
Koncept celku odráží harmonickou jednotu a interakci částí podle určitého uspořádaného systému.
Podobnost pojmů celku a systému posloužila jako základ pro jejich úplnou identifikaci, což není zcela správné. V případě systému nemáme co do činění s jedním objektem, ale se skupinou interagujících objektů, které se vzájemně ovlivňují. Jak se systém neustále zlepšuje směrem k uspořádanosti jeho součástí, může se stát integrální. Pojem celku charakterizuje nejen mnohost jeho jednotlivých složek, ale také skutečnost, že spojení a interakce částí jsou přirozené, vyplývající z vnitřních potřeb rozvoje částí a celku.
Proto je celek zvláštním druhem systému. Pojem celku je odrazem vnitřně nutné, organické povahy vztahu mezi složkami systému a někdy změna jedné ze složek nevyhnutelně způsobí jednu nebo druhou změnu ve druhé a často v celém systému. .
Vlastnosti a mechanismus celku jako vyšší úrovně organizace ve srovnání s částmi, které jej organizují, nelze vysvětlit pouze součtem vlastností a momentů působení těchto částí, uvažovaných vzájemně izolovaně. Nové vlastnosti celku vznikají v důsledku interakce jeho částí, proto k poznání celku je nutné spolu se znalostí vlastností částí znát zákon organizace celku, tzn. zákon spojování částí.
Jelikož celek jako kvalitativní jistota je výsledkem vzájemného působení jeho složek, je třeba se pozastavit nad jejich charakteristikami. Jako součásti systému nebo celku vstupují součásti mezi sebou do různých vztahů. Vztahy mezi prvky lze rozdělit na „prvek-struktura“ a „část-celek“. V systému celku je dodržována podřízenost částí celku. Systém celku se vyznačuje tím, že dokáže vytvořit orgány, které mu chybí.
2.2 ČÁST A PRVEK
Prvek je komponenta objektu, která může být lhostejná ke specifikům objektu. V kategorii struktury lze najít souvislosti a vztahy mezi prvky, které jsou lhostejné k její specifičnosti.
Díl je také nedílnou součástí předmětu, ale na rozdíl od prvku je součástí součást, která není lhostejná ke specifikům předmětu jako celku (například stůl se skládá z částí - víka a nohou, stejně jako prvky - šrouby, šrouby, které lze použít pro upevnění jiných předmětů: skříně, skříně atd.)
Živý organismus jako celek se skládá z mnoha složek. Některé z nich budou pouze prvky, jiné zároveň součástmi. Části jsou pouze ty složky, které jsou vlastní funkcím života (metabolismus atd.): extracelulární živá hmota; buňka; textil; orgán; systém orgánů.
Všechny mají inherentní funkce živých věcí, všechny plní své specifické funkce v systému organizace celku. Část je tedy složkou celku, jejíž fungování určuje příroda, podstata celku sama.
Kromě částí obsahuje tělo i další složky, které samy o sobě nemají životní funkce, tzn. jsou neživé složky. Toto jsou prvky. Neživé prvky jsou přítomny na všech úrovních systémové organizace živé hmoty:
V protoplazmě buňky jsou zrna škrobu, kapky tuku, krystaly;
V mnohobuněčném organismu patří mezi neživé složky, které nemají vlastní metabolismus a schopnost se samy reprodukovat vlasy, drápy, rohy, kopyta a peří.
Část a prvek tedy tvoří nezbytné součásti organizace živých věcí jako integrálního systému. Bez prvků (neživých součástí) je fungování částí (živých součástí) nemožné. Proto pouze celková jednota jak prvků, tak částí, tzn. neživé a živé složky, tvoří systémovou organizaci života, jeho celistvost.
2.2.1 VZTAH KATEGORIÍ ČÁSTI A PRVKU
Vztah mezi kategoriemi část a prvek je velmi rozporuplný. Obsah části kategorie se liší od prvku kategorie: prvky jsou všechny součásti celku, bez ohledu na to, zda je v nich vyjádřena specifičnost celku či nikoli, a částmi jsou pouze ty prvky, ve kterých je specifičnost předmětu jako celek je přímo vyjádřen, proto je kategorie části užší než kategorie prvku. Na druhé straně je obsah kategorie části širší než kategorie prvku, protože část tvoří pouze určitý soubor prvků. A to lze ukázat ve vztahu k jakémukoli celku.
To znamená, že ve strukturální organizaci celku existují určité úrovně nebo hranice, které oddělují prvky od částí. Zároveň je rozdíl mezi kategoriemi část a prvek velmi relativní, protože se mohou vzájemně přeměňovat, například orgány nebo buňky, když fungují, podléhají destrukci, což znamená, že se z částí mění na prvky a neřest. naopak jsou opět stavěny z neživých, t. j. . prvky a stávají se součástmi. Prvky, které se z těla nevylučují, se mohou změnit v usazeniny soli, které jsou již součástí těla, a to spíše nežádoucí.
2.3 INTERAKCE ČÁSTI A CELKU
Interakce části a celku spočívá v tom, že jedno předpokládá druhé, jsou sjednocené a nemohou bez sebe existovat. Neexistuje celek bez části a naopak: neexistují části mimo celek. Část se stává součástí pouze v systému celku. Část získává svůj význam pouze prostřednictvím celku, stejně jako celek je interakcí částí.
V interakci části a celku náleží celku vedoucí, určující role. Části organismu nemohou existovat samostatně. Části, které představují soukromé adaptivní struktury organismu, vznikají během vývoje evoluce v zájmu celého organismu.
Určující roli celku ve vztahu k částem v organické přírodě nejlépe potvrzují fenomény autotomie a regenerace. Ještěrka chycená za ocas utíká a nechává špičku ocasu za sebou. Totéž se děje s drápy krabů a raků. Autotomie, tzn. samořezání ocasu u ještěrky, drápy u krabů a raků, je ochranná funkce, která přispívá k adaptaci organismu, vyvinuté v evolučním procesu. Tělo obětuje svou část v zájmu záchrany a zachování celku.
Fenomén autotomie je pozorován v případech, kdy je tělo schopno obnovit ztracenou část. Chybějící část ocasu ještěrky doroste (ale pouze jednou). Krabi a raci také často vyrůstají odlomené drápy. To znamená, že tělo je schopno nejprve ztratit část, aby zachránilo celek, aby pak tuto část obnovilo.
Fenomén regenerace dále demonstruje podřízenost částí celku: celek nutně vyžaduje naplnění, v té či oné míře, ztracených částí. Moderní biologie prokázala, že nejen málo organizovaní tvorové (rostliny a prvoci), ale také savci mají schopnost regenerace.
Regenerací je více druhů: obnovují se nejen jednotlivé orgány, ale i celé organismy z jeho jednotlivých částí (hydra z prstence vyříznutého ze středu těla, prvoci, korálové polypy, kroužkovci, hvězdice atd.). V ruském folklóru známe Hada-Gorynycha, kterému hodní chlapi usekli hlavy, které okamžitě znovu vyrostly... Obecně lze regeneraci považovat za schopnost vývoje dospělého organismu.
Určující role celku ve vztahu k částem však neznamená, že části jsou zbaveny své specifičnosti. Určující role celku předpokládá nikoli pasivní, ale aktivní roli částí, zaměřenou na zajištění normálního života organismu jako celku. Části, které se podřizují celkovému systému celku, si zachovávají relativní nezávislost a autonomii. Části na jedné straně působí jako součásti celku a na druhé straně jsou samy o sobě jedinečnými celistvými strukturami, systémy s vlastními specifickými funkcemi a strukturami. V mnohobuněčném organismu představují ze všech částí buňky nejvyšší úroveň integrity a individuality.
Skutečnost, že si části zachovávají svou relativní nezávislost a autonomii, umožňuje relativní nezávislost studia jednotlivých orgánových systémů: míchy, autonomního nervového systému, trávicích systémů atd., které má velká důležitost pro praxi. Příkladem toho je studium a odhalení vnitřních příčin a mechanismů relativní nezávislosti maligních nádorů.
Relativní nezávislost částí, ve větší míře než u zvířat, je rostlinám vlastní. Vyznačují se tvorbou některých částí z jiných - vegetativním rozmnožováním. Každý asi v životě viděl řízky jiných rostlin naroubované například na jabloň.
3. ATOM, ČLOVĚK, VESMÍR - DLOUHÝ ŘETĚZ KOMPLIKACÍ
V moderní vědě je široce používána metoda strukturální analýzy, která bere v úvahu systematickou povahu studovaného objektu. Koneckonců, struktura je vnitřní rozkouskování hmotné existence, způsob existence hmoty. Strukturální úrovně hmoty jsou tvořeny určitým souborem objektů jakéhokoli druhu a vyznačují se zvláštním způsobem interakce mezi jejich základními prvky; ve vztahu ke třem hlavním sférám objektivní reality tyto úrovně vypadají takto.
Každá ze sfér objektivní reality zahrnuje řadu vzájemně propojených strukturálních úrovní. V rámci těchto úrovní jsou dominantní vztahy koordinační a mezi úrovněmi vztahy podřízenosti.
Systematické studium hmotných objektů zahrnuje nejen stanovení způsobů, jak popsat vztahy, souvislosti a strukturu mnoha prvků, ale také identifikaci těch z nich, které jsou systémotvorné, to znamená, že zajišťují samostatné fungování a rozvoj systému. Systematický přístup k hmotným útvarům předpokládá možnost pochopení daného systému na vyšší úrovni. Systém je obvykle charakterizován hierarchickou strukturou, to znamená sekvenčním začleněním systému nižší úrovně do systému vyšší úrovně. Struktura hmoty na úrovni neživé přírody (anorganické) tedy zahrnuje elementární částice, atomy, molekuly (objekty mikrosvěta, makrotěla a objekty megasvěta: planety, galaxie, systémy metagalaxií atd.). Metagalaxie je často ztotožňována s celým Vesmírem, ale Vesmír je chápán v extrémně širokém slova smyslu, je totožný s celým hmotným světem a pohybující se hmotou, která může zahrnovat mnoho metagalaxií a dalších kosmických systémů.
Divoká zvěř je také strukturovaná. Rozlišuje úroveň biologickou a úroveň sociální. Biologická úroveň zahrnuje podúrovně:
Makromolekuly (nukleové kyseliny, DNA, RNA, proteiny);
Buněčná úroveň;
Mikroorganické (jednobuněčné organismy);
Orgány a tkáně těla jako celku;
Populace;
biocenotické;
Biosféra.
Hlavními pojmy této úrovně na posledních třech podúrovních jsou pojmy biotop, biocenóza, biosféra, které vyžadují vysvětlení.
Biotop je sbírka (společenství) stejného druhu (například smečka vlků), která se může křížit a produkovat svůj vlastní druh (populace).
Biocenóza je soubor populací organismů, ve kterých jsou odpadní produkty některých podmínek pro existenci jiných organismů obývajících oblast země nebo vody.
Biosféra je globální systém života, ta část geografického prostředí (spodní část atmosféry, horní část litosféry a hydrosféra), která je domovem živých organismů, poskytuje podmínky nezbytné pro jejich přežití (teplota, půda). atd.), vzniklé v důsledku interakčních biocenóz.
Obecný základ života na biologická úroveň- organický metabolismus (výměna hmoty, energie a informací s okolím) se projevuje na kterékoli z identifikovaných dílčích úrovní:
Na úrovni organismů metabolismus znamená asimilaci a disimilaci prostřednictvím intracelulárních přeměn;
Na úrovni ekosystémů (biocenóza) sestává z řetězce přeměny látky původně asimilované produkčními organismy přes konzumní organismy a ničitelské organismy patřící k různým druhům;
Na úrovni biosféry dochází ke globální cirkulaci hmoty a energie za přímé účasti faktorů v kosmickém měřítku.
V určité fázi vývoje biosféry vznikají zvláštní populace živých bytostí, které si díky své schopnosti pracovat vytvořily jedinečnou úroveň - sociální. Sociální činnost ve strukturálním aspektu je rozdělena do dílčích úrovní: jednotlivci, rodiny, různé týmy (průmyslové), sociální skupiny atd.
Strukturální úroveň sociální aktivity je mezi sebou v nejednoznačných lineárních vztazích (například úroveň národů a úroveň států). Prolínání různých úrovní ve společnosti vede k myšlence dominance náhody a chaosu ve společenské činnosti. Ale pečlivý rozbor odhaluje přítomnost základních struktur v něm – hlavních sfér společenského života, kterými jsou materiální a výrobní, sociální, politické, duchovní sféry, které mají své vlastní zákony a struktury. Všechny jsou v určitém smyslu podřízeny socioekonomické formaci, hluboce strukturované a určující genetickou jednotu. sociální rozvoj obvykle. Jakákoli ze tří oblastí materiální reality je tedy tvořena řadou specifických strukturálních úrovní, které jsou v přísném pořadí v rámci konkrétní oblasti reality. Přechod z jedné oblasti do druhé je spojen s komplikací a nárůstem počtu vytvořených faktorů, které zajišťují integritu systémů. Uvnitř každé ze strukturních úrovní existují vztahy podřízenosti (molekulární úroveň zahrnuje atomovou úroveň a ne naopak). Vzorce nových úrovní jsou neredukovatelné na vzorce úrovní, na jejichž základě vznikly, a vedou pro danou úroveň organizace hmoty. Strukturální organizace, tzn. systematičnost je způsob existence hmoty.
Závěr
V moderní vědě je široce používána metoda strukturální analýzy, která bere v úvahu systematickou povahu studovaných objektů. Koneckonců, struktura je vnitřní rozkouskování hmotné existence, způsob existence hmoty.
Strukturální úrovně organizace hmoty jsou budovány podle principu pyramidy: nejvyšší úrovně se skládají z velkého počtu nižších úrovní. Nižší úrovně jsou základem existence hmoty. Bez těchto úrovní je další stavba „pyramidy hmoty“ nemožná. Vyšší (komplexní) úrovně se formují evolucí – postupně přecházejí od jednoduchých ke komplexním. Strukturální úrovně hmoty jsou tvořeny z určitého souboru objektů jakéhokoli druhu a vyznačují se zvláštním způsobem interakce mezi jejich základními prvky.
Všechny předměty živé a neživé přírody mohou být reprezentovány ve formě určitých systémů, které mají specifické rysy a vlastnosti, které charakterizují jejich úroveň organizace. S přihlédnutím k úrovni organizace lze uvažovat o hierarchii struktur organizace hmotných předmětů živé a neživé povahy. Taková hierarchie struktur začíná elementárními částicemi, které představují počáteční úroveň organizace hmoty, a končí živými organizacemi a komunitami – nejvyššími úrovněmi organizace.
Pojem strukturních úrovní živé hmoty zahrnuje myšlenky systematičnosti a s tím spojenou organickou celistvost živých organismů. Historie teorie systémů však začala mechanistickým chápáním organizace živé hmoty, podle níž bylo vše vyšší redukováno na nižší: životní procesy - na soubor fyzikálních a chemických reakcí a organizace těla - na interakce molekul, buněk, tkání, orgánů atd.
Bibliografie
1. Danilová V.S. Základní pojmy moderní přírodní vědy: Proc. manuál pro univerzity. - M., 2000. - 256 s.
2. Naydysh V.M. Pojmy moderních přírodních věd: Učebnice. . Ed. 2., přepracovaný a doplňkové -M.;Alfa-M; INFRA-M, 2004. - 622 s.
3. Růžavín G.I. Pojmy moderních přírodních věd: Učebnice pro vysoké školy. - M., 2003. - 287 s.
