Концепции современного естествознания

энергией).

Поглощение света — процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет,

переходит из низших энергетических состояний в высшие. При этом он

поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из

высших энергетических состояний в низшие. На рисунке 168, б стрелками

изображены переходы атома из одних состояний в другие с поглощением света.

На основе двух постулатов и правила квантования Бор определил радиус

атома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволило

вычислить частоты излучаемых и поглощаемых атомом электромагнитных волн.

Квантовая механика

Наибольший успех теория Бора имела применительно к атому водорода, .для

которого оказалось возможным построить количественную теорию спектра.

Однако построить количественную теорию для следующего за водородом

атома гелия на основе боровских представлений не удалось. Относительно

атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволяла делать лишь

качественные (хотя и очень важные) заключения.

Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. С одной

стороны, при построении теории атома водорода использовались обычные законы

механики Ньютона и давно известный закон Кулона, а с другой — вводились

квантовые постулаты, никак не связанные с механикой Ньютона и

электродинамикой Максвелла. Введение в физику квантовых представлений

требовало радикальной перестройки как механики, так и электродинамики. Эта

перестройка была осуществлена в начале второй четверти нашего века, когда

были созданы новые физические теории: квантовая механика и квантовая

электродинамика.

Постулаты Бора оказались совершенно правильными. Но они выступали уже

не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий. Правило

же квантования Бора, как выяснилось, применимо далеко не всегда.

Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в

атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электрона в

атоме имеет очень мало общего с движением планет по орбитам. Если бы атом

водорода в наинизшем энергетическом состоянии можно было бы

сфотографировать с большой выдержкой, то мы увидели бы облако с переменной

плотностью. Большую часть времени электрон проводит на определенном

расстоянии от ядра.

В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на любой

вопрос, относящийся к строению и свойствам электронных оболочек атомов. Но

количественная теория оказывается весьма сложной, и мы ее касаться не

будем. С качественным описанием электронных оболочек атомов вы знакомились

в курсе химии.

Лазеры

В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого

индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным

излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего

на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что

возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от

волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома

из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как

при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.

Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность

использования явления вынужденного излучения для усиления

электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М.

Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали

явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора

радиоволн с длиной волны ==1,27 см. За разработку нового принципа

генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была в 1959

г. присуждена Ленинская премия. В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и

Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.

В 1960 г. в CШA был создан первый лазер — квантовый генератор

электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по

сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом

расхождения (около 10~5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает

пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от

обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от

друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не

испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком

интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени

продолжительностью порядка 10~13 с) у некоторых типов лазеров достигается

мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца

равна только 7-103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру. На узкий же

интервал =10~6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у

Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Напряженность электрического поля в

электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля

внутри атома. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем

энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не

светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия

поглощается. За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается,

т. е. переходит в высшее энергетическое состояние.

Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями

атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная

лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света.

Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным

ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа

невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает

индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.

В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ. Атомы

рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.

Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия. Они

созданы впервые в нашей стране. В них энергия для излучения заимствуется от

электрического тока.

Созданы очень мощные газодинамические лазеры непрерывного действия на

сотни киловатт. В этих лазерах “перенаселенность” верхних энергетических

уровней создается при расширении и адиабатном охлаждении сверхзвуковых

газовых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвин.

Элементарные частицы

Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее

частицы атомами (слово атом, напомним, означает “неделимый”), то ему,

вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Различные

предметы, растения, животные построены из неделимых, неизменных частиц.

Превращения, наблюдаемые в мире,— это простая перестановка атомов. Все в

мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются

неизменными.

Но в конце XIX века было открыто сложное строение атомов и был выделен

электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, были открыты

протон и нейтрон — частицы, входящие в состав атомного ядра. Поначалу на

все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их

считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными

кирпичиками мироздания.

Ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного

сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове

элементарная заключается двоякий смысл.

С одной стороны, элементарный — это само собой разумеющийся,

простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто

фундаментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас и

называют субатомные частицы элементарными).

Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменным

атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не

бессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не могут

прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо

воздействия извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного

ядра) живет в среднем 15 мин.

Лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность,

если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено

электрического заряда и его масса покоя, по-видимому, равна нулю).

Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья — позитроны и

антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное уничтожение

этих частиц и образование новых.

Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10~8 с. Это то

время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться

бумагой. Лишь нейтрино почти бессмертны из-за того, что они чрезвычайно

слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при

столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне

редко.

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные

превращения — главный факт их существования. Превращения элементарных

частиц ученые наблюдали при столкновениях частиц высоких энергий.

Представления о неизменности элементарных частиц оказались

несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные

частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам.

Вот что заставляет так думать. Пусть у нас возникло естественное

желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других

субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться

расчленить электрон? Можно придумать только один способ. Это тот же способ,

к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри

пластмассовой игрушки,— сильный удар.

По современным представлениям элементарные частицы — это первичные,

неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако

неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует

внутренняя структура.

В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас

элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для сомнений

простое: этих частиц очень много.

Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас

составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому

очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфы стали

следовать буквально друг за другом.

Была открыта группа так называемых “странных” частиц: К-ме-зонов и

гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним

прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных

“очарованными”. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем

жизни порядка 10~22—10~23 с. Эти частицы были названы резо-нансами, и их

число перевалило за двести.

Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манноном и Дж. Цвейгом была предложена

модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных)

взаимодействиях—адроны, построены из более фундаментальных (или первичных)

частиц — кварков.

Кварки имеют дробный электрический заряд. Протоны и нейтроны состоят из

трех кварков. В настоящее время в реальности кварков никто не сомневается,

хотя в свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут

обнаружены никогда. Существование кварков доказывают опыты по рассеянию

электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах. Число различных

кварков равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутренней

структуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными.

Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются

лептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три сорта нейтрино и еще

две частицы — мюон и тау-лептон с массами, значительно большими массы

электрона).

Существование двойника электрона — позитрона — было предсказано

теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г. Одновременно Дирак

предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны

исчезнуть, породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратный

процесс — рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении

фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше суммы масс

покоя рождающихся частиц) с ядром.

Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона,

помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека частицы

указывало знак ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы было

определено отношение ее заряда к массе. Оно оказалось по модулю таким же,

как и у электрона. На рисунке 190 вы видите первую фотографию, доказавшую

существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и, пройдя свинцовую

пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории

увеличилась.

Процесс рождения пары электрон — позитрон у-квантом в свинцовой

пластинке виден на фотографии, приведенной на рисунке 191. В камере

Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерный след в

виде двурогой вилки.

Энергия покоя — самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии

во Вселенной. И только при аннигиляции она полностью высвобождается,

превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество — самый совершенный

источник энергии, самое калорийное “горючее”. В состоянии ли будет

человечество когда-либо это “горючее” использовать, трудно сейчас сказать.

Обнаружены сравнительно недавно антипротон и -антинейтрон.

Электрический заряд антипротона отрицателен. Сейчас хорошо известно, что

рождение пар частица — античастица и их аннигиляция не составляют монополии

электронов и позитронов.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка — из

позитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервые

получен антигелий.

Заключение

Открытие сложного строения атома — важнейший этап становления

современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В

процессе создания количественной теории строения атома, позволившей

объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения

микрочастиц—законы квантовой механики. Элементарные частицы—это первичные,

неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Элементарные

частицы не остаются неизменными. Все элементарные частицы способны

превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их

существования. ольшинство элементарных частиц нестабильны и самопроизвольно

превращаются с течением времени в другие частицы; сключение составляют

фотон, электрон, протон и нейтрино. Все частицы имеют двойников —

античастицы. Например, по отношению к электрону античастицей является

позитрон. Частица и античастица имеют одинаковые массы, а их заряды

противоположны по знаку. При столкновении частицы с античастицей они

исчезают (аннигилируют), превращаясь в другие частицы. Аннигиляция

позитрона и электрона сопровождается рождением двух (или трех) гамма-

квантов.

Происхождение жизни на Земле

Введение

Происхождение жизни на Земле явилось третьим значительным этапом в ряду

происхождения нашей вселенной и происхождения Земли.

Существовало масса теорий и гипотез о возникновении жизни на Земле.

Среди них миф о «творческом акте сотворения мира Богом», описанный в

Библии, гипотезы Аристотеля, Эпикура и Демокрита.

Исследования Луи Пастера в 19-м веке окончательно подтвердили

ошибочность представлений происхождения жизни как о спонтанном

самозарождении. Правда, они не дали окончательных выводов о происхождении

жизни.

И только 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества

ученый А. И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения

жизни. Его доклад «О возникновении жизни» стал исходной точкой нового

взгляда на вечную проблему нашего появления на Земле. Необходимо

подчеркнуть, что независимо от Опарина к таким же выводам пришел английский

ученый Дж. Холдейн.

Общим во взглядах Опарина и Холдейна было объяснение возникновения

жизни в результате химической эволюции. Оба они подчеркивали огромную роль

первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой

образовался «первичный бульон».

Условия появление жизни

Зарождение жизни не произошло само по себе, а совершилось благодаря

определенным внешним условиям, сложившимся к тому времени. Главное условие

возникновения жизни связано с массой и размерами нашей планеты. Доказано,

что если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются

интенсивные ядерные реакции.

Следующим важным условием возникновения жизни являлось наличие воды.

Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими

термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой

теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как

растворителя и др.

Третьим элементом явился углерод, который присутствовал на Земле в виде

графита и карбидов. Из карбидов при их взаимодействии с водой

образовывались углеводороды.

Четвертым необходимым условием являлась внешняя энергия. Такая энергия

на земной поверхности имелась в нескольких формах: лучистая энергия Солнца,

в частности ультрафиолетовый свет, электрические разряды в атмосфере и

энергия атомного распада природных радиоактивных веществ.

Появление живых существ

Когда на Земле возникли вещества подобные белкам, начался новый этап в

развитии материи — переход от органических соединений к живым существам.

Первоначально, органические вещества находились в морях и океанах в виде

растворов. В них не было какого-либо строения, какой-либо структуры. Но

когда подобные органические соединения смешивались между собой, из

растворов выделялись особые полужидкие, студенистые образования —

коацерваты. В них концентрировались все находящиеся в растворе белковые

вещества.

Хотя коацерватные капельки были жидкие, они обладали определенным

внутренним строением. Частицы вещества в них были расположены не

беспорядочно, как в растворе, а с определенной закономерностью. При

образовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, еще очень

примитивной и неустойчивой. Для самой капельки эта организация имела

большое значение. Любая коацерватная капелька была способна улавливать из

раствора, в котором плавает, те или иные вещества. Они химически

присоединялись к веществам самой капельки. Таким образом, в ней протекал

процесс созидания и роста. Но в любой капельке наряду с созиданием

существовал и распад. Тот или иной из этих процессов, в зависимости от

состава и внутреннего строения капельки, начинал преобладать.

В результате, в каком-нибудь месте первичного океана смешались растворы

белково-подобных веществ и образовались коацерватные капельки. Они плавали

не в чистой воде, а в растворе разнообразных веществ. Капельки улавливали

эти вещества и росли за их счет. Скорость роста отдельных капелек была

неодинакова. Она зависела от внутреннего строения каждой из них.

Если в капельке преобладали процессы разложения, то она распадалась.

Вещества, ее составляющие, переходили в раствор и поглощались другими

капельками. Более или менее длительно существовали лишь те капельки, в

которых процессы созидания преобладали над процессами распада.

Таким образом, все случайно возникающие формы организации сами собой

выпадали из процесса дальнейшей эволюции материи.

Каждая отдельная капелька не могла расти беспредельно как одна сплошная

масса — она распадалась на дочерние капельки. Но каждая капелька в то же

время была чем-то отлична от других и, отделившись, росла и изменялась

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7