Шпаргалка по концепциям современного естествознания

Скорик А. В.

50. МОДЕЛЬ НЕСВОБОДНОЙ ЧАСТИЦЫ И ЗАКОНЫ ДИНАМИКИ

Открытие явления радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы не являются неделимыми простейшими частицами. Как было установлено, они состоят из электронов, протонов и нейтронов. В начале частицы, из которых построены атомы, считались неспособнымини к каким изменениям и превращениям. Поэтому их назвали элементарными частицами. Знакомство со свойствами этих трех частиц, наиболее распространенных в изученной части Вселенной, показало, что термин «элементарная частица» довольно условен.

Одна из этих частиц – нейтрон в свободном состоянии

существует в среднем лишь около 15 мин, а затем самопроизвольно распадается на протон, электрон и нейтрино. Однако считать протон, электрон и нейтрино «настоящими» элементарными частицами, а нейтрон «ненастоящей» нельзя, так как каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы. Полное число параметров, определяющих свойства частицы, довольно велико. Важнейшими из них являются масса частицы, ее электрический заряд, спин и время жизни. Спином называется величина, дающая количественную характеристику вращательного движения частицы. Спин частицы (механический момент) у различных частиц может иметь различные значения, но все частицы одного типа имеют абсолютно одинаковые спины.

Любой из электронов обладает механическим моментом, равным 0,50272 ? 10-34Дж|с. Эта величина точности равна ?h(h = 6,626 ? 10-31Дж/с – постоянная Планка). Величина h принята за единицу спина.

Существует четыре типа взаимодействия между элементарными частицами – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Гравитационные силы действуют между любыми частицами, электромагнитные – между заряженными. Примером сильного взаимодействия могут служить ядерные силы, связывающие в атомных ядрах протоны и нейтроны. Слабое взаимодействие обнаруживается в процессах, связанных с испусканием или поглощением нейтрино. В природе существует частица с массой, равной массе электрона, но заряженная положительно – позитрон. Электрон и позитрон, способные к совместному «рождению» в паре и к аннигиляции при встрече, назвали античастицами. Рождение электронно<позитронных пар и аннигиляция при встрече наглядно показывают, что две формы материи – вещество и поле – не являются резко разграниченными, возможны превращения материи из одной формы в другую. Античастица имеется у каждой элементарной частицы. Масса любой античастицы в точности равна массе соответствующей частицы, а электрический заряд равен по абсолютному значению заряду частицы и противоположен ему по знаку. Изучение свойств света показало, что он обладает сложной природой, сочетающей в себе волновые и корпускулярные свойства.

Полная энергия фотона (кванта света) может быть выражена через постоянную Планка и частоту электромагнитных колебаний: E = hv. С другой стороны, по закону взаимосвязи массы и энергии полная энергия фотона может быть выражена через его массу и скорость света: E = mc2. Из этих двух соотношений получаем:

v = mc2/h, ? = c/v = h/mc т. е. длина световой волны равна постоянной Планка, деленной на импульс фотона. Длина волны любого тела массой m, движущегося со скоростью v, определяется соотношением:

?= h/mv

51. СОХРАНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИ

Пусть на тело массой действует постоянная сила и векторы силы и перемещения направлены вдоль одной прямой в одну сторону. Работа силы в этом случае определяется как: A = Fs. Модуль силы по второму закону движения равен F = ma, а модуль перемещения при равноускоренном прямолинейном движении связан с модулями начальной и конечной скорости и ускорения выражением

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела.

Выражение для работы можно записать в виде:

A = Ek2 – Ek1. Работа равнодействующих сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии тела. Если начальная скорость движения тела равна нулю и тело увеличивает свою скорость до значения v, то работа силы равна конечному значению кинетической энергии тела:

Ek = mv2/2

При перемещении тела массой m вертикально вниз с высоты над поверхностью Земли до высоты под действием силы тяжести Fm = mg совершается работа A = Fs = mg(h1 – h2) При перемещении тела массой m вниз по наклонной плоскости сила тяжести совершает работу

A = mgs cos? = mgh

где h – высота наклонной плоскости, s – модуль перемещения, равный длине наклонной плоскости. Работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела и всегда равна произведению модуля силы тяжести на разность высот в начальном и конечном положениях A = – (mgh 2 – mgh1). Физическую величину, равную произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией тела Ep = mgh. Тело массой m, находящееся на глубине h от поверхности Земли, обладает отрицательной потенциальной энергией: Ep = – mgh. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятого с противоположным знаком: A = – (Ep2 – Ep1). Работа силы тяжести на замкнутой траектории равна нулю.

Потенциальная энергия характеризует взаимодействующие тела, а кинетическая – движущиеся тела.

И потенциальная, и кинетическая энергии изменяются в результате такого взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля. Если несколько тел взаимодействуют между собой силами тяготения и упругости и никакие внешние силы на них не действую, то работа сил упругости или сил тяготения равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком: A = – (Ep2 – Ep1). Вместе с тем работа тех же сил равна изменению кинетической энергии: A = Ek2 – Ek1. Из сравнения равенств находим: Ek1 + Ep2 = Ek2 + Ep2.

Закон сохранения энергии в механических процессах: сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и упругости, остается постоянной. Сумма кинетической и потенциальной энергии тел называется полной механической энергией. Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной. При любых взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую

52. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Все многообразие окружающей природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов.

Современное представление об элементах сформировалось после открытия Д. И. Менделеевым периодического закона.

Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядра (заряд ядра равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева).

Разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся массой атомов, называются изотопами. Ядра атомов изотопов различаются числом нейтронов. Так, изотопами углерода являются 126C,136C,146C, водорода – 11H (протий), 21H= D (дейтерий) и 31H = T(тритий).