Контрольная работа по «Концепция современного естествознания»

     В науке же главное - элиминировать, устранить все единичное, индивидуальное, неповторимое и удержать общее в форме понятий, категорий. Форма всеобщности в мире - это закон. Поэтому научное познание - это познание законов мира.

     Вместе  с тем, возникновение науки и  ее развитие есть неотъемлемая часть истории человечества. На выбор предмета научного исследования, на характер использования ее результатов оказывают влияние многие общественные факторы, в том числе и духовная культура, просвещение.

     Наука имеет свои корни в искусстве  и искусство, в свою очередь, питает науку информацией. В сущности, все современные знания об окружающем мире, овладеть которыми задался целью будущий эрудит, так или иначе связаны с уходящими в глубокую древность образами и представлениями. Они помогают найти объяснение тех или иных «загадочных» явлений природы, проследить путь человека от незнания к знанию. Эволюция взглядов на окружающий мир, скажем, шумеров, вавилонян, ассирийцев, населявших в древности долины Тигра и Евфрата, прослеживается в изобразительном искусстве до середины шестого тысячелетия до н. э. В ту далекую историческую пору сознание людей весьма тесно было связано с мифическими образами, последние выступали как бы ключом к разгадке и толкованию многих явлений действительности.

     Первые  шаги научного объяснения мира зарождались в рамках других форм общественного сознания, например, религии. Но научное знание коренным образом отличается от веры, то есть от слепого принятия за истину того, что в принципе не поддается никакой практической проверке и логическому доказательству. Вера (слепая) в бога, в чудеса, в сверхъестественное, вера как предрассудок, как суеверие, как вера в приметы и в сны ничем не доказывается. Она только внушается.

     Если  наука делает человека могущественным перед силами природы, то религия, вера, наоборот, дезориентирует человека, вселяет в него беспомощное чувство обреченности. В противоположность вере, научные знания есть верное, практически обоснованное, логически доказательное отражение действительности. Вот почему аргументированный результат научного познания выступает как нечто всеобщее и приобретает убедительную силу для людей, обладающих необходимой культурой мышления. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

68 вопрос. Основная  концепция микромира  – корпускулярно-волновой  дуализм микрочастиц.  Волновой характер движения микрочастиц. Гипотеза Л. Де Бройля (1924г.). Формула Л. Де Бройля. Волны Л. Де Бройля. Экспериментальное подтверждение гипотезы Л. Де Бройля. Отличие микрочастицы от волны и от макротела. Возможно ли распространение корпускулярно-волнового дуализма на макрообъекты? 

    Корпускулярно-волновой дуализм.

    В 1900 г. М. Планк показал, что энергия  излучения или поглощения электромагнитных волн не может иметь произвольные значения, а кратна энергии кванта, т.е. волновой процесс приобретает  окраску дискретности. Идея Планка о дискретной природе света получили свое подтверждение в области фотоэффекта. Де Бройль открыл примерно в это же время у частиц волновые свойства (дифракция электрона).

    Таким образом, частицы неотделимы от создаваемых  ими полей и каждое поле вносит свой вклад в структуру частиц, обуславливая их свойства. В этой неразрывной связи частиц и полей можно видеть одно из наиболее важных проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи.

    Для характеристики прерывного и непрерывного в структуре материи следует также упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц и фотонов. Единство корпускулярных и волновых свойств материальных объектов представляет собой одно из фундаментальных противоречий современной физики и конкретизируется в процессе дальнейшего познания микроявлений. Изучение процессов макромира показали, что прерывность и непрерывность существуют в виде единого взаимосвязанного процесса. При определенных условиях макромира микрообъект может трансформироваться в частицу или поле и проявлять соответствующие им свойства.

    Поведение потока частиц - электронов, атомов, молекул - при встрече с препятствиями  или отверстиями атомных размеров подчиняется волновым законам: наблюдаются  явления дифракции, интерференции, отражения, преломления и т.п. Луи де Бройль предположил, что электрон - это волна определенной длинны.

    Дифракция подтверждает волновую гипотезу, отсутствие увеличения энергии вырабатываемых светом частиц - квантовую. Это и  получило название корпускулярно - волнового дуализма. Как же описывать процессы в микромире, если «нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий - волновую или квантовую».

    Развитие  представлений о корпускулярно-волновых свойствах материи получило в гипотезе о волновом характере движения микрочастиц. Луи де Бройль из идеи симметрии в природе для частиц вещества и света приписал любой микрочастице некий внутренний периодический процесс. Объединив формулы E = hν и E = mc2, он получил соотношение, показывающее, что любой частице соответствует своя длина волны: λБ= h/mv = h/p, где p- импульс волны-частицы. К примеру, для электрона, имеющего энергию 10 эВ, длина волны де Бройля составляет 0,388 нм.

    Гипотеза  де Бройля:

    Каждой материальной частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы: λ, = h/p, где h - постоянная Планка, р - импульс частицы, равный произведению ее массы на скорость.

    В дальнейшем было показано, что состояние микрочастицы в квантовой механике может быть описано определенной комплексной волновой функцией координат Ψ(q), причем квадрат модуля этой функции |Ψ|^2 определяет распределение вероятностей значений координат. Эта функция была впервые введена в квантовую механику Шредингером в 1926 г. Таким образом, волна де Бройля не несет энергию, а только отображает “распределение фаз” некоего вероятностного периодического процесса в пространстве. Следовательно, описание состояния объектов микромира носит вероятностный характер, в отличие от объектов макромира, которые описываются законами классической механики.

    Для доказательства идеи де Бройля о волновой природе микрочастиц немецкий физик  Эльзассер предложил использовать кристаллы для наблюдения дифракции электронов. В США К. Дэвиссон и Л. Джермер обнаружили явление дифракции при прохождении пучка электронов через пластинку из кристалла никеля. Независимо от них дифракцию электронов при прохождении через металлическую фольгу открыли Дж. П. Томсон в Англии и П.С. Тартаковский в СССР. Так идея де Бройля о волновых свойствах вещества нашла экспериментальное подтверждение. Впоследствии дифракционные, а значит волновые, свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков. Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.

    Волны Л. де Бройля и их свойства.

    Представления А. Эйнштейна о квантах света, послужившие в 1913 г. отправным пунктом  теории Н. Бора, через 10 лет снова  оказали плодотворное воздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о «волнах материи» и тем самым заложили основу новой стадии развития квинтовой теории. Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия и импульс, а с другой - волновые характеристики - частота и длина волны. Эта формула справедлива для любой частицы с импульсом р. Впоследствии дифракционные явления были обнаружены для нейтронов, атомных и молекулярных пучков. Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать их движение в виде волнового процесса, характеризующегося определенной длиной волны, рассчитываемой формуле де Бройля. Наличие волновых свойств микрочастиц - универсальное явление, общее свойство материи. Но волновые свойства макроскопических тел не обнаружены экспериментально, поэтому макроскопические тела проявляют только одну сторону своих свойств - корпускулярную. К этому времени представления о дискретной природе излучения и существовании фотонов уже достаточно укрепились, поэтому для полного описания свойств излучения надо было поочередно представлять его то, как частицу, то, как волну. А поскольку Эйнштейн уже показал, что дуализм излучения связан с существованием квантов, то естественно было поставить вопрос о возможности обнаружения подобного дуализма и в поведении электрона (и вообще материальных частиц). Гипотеза де Бройля о волнах материи получила подтверждение обнаруженным в 1927 г. явлением дифракции электронов: оказалось, что пучок электронов дает дифракционную картину. (Позже будет обнаружена дифракция и у молекул.) Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, Э.Шредингер в 1926 г. вывел основное уравнение механики (которую он назвал волновой), позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Уравнение содержало так называемую волновую функцию (пси-функцию), описывающую волну (в абстрактном, конфигурационном пространстве). Шредингер дал общее правило преобразования данных классических уравнений в волновые, которые относятся к многомерному конфигурационному пространству, а не реальному трехмерному. Пси-функция определяла плотность вероятности нахождения частицы в данной точке. В рамках волновой механики атом можно было представить в виде ядра, окруженного своеобразным облаком вероятности. С помощью пси-функции определяется вероятность присутствия электрона в определенной области пространства. Английский физик П. Дирак обобщил его. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира. Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну символическое значение как «волны вероятности». Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств. Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. Квантовомеханическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н. Бора. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и, в принципе, не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». С теоретической точки зрения, микрообъекты, для которых существенным является квант действия М. Планка, не могут, рассматриваться так же, как объекты макромира, ведь для них планковская константа h из-за ее малой величины не имеет, значения. В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе «картины» законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т. е. быть комплементарными. Только при учете, обоих аспектов можно получить общую картину микромира. Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся «виртуальных» частиц. Например, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции (лат. annihilatio - уничтожение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова. Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы. Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро - и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной, в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно, потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры материального мира. После создания квантовой механики возникли новые проблемы, в частности проблема, связанная с пониманием физической природы волн де Бройля. Дифракционная картина для микрочастиц - это проявление статистической (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интенсивность волн де Бройля наибольшая. Необходимость вероятностного подхода к описании микрочастиц - важная отличительная особенность квантовой теории. Борн в 1926 предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченно объеме. В квантовой механике состояния микрочастиц описывается с помощью волновой функции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах. Согласно двойственный корпускулярно-волновой природе частиц вещества, для описания свойств микрочастиц используются либо волновые, либо корпускулярные представления. Приписать им все свойства частиц и все свойства волн нельзя. Возникает необходимость введения некоторых ограничений в применении к объектам микромира понятий классической механики.

    Экспериментальные проявления корпускулярно-волнового  дуализма.

    Дифракция электронов. В начале 1927 г. Ч. Дэвиссон и Л. Джермер убедительно подтвердили  волновую природу электронов. Пучок электронов ускорялся в электрическом поле, проходя разность потенциалов U. При этом электроны приобретали кинетическую энергию mv2/2 = eU, т.е. импульс p = mv = (2meU)1/2. Затем пучок электронов направлялся на мишень, состоявшую из сравнительно крупных кристаллов никеля. Подвижный детектор измерял количество электронов, рассеянных под разными углами. Возникшая картина полностью соответствовала картине рассеяния рентгеновских лучей на кристалле. Пользуясь условием Брэгга, Дэвиссон и Джермер определили длину волны электронов l = h/p и сравнили с вычислениями, основанными на гипотезе де Бройля, получив прекрасное согласие.

    Вывод: при определенных условиях электрон и другие микрочастицы проявляют  волновые свойства.

    Опыт: Нить накала электронной пушки, нагреваемая током от источника напряжения накала U нагревает катод K, который испускает электроны. Последние разгоняются ускоряющим напряжением Uуск и выходят из отверстия в аноде, приобретая определённую скорость. С помощью делителя напряжения (потенциометра) можно изменять ускоряющее напряжение и сообщать различные скорости выходящим из пушки электронам. Они падают на поверхность кристалла и, вообще говоря, отражаются от него. Отражённые электроны улавливаются цилиндром Фарадея (металлической полостью). Об интенсивности отражённого электронного луча можно судить по силе тока I, созданного отражёнными электронами и измеряемого гальванометром G. Электронная пушка, кристалл и цилиндр Фарадея находятся в вакууме.

    При неизменном фиксированном угле падения электронного луча на кристалл непрерывно изменялось ускоряющее напряжение, и при этом регистрировались показания гальванометра. Кривая зависимости I от vUуск имеет несколько максимумов, равноотстоящих друг от друга.

    Результаты  опытов Девиссона и Джермера можно объяснить, если привлечь идею де Бройля о волновых свойствах электронов. Выразим скорость электрона через ускоряющее напряжение по формуле: 

    х = 2 (e/m)Uуск.

    Теперь  можно найти импульс и вычислить  дебройлевскую длину волны:

    л = h/ mх = h/ m v2 (e/m) Uуск = h v2em Uуск.

    Таким образом, идея де Бройля о волновых свойствах частиц и количественное выражение этой идеи - формула де Бройля - получили блестящее опытное  подтверждение. Итак, наличие волновых свойств у движущихся частиц представляет собой универсальное явление, не связанное с какой - либо спецификой частицы. Естественно, возникает вопрос о том, почему волновые свойства не обнаруживаются у макроскопических тел, например у летящей пули. Ответ на этот вопрос связан с особенностью формулы де Бройля и всех других формул квантовой физики, содержащих постоянную Планка. Если в формулах квантовой физики нельзя пренебречь постоянной h, мы всегда будем получать неклассические результаты. Наоборот, если в формулах можно считать, что h 0, то результаты квантовой физики совпадают с классическими. В частности, для тел, масса которых несоизмеримо велика по сравнению с массой атомов и молекул, принято, что h 0 и никаких волновых свойств у таких тел не обнаружится (л 0). Например, в случае с пулей массой m=10П3 кг при скорости х = 102 м/с. Легко сообразить, что такая длина волны никаким дифракционным опытом не может быть обнаружена. Поэтому можно считать, что волновые свойства у макроскопических тел практически отсутствуют.

    Вторым  независимым от формулы де Бройля соотношением, углубляющим представления о корпускулярно-волновой двойственности свойств частиц вещества, является перенесённая на эти частицы связь между энергией W свободной частицы и частотой х волн де Бройля:

    W = hх = hщ

    где h = h/ (2р), щ-циклическая частота. Она заимствуется из оптики, где в аналогичной форме связаны энергия фотона и частота света. Таким образом, соотношение между частотой и энергией фотона приобретает в современной физике характер универсального соотношения, справедливого для любых объектов, изучаемых в квантовой или волновой механике - разделе современной физики, в котором изучаются законы движения частиц в области микромира. Объектами изучения квантовой механики являются атомы, молекулы, кристаллы, а также атомные ядра и «элементарные» частицы.

    Соотношение в отличие от формулы де Бройля не являлось объектом экспериментальной  проверки. Его справедливость вытекает из согласия с опытом тех теоретических  результатов, которые были получены с его помощью в квантовой  механике, атомной и ядерной физике.

    Отличие микрочастицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое (волну можно разделить, например, направив на полупрозрачное зеркало). Отличие микрочастицы от макротела состоит в том, что она не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, к ней неприменимо понятие траектории. Для микрочастицы ограничено применение классических параметров механического состояния – координаты и импульса.

    Принципиальное  отличие микрообъектов от макрообъектов заключается в наличии у первых корпускулярно-волновых свойств, но объединение таких противоречивых свойств у макрообъектов начисто отвергается классической физикой. Хотя классическая физика и признает существование вещества и поля, но отрицает существование объектов, обладающих корпускулярными свойствами, присущими веществу, и одновременно волновыми свойствами, которые характерны для физических полей (акустических, оптических или электромагнитных). Поэтом можно сделать вывод, что распространение корпускулярно-волнового дуализма на макрообъекты не возможно. 
 
 
 
 
 
 

    135 вопрос. Популяционно-видовой уровень организации живого. Основная элементарная структура этого уровня и его элементарное явление. Ввести понятие «популяция». Характеристика популяции. Вид и его характеристика. Системы популяций – биогеоценозы.