Естествознание

Все описанные стадии изучения природы  по существу представляют звенья одной  цепи. Каждый из разделов естествознания прощел через эти стадии. Рассмотрев в следующей части  коротко историю развития физики мы видим, что она тоже прошла все описанные стадии. Отличие имеется лишь в том, что описание этапов развития физики мы будем давать с точки зрения развития методов подхода к изучаемым явлениям. В физике сейчас также наступает интеграционная стадия, характеризуемая тем, что проводятся попытки создать единые теории, объединяющие различные разделы. Примером тому может служить попытка создать единую теорию поля.

Рассмотрим главные разделы  естествознания и связь между  ними. Мы уже говорили о движении материи. В порядке возрастания сложности мы приводили следующие формы движения: механическую, физическую, химическую, биологическую, общественную. Все формы движения связаны между собой. Высшие содержат в себе низшие, составными части, но ни в коем случае не сводятся только к ним. Например, нельзя ядерные силы свести к механическим. Различные виды движений, существующих в природе изучают различные разделы естествознания: ФИЗИКА, ХИМИЯ, БИОЛОГИЯ, ПСИХОЛОГИЯ и другие разделы.

В каждом из разделов естествознания имеются свои законы, которые не могут быть сведены к законам других  разделов, однако, теории, описывающие сложные структуры, опираются на теории и законы для простых структур. При этом, как правило, по мере усложнения структур и разделов естествознания их законы становятся менее точными, формулировки приближаются к качественным. Чем ниже уровень раздела естествознания, тем сложнее и точнее математические формулировки его законов. Наиболее сложны для понимания законы физики - фундаменте всех естественных наук.

Химия испытывает на себе влияние  физики, пожалуй сильнее, чем любая  другая наука. На заре своего развития  она играла важную роль в становлении  физики. Эти науки взаимодействовали  очень сильно, они были практически  неразделимы. Теория атомного строения вещества получила основательное подтверждение именно в химических опытах. Под теорией неорганической химии подвел черту Д.И.Менделеев (1834-1907), создав свою периодическую систему химических элементов. Эта система выявила немало удивительных связей между различными элементами. Она предсказала существование многих тогда еще неизвестных химических элементов. Однако,  объяснение системы Менделеева возможно только с опорой на теорию строения атома, т.е. на физическую теорию. В настоящее время в неорганической химии остались  два раздела: физическая химия и квантовая химия. Сами названия этих разделов говорят о тесной связи с физикой.

Другая ветвь химии - органическая химия, химия веществ, связанных  с жизненными процессами. Одно время  предполагали, что органические вещества столь сложны, что их нельзя синтезировать. Однако, развитие физики и неорганической химии изменило ситуацию. В настоящее время научились синтезировать сложные органические соединения, необходимые в жизненных процессах.  Главной задачей органической химии является анализ и синтез веществ, образующихся в биологических системах, живых организмах.  Отсюда вытекает тесная связь химии и физики с другим разделом естествознания, с биологией.

Изучение живых организмов позволяет  увидеть множество чисто физических явлений: циркуляцию и гидродинамику протекания крови, давление в сосудах и т.д. Биология - очень широкое поле деятельности для приложения физических и химических теорий. Например, как осуществляется зрение, что происходит в глазе. Как квант света взаимодействует с сетчаткой. Однако, эти вопросы не основные в биологии, не они лежат в сущности всего живого. Фундаментальные процессы, изучаемые в биологии лежат глубже, в понимании функционирования клеток, их биохимических циклов. В конечном итоге, в понимании того, что есть жизнь. Понятие жизни не удается свести только к химическим или физическим процессам.

Психология изучает отражение  действительности в процессах деятельности человека и животных. Эта наука  лежит на грани естественных и общественных наук. Казалось бы, какая связь может быть у нее с физикой. Давайте рассмотрим пару примеров. Одной из ветвью психологии является физиология ощущений. Она рассматривает взаимосвязь между поведением человека и его ощущениями. Почему красный цвет вызывает тревожные ощущения, а зеленый наоборот. Недаром запрещающий цвет светофора - красный, а разрешающий - зеленый. Ответ может дать физика. Днем максимум излучения солнца приходится на зеленый цвет. День - самое безопасное время суток, и в процессе эволюции у живых организмов выработалась положительная реакция на зеленый цвет. В сумерках максимум излучения солнца сдвинут в красную область. Сумерки - самое опасное время суток, когда хищные животные выходят на охоту. Естественно, что в процессе эволюции выработалось отрицательная реакция на этот цвет.

В настоящем реферате мы рассмотрим:

• квантовую физику – из раздела «Физика»;
• происхождение жизни на земле – из раздела «Биология»
• более подробно остановимся на поведении нашей ближайшей звезды – Солнце.

Квантовая физика как новый этап познания природы

Величайшая революция в физике совпала с началом XX века. Попытки  объяснить наблюдаемые на опытах  закономерности распределения энергии  в спектрах теплового излучения (электромагнитного излучения нагретого  тела) оказались несостоятельными. Многократно проверенные законы электромагнетизма Максвелла неожиданно “забастовали”, когда их попытались применить к проблеме излучения веществом коротких электромагнитных волн. И это тем более удивительно, что эти законы превосходно описывают излучение радиоволн антенной и что в свое время само существование электромагнитных волн было предсказано на основе этих законов.

Возникновение квантовой теории

Электродинамика    Максвелла  приводила к бессмысленному выводу, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Согласно классической теории тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт показывает, что ничего подобного в действительности нет. Нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнитных волн.

В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытом немецкий физик Макс П л а н к предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте v излучения:

E=hv.

Коэффициент пропорциональности h получил  название постоянной Планка.

Предположение Планка фактически означало, что законы классической физики неприменимы к явлениям микромира.

Построенная Планком теория теплового  излучения превосходно согласовалась  с экспериментом. По известному из опыта  распределению энергии по частотам было определено значение постоянной Планка. Оно оказалось очень малым:   =6,63.10-34 Дж.с.

После открытия Планка начала развиваться  новая, самая современная и глубокая физическая теория — квантовая теория. Развитие ее не завершено и по сей  день.

Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась

теория теплового излучения. Но этот успех был получен ценой отказа от законов классической физики применительно к микроскопическим системам и излучению.

Световые кванты

Квантовым законам подчиняется  поведение всех микрочастиц. Но впервые  квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света.

В развитии представлений о природе  света важный шаг был сделан при  изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательно  исследованного выдающимся русским  физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Явление это получило название фотоэффекта.

Фотоэффектом называют вырывание  электронов из вещества под действием  света.

Свет вырывает электроны с поверхности  пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном же заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не изменяется.

Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе несложный факт нельзя объяснить на основе волновой теории света. Непонятно, почему световые волны малой частоты не могут вырывать электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, велика сила, действующая на электроны.

При изменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающее напряжение, как показали опыты, не меняется. Это означает, что не меняется кинетическая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со стороны электромагнитного поля световой волны и тем большая энергия, казалось бы, должна передаваться электронам.

На опытах было обнаружено, что  кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты Vmin, то фотоэффект не происходит.

Законы фотоэффекта просты по форме. Но зависимость кинетической энергии  электронов от частоты выглядит загадочно.

Все попытки объяснить явление  фотоэффекта на основе законов электродинамики  Максвелла, согласно которым свет—это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает электроны.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.

Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:

E=hv,           где h — постоянная Планка.

Из того что свет, как показал  Планк, излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура  самого света. Ведь и минеральную  воду продают в бутылках, но отсюда совсем не следует, что вода имеет прерывистую структуру и состоит из неделимых частей. Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии E=hv сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.

Кинетическую энергию фотоэлектрона  можно найти, применив закон сохранения энергии.Это уравнение объясняет  основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну,   пропорциональна   числу квантов (порций) энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов согласно  определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от рода металла и состояния его поверхности. От интенсивности света она не зависит.

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается  лишь в том случае, если частота v света больше минимального значения      Ведь чтобы вырвать электрон из металла  даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы. Предельную частоту,    называют красной границей фотоэффекта.

Для цинка красной границе соответствует  длина волны м (ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется  опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи.

Работа выхода у алюминия или  железа больше, чем у цинка. Поэтому  в опыте использовалась цинковая пластина. У щелочных металлов работа выхода, напротив, меньше, а длина волны, соответствующая красной границе, больше.

Пользуясь уравнением Эйнштейна можно  найти постоянную Планка h. Для этого  нужно экспериментально определить частоту света v, работу выхода А  и измерить кинетическую энергию  фотоэлектронов. Точно такое же значение было найдено Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления — теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных различными методами, подтверждает правильность предположения о прерывистом характере излучения и поглощения света веществом.

Уравнение Эйнштейна, несмотря на свою простоту, объясняет основные закономерности фотоэффекта. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за работы по теории фотоэффекта.

В современной физике фотон рассматривается  как одна их элементарных частиц. Таблица элементарных частиц уже многие десятки лет начинается с фотона.

Энергия и импульс фотона. При  испускании и поглощении свет ведет  себя подобно потоку частиц с энергией E=hv, зависящей от частоты. Порция света  оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называть частицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называют корпускулярными. Сама же световая частица была названа фотоном или квантом электромагнитного излучения.

Фотон подобно частицам обладает определенной порцией энергии hv. Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через циклическую частоту           . 

Фотон лишен массы покоя то, т. е. он не существует в состоянии покоя, и при рождении сразу имеет  скорость с. Масса, определяемая формулой,—это масса движущегося фотона. Направлен импульс фотона по световому лучу.

Чем больше частота, тем больше энергия  и импульс фотона и тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света. Из-за того что постоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайне незначительна.  Фотоны,  соответствующие зеленому свету, имеют энергию 4-10~19 Дж.