Шпаргалка по "Концепции современного естествознания"

44) Структура атома водорода согласно модели Резерфорда-Бора.

Атом водорода в рамках простейшей модели Резерфорда - Бора. Атомная  система единиц

1. Модель Резерфорда. Постулаты  Бора 

Согласно модели Резерфорда, электрон в водородоподобном ионе движется по классической круговой орбите под действием кулоновских сил, создающих центростремительное ускорение . При таком движении величина потенциальной энергии в два раза превосходит кинетическую, а полная энергия оказывается отрицательной и равной половине потенциальной . Еще одной важной сохраняющейся во времени характеристикой классического движения по орбите является момент импульса . Согласно классическим представлением полная энергия и момент импульса могут принимать непрерывный набор значений. Правила квантования Бора были введены в результате сравнения классического выражения для частоты вращения электрона по круговой орбите с уже установленной Планком связью между частотой и энергией кванта . Допущение о дискретном характере обмена энергией между полем и веществом заставляет перейти в от производных к дискретным приращениям, что немедленно приводит к известному правилу квантования момента импульса, из которого следует существование лишь тех допустимых орбит, на длине которых укладывается целое число длин волн Д«Бройля .

орбит. 2. Энергетические уровни в атоме водорода и сходных  ионах 

Подстановка правила квантования  в классическое уравнение движения и выражение для энергии приводит к хорошо известным выражениям для  радиусов разрешенных орбит и  соответствующим им энергиям электрона в водородоподобных ионах . Полученные таким образом результаты хорошо согласуются с давно известными экспериментально установленными закономерностями для частот линий спектра излучения водорода.

Правила квантования радиусов боровских орбит и энергии, соответствующие этим орбитам.

Неожиданные для классической физики закономерности для частот излучения  в спектре водорода, объясненные  моделью Резерфорда — Бора. 3. Атомная  система единиц Для удобства записи и без того громоздких формул представляется целесообразным использование специальной системы единиц, в которой постоянная Планка, заряд и масса электрона приняты равными 1. В этой системе величина скорости света оказывается равной 137 (обратная величина носит название постоянной тонкой структуры).

4. Правила квантования  Бора — Зоммерфельда Вышерассмотренная  элементарная теория не могла  объяснить эффекта расщепления  энергетических уровней атома  водорода в магнитном поле. Зоммерфельд  предположил, что движение электрона  в атоме происходит не по круговой, а по эллиптической орбите и характеризуется двумя обобщенными координатами.

Кинетическая энергия  в этом случае оказывается равной сумме кинетических энергий радиального  и азимутального движений

Квантованию подлежат «действия» — интегралы от обобщенных импульсов по канонически сопряженным им обобщенным координатам

В рамках такого подхода  оказывается, что энергия электрона  в Кулоновском поле зависит от суммы двух квантовых чисел и, следовательно, может принимать  вырожденные значения (одному значению энергии соответствуют различные типы движения). Наложение внешних возмущений снимает вырождение, т. е. расщепляет энергетические уровни атома. В свою очередь это приводит к расщеплению спектральных линий.

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории - с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда - Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики. В 1904 году появились публикации о строении атома, одни из которых принадлежали японскому физику Хантаро Нагаока, другие - английскому физику Д.Д. Томсону.

45) Три класса наук: естественные, гуманитарные и кретивные.  Их особенности, предметы и  методы, идеалы. Примеры наук каждого класса. Их роль и вклад в современную картину мира.Есте́ственные нау́ки— разделы науки, отвечающие за изучение внешних по отношению к человеку, природных (естественных — от «естество», природа) явлений. Основой естественных наук следует считать естествознание — науку о природных явлениях. Соответственно, первыми представителями естественных наук следует считать великих естествоиспытателей прошлого, таких, как Блез Паскаль, Исаак Ньютон, Михаил Ломоносов.Направления естественных наук: астрономия, биология, география, механика, физика, химия Базисом естественных наук следует считать математику.Все современные естественные науки так или иначе используют математический аппарат для описания рассматриваемых явлений. Таким образом, естественные науки предполагают точное формульное определение закономерностей, описывающих рассматриваемые природные явления; а также формульную запись новых гипотез и теорий.Гуманитарные науки – дисциплины, изучающие человека в сфере его духовной, умственной, нравственной, культурной и общественной деятельности. По объекту, предмету и методологии изучения часто отождествляются или пересекаются с общественными науками, а также противопоставляются естественным и точным наукам.

Направления гуманитарных наук: антропология, философия, история, культурология, филология, педагогика, искусствоведение, литературоведение, психология, журналистика.Естественнонаучная и гумантарная культуры: проблемы взаимоотношений.Культура – понятие многосмысловое, характеризующее особенности жизнедеятельности людей в социумах в различных сферах общественной жизни, на разных этапах исторического развития.Естественнонаучная культура, как результат развития творческих сил и способностей людей, выражается в знаниях, добытых человечеством во взаимодействии с Природой и окр. миром в материальных, технических и духовных ценностях, отражаемых в научной картине мира.Гуманитарная культура охватывает сферу духовно-образного мышления человека, отражает его нравственное отношение к природе, обществу, самому себе. Гуманитаристика затрагивает области морали, этики, религии. Она выработала свои собственные методы исследования. Расцвет естественных наук и их технических приложений приходится на период, когда уровень жизни большинства людей в обществе был крайне низким.Стоит отметить, что обе культуры одинаково важны для людей, имеют одинаковую цель и направленность – помощь людям в самосохранении общества и культуры, взаимосвязаны в историко-культурном процессе, а главное обе являются разными сферами единой системы знаний, поэтому противопоставление обоих аспектов необоснованно и бесперспективно.

46) Четыре основных типа взаимодействия, их безразмерные характеристики, попытки их объединить.

1. Гравитационное взаимодействие.

Теория гравитации создана  Ньютоном в 17 веке. Гравитация обладает рядом особенностей:

1. очень маленькая интенсивность Если бы атом водорода строился на основе гравитационного взаимодействия, то его размер был бы равен размеру наблюдаемой части Вселенной
2. универсальность – все объекты в природе вступают в гравитационное взаимодействие;
3. дальнодействие – хотя интенсивность с расстоянием убывает, но распространяется взаимодействие на очень большие расстояния
4. Электромагнитное взаимодействие.

В электромагнитное взаимодействие вступают только тела, имеющие электрические  заряды. Тела, обладающие электрическим  зарядом, порождают электромагнитное поле. В свою очередь, электромагнитное поле воздействует на другие заряженные тела, находящиеся в этом поле. В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. В середине 19 века Дж. К. Максвелл объединил электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма – первой единой теории поля.

Особенности электромагнитного взаимодействия:

1. большая интенсивность взаимодействия (в 100 раз слабее ядерного);
2. почти всеобщий характер;
3. дальнодействие;

Электромагнитное взаимодействие: определяет структуру атомов; определяет агрегатные состояния вещества; определяет оптические явления; отвечает за большинство физических и химических процессов (кроме ядерных); является основой всех нефундаментальных сил и т. д.

В середине 20 века С. Томанагом, Р. Фейнманом и Дж. Швингером была создана теория электромагнитного взаимодействия – квантовая электродинамика (КЭД). Это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия между собой заряженных элементарных частиц посредством обмена фотонами.

3. Слабое взаимодействие.

С проявлением слабого взаимодействия столкнулись с открытием радиоактивности  и исследованием бета-распада. Нейтроны, предоставленные самим себе, через 15 минут распадаются на протон, электрон и нейтрино.

К моменту изучения бета-распада  были известны только гравитационное и электромагнитное взаимодействия. Анализ же бета-распада показал, что  эти силы не могут вызвать такой  распад. Видимо он порождается какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что эта сила является проявлением некоторого слабого взаимодействия.

4.Сильное взаимодействие.

Сильное взаимодействие – источник огромной энергии. Радиус действия силы м. Сильное взаимодействие вызывает термоядерные реакции (например, в недрах Солнца). Оно отвечает за образование ядер и многие взаимодействия частиц. Это внутриядерное взаимодействие.

Теория сильного взаимодействия –  квантовая хромодинамика. В квантовой  хромодинамике предполагается, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц с дробным зарядом – кварков. Кварки взаимодействуют друг с другом сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия –глюоны (цветовые заряды). Взаимодействие между протонами и нейтронами в ядре – это остаточный эффект более мощного взаимодействия кварков.

47) Становление квантово-механической  картины мира. Источник случайностей  в самом в самом квантово-волновом  основании мира.

Становление механической картины мира происходило под влиянием метафизических материалистических представлений о материи и формах ее существования. Ее основу составили идеи и законы механики, которая в XVII в. была наиболее разработанным разделом физики. По сути, именно механика явилась первой фундаментальной физической теорией. Важнейшими понятиями механики как фундаментальной физической теории стали материальная точка — тело, формы и размеры которого не существенны в данной задаче; абсолютно твердое тело — тело, расстояние между любыми точками которого остается неизменным, а его деформацией можно пренебречь. Оба вида материальных тел характеризуются с помощью следующих понятий: масса — мера количества вещества; вес — сила, с которой тело действует на опору. Масса всегда остается постоянной, вес же может меняться. Эти понятия выражаются через следующие физические величины: координаты, импульсы, энергию, силу.Основу механической картины мира составил атомизм — теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа неделимых материальных частиц — атомов. Они перемещались в пространстве и времени в соответствии с немногими законами механики. Материя — это вещество, состоящее из мельчайших, неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц (атомов). Это и есть корпускулярное представление о материи.Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без материальных посредников, т.е. промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает.Концепция дальнодействия тесно связана с пониманием пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени. Абсолютное пространство представлялось большим «черным ящиком», универсальным вместилищем всех материальных тел в природе. Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Человек в этой картине мира рассматривался как природное тело в ряду других тел, и поэтому оставался необъяснимым в своих «невещественных» качествах. Поэтому присутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы человек однажды исчез с лица земли, мир продолжал бы существовать как ни в чем не бывало. На основе механической картины мира в XVIII — начале XIX в. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, и она стала рассматриваться в качестве универсальной. Развитие механической картины мира было обусловлено в основном развитием механики. Успех механики Ньютона в значительной мере способствовал абсолютизации ньютоновских представлений, что выразилось в попытках свести все многообразие явлений природы к механической форме движения материи. Такая точка зрения получила название механистического материализма (механицизм). Однако развитие физики показало несостоятельность такой методологии, поскольку описать тепловые, электрические и магнитные явления с помощью законов механики, а также движение атомов и молекул этих физических явлений оказалось невозможно Оценивая механическую картину мира как один из этапов развития физической картины мира, необходимо иметь в виду, что с развитием науки основные положения механической картины мира не были просто отброшены. Развитие науки лишь раскрыло относительный характер механической картины мира. Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея — механицизм. В недрах механической картины мира стали складываться элементы новой — электромагнитной — картины мира.

48) Историческое и современное  представление  о структуре,  охватываемое понятием науки.Важной мировоззренческой ориентацией современной науки становится установка на ее парадигмальный характер. Так, для мировоззренческих ориентации науки классического типа, царившей в XVII—XVIII вв., была характерна норма социокультурной автономии научного знания, которая диктовала требования максимально возможных ограничений и ограждений науки от влияния культуры. Автономия науки диктовала полную независимость науки от многообразия социокультурных факторов. Она предполагала также выработку некоего универсального научного стандарта — классического идеала научности.Для мировоззренческих ориентации современной, постнеклассической стадии науки характерно упразднение ее социокультурной автономии и принятие идеи социокультурной обусловленности науки. Однако новой чертой оказывается тенденция опровержения традиции инновацией, т.е., абсолютизация значимости нового. Идеалом постнеклассической стадии науки является междисциплинарный подход синергетики, объединяющий строгие математические и физические модели постижения действительности с наукой об обществе. Мир предстает как неравновесная, динамическая, сложнорегулируемая система, отсюда возникают ориентации, подчиненные идее становления и нестационарности развития. Социальная реальность предстает как во многом зависимая от деятельности человечества.Сам субъект познания мыслится как коллектив, состоящий из специалистов разных дисциплинарных областей.Современные мировоззренческие установки, опираясь на развитие квантовой физики, релятивистской космологии, а также генетики, предполагают новый взгляд и переосмысление таких категорий, как необходимость и случайность, причина и следствие, часть и целое. Современная наука демонстрирует несводимость состояния целого к сумме состояний его частей.Современная наука ведет к переосмыслению значения эксперимента как многократно повторяющего серии одних и тех же результатов.Применительно к развивающимся нестабильным системам эксперимент, основанный на энергетическом взаимодействии с такой системой, не позволит воспроизвести одни и те же ее состояния. Необратимость процессов развития не обеспечивает возможности воссоздания начальных состояний системы до ее участия в эксперименте. Особую роль приобретает экспериментирование при помощи ЭВМ, позволяющее вычислить разнообразие возможных структур и состояний, которые может породить данная система.Изменение мировоззренческих ориентации происходит под влиянием изучения наукой таких сложных природных комплексов, в функционирование которых включен сам человек, т.е. «чело-векоразмерных» систем. К их числу относят медико-биологические объекты, объекты экологии, объекты биотехнологии, генной инженерии, системы «человек — машина», сложные информационные комплексы, системы искусственного интеллекта. Изучение этих объектов показывает огромную роль гуманистических принципов и ценностей, так как преобразование «человеко-размерных» систем сталкивается с огромным числом запретов и ограничений. Недопустимы стратегии, потенциально содержащие в себе катастрофические последствия. Это обусловливает формирование мировоззренческой установки, связанной с требованием личностной социокультурной направленности научного познания. В определении приоритетов научного исследования огромное место принадлежит экономическим и социально-политическим целям и задачам. Современная наука — очень сложный и динамичный фактор общественного развития. Наука делает открытия, рождает новые гипотезы и теории, совершенствует методы и технологии, увеличивает темпы НТП, рождая мировоззренческие установки, которые зачастую включают в себя оппозиционные ориентиры.