Нау́чно-техни́ческая революция

Электроны в атоме

При описании электронов в  атоме в рамках квантовой механики, обычно рассматривают распределение  вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов.

Электроны в атоме притягиваются  к ядру, между электронами также  действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны  внутри потенциального барьера, окружающего  ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится  к ядру, тем больше энергии для  этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается  волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность  вероятности нахождения частиц в  данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым  соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.

Каждой орбитали соответствует  свой уровень энергии. Электрон может  перейти на уровень с большей  энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом  состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив  фотон. Энергия фотона при этом будет  равна разности энергий электрона  на этих уровнях (см.: постулаты Бора).

Свойства  атома

По определению, любые  два атома с одним и тем  же числом протонов в их ядрах относятся  к одному химическому элементу. Атомы  с одним и тем же количеством  протонов, но разным количеством нейтронов  называют изотопами данного элемента. Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы  без нейтронов (водород-1, иногда также  называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий). Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов.Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.

А́томное ядро́ — центральная  часть атома, в которой сосредоточена  основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных  атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч  раз меньше размеров самого атома.

Атомные ядра изучает ядерная  физика.

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой  при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным  моментом количества движения (спином), равным [сн 1] и связанным с ним  магнитным моментом.

Атомное ядро, рассматриваемое  как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.

Количество протонов в  ядре называется его зарядовым числом  — это число равно порядковому  номеру элемента, к которому относится  атом в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру  электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом . Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно  к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического  элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.

Как и любая квантовая  система, ядра могут находиться в  метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время  жизни такого состояния исчисляется  годами. Такие возбуждённые состояния  ядер называются ядерными изомерами.

Изото́пы (от др.-греч. ισος —  «равный», «одинаковый», и τόπος  — «место») — разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов  в ядре. Название связано с тем, что изотопы находятся в одном  и том же месте (в одной клетке) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят практически только от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём) и  почти не зависит от его массового  числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд  ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, 12C, 222Rn). Можно также  написать название элемента с добавлением  через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы  имеют традиционные собственные  названия (например, дейтерий, актинон).

Пример изотопов: ¹⁶₈O, ¹⁷₈O, ¹⁸₈O — три стабильных изотопа кислорода.

Считается, что изотопный  состав элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к  нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при  распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер — продуктов  распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной  геохронологии.

Применение  изотопов человеком

В технологической деятельности люди научились изменять изотопный  состав элементов для получения  каких-либо специфических свойств  материалов. Например, ²³⁵U способен к цепной реакции деления тепловыми нейтронами и может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов или ядерного оружия. Однако в природном уране лишь 0,72 % этого нуклида, тогда как цепная реакция практически осуществима лишь при содержании ²³⁵U не менее 3 %. В связи с близостью физико-химических свойств изотопов тяжёлых элементов, процедура изотопного обогащения урана является крайне сложной технологической задачей, которая доступна лишь десятку государств в мире. Во многих отраслях науки и техники (например, в радиоиммунном анализе) используются изотопные метки.

Химический  элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.

Формой существования  химических элементов в свободном  виде являются простые вещества (одноэлементные).

Известные химические элементы

На вторую неделю апреля 2010 года известно 118 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые  — лишь в следовых количествах), остальные 24 получены искусственно в  результате ядерных реакций. Информацию об ещё не открытых химических элементах  Вы можете посмотреть в Википедии  по запросу: Расширенная периодическая таблица элементов.

Первые 112 элементов имеют  постоянные названия, остальные —  временные.

Открытие 112-го элемента (самый  тяжелый из официальных) признано Международным  союзом теоретической и прикладной химии (en:InternationalUnionforPureandAppliedChemistry). Самый  стабильный из известных изотопов данного  элемента имеет период полураспада 34 секунды. В феврале 2010 года ему  официально присвоено имя коперниций, был впервые синтезирован в феврале 1996 года на ускорителе тяжелых ионов  в Институте тяжёлых ионов (нем. GesellschaftfürSchwerionenforschung, GSI) в Дармштадте, Германия (в результате бомбардировки  свинцовой мишени ядрами цинка). Первооткрыватели имеют полгода, чтобы предложить новое официальное название для  добавления в таблицу (ими уже  предлагались Виксхаузий, Гельмгольций, Венусий, Фриший, Штрассманий и Гейзенбергий). В настоящее время известны трансурановые  элементы с номерами 113—118, полученные в Объединенном институте ядерных  исследований в Дубне, однако они  официально пока не признаны. Для закрепления за химическим элементом имени необходимо его получение в нескольких лабораториях.

III.ОБОСНОВАНИЕ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Вселенная расширяется. Этот фундаментальный научный факт, установленный  теоретически (А.А. Фридман, 1922) и экспериментально (Э. Хаббл, 1929), является в настоящее время общепризнанным.

Что же понимается современной  наукой под расширением Вселенной, и какую роль играет, и играет ли, расширение Вселенной в современной  физической картине мира?

В общих чертах под расширением  Вселенной (Метагалактики) подразумевается  следующее: радиус кривизны пространства Вселенной растет, по крайней мере, на современном этапе эволюции. Проявляется  это в том, что расстояния между  далекими галактиками увеличиваются  и тем быстрее, чем дальше они  находятся друг от друга. При наблюдении с Земли далекие галактики  «разбегаются» от Земли, что подтверждается красным смещением в спектрах этих галактик.

По данным современной  наблюдательной астрономии звезды во Вселенной группируются в галактики, которые, в свою очередь, также образуют скопления. Представление о порядках величин дают следующие цифры: наша Галактика содержит ~ 10№№ звезд  и имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной ~ 30 тысяч световых лет. Ближайшая  к нам галактика M31 в созвездии  Андромеды удалена от нас на расстояние порядка 2 миллионов световых лет. Мы находимся на периферии гигантского  скопления более тысячи галактик с центром в направлении созвездия  Девы, удаленным на расстояние ~ 60 миллионов  световых лет. Возможности современной  техники позволяют наблюдать  достаточно яркие галактики вплоть до расстояний порядка 10 миллиардов световых лет. Данные наблюдений показывают, что  в крупных масштабах Вселенная  однородна и изотропна. Грубо  говоря, это означает, что в любой  сфере с фиксированным достаточно большим диаметром (достаточным  считается число ~ 300 миллионов световых лет) содержится приблизительно одинаковое число галактик. Утверждение об однородности и изотропностиВселенной в больших  масштабах принято называть Космологическим  Принципом.

В наблюдаемых спектрах звезд  и галактик хорошо различимы спектральные линии поглощения (хромосферами звезд) известных элементов. Это позволяет  довольно точно измерять с помощью  хорошо известного эффекта Доплера  скорость, с которой данный излучающий объект удаляется или приближается по отношению к земному наблюдателю.

Если бы окружающие нас  галактики двигались хаотически, то красные и голубые смещения в их спектрах наблюдались бы с  одинаковой вероятностью. Но эксперимент  показывает другое: красные смещения преобладают и тем больше, чем  дальше от нас находятся изучаемые  объекты. Количественным итогом этих наблюдений является сформулированный в 1929 году Хабблом  «закон разбегания», согласно которому все галактики (в среднем) удаляются  от нас и скорость этого разбегания приблизительно пропорциональна расстоянию до рассматриваемой галактики.

Коэффициент пропорциональности называют постоянной Хаббла. Мы указали  в принимаемое сейчас большинством астрономов значение: 15 км/сна каждый миллион световых лет расстояния. Здесь следует отметить, что определение  величины по данным эксперимента является очень трудной задачей: скорости по эффекту Доплера можно определить достаточно точно, но измерение расстояний до далеких галактик - труднейшая проблема, и до сих пор она решается лишь различными косвенными методами. Сам  Хаббл при оценке расстояний занизил  их на порядок, поэтому получил на порядок большее значение (170 вместо 15). До сих пор часть астрономов считает, что значение заметно больше приведенного, но большинство принимает цифру 15.

Из закона разбегания, разумеется, не следует, что наша галактика является центром мира, а все прочие удаляются  от нее. Согласно Космологическому Принципу наша галактика ничем не выделена, так что точно такую же картину  разбегания должен видеть наблюдатель  из любой другой галактики. Это значит, что «все разбегаются от всех». Наглядной  моделью такого разбегания может  послужить надуваемый резиновый  шарик с нанесенными хаотически на его поверхность точками - «галактиками»: при надувании все эти точки  будут удаляться друг от друга  в точном соответствии с законом  Хаббла. Это модель «двумерного замкнутого мира». Аналогичный «открытый мир» можно представить в виде резиновой  плоскости с нанесенными точками, равномерно растягивающейся во всех направлениях.

Из пропорциональности и  вытекает фундаментальный вывод  относительно существования «начала  мира»: где-то в прошлом был момент, в который любая из наблюдаемых  сейчас галактик была бесконечно близка к нашей, следовательно, «любая к  любой» в силу Космологического Принципа. Из-за такого сближения плотность  вещества во Вселенной в «начальный момент» становится бесконечной. Но это не означает, что все оно  было собрано в одном месте, так  как тот же Космологический Принцип  требует, чтобы плотность становилась  бесконечной в любой точке пространства.

Оценить «возраст Вселенной» можно очень просто, если предположить, что постоянная Хаббла в процессе расширения остается неизменной: тогда  миллиардов лет для числа из формулы. На самом деле предположение о  неизменности неправильно и точную оценку можно получить только с помощью  космологической модели Фридмана.

Эйнштейновская модель стационарной Вселенной была опровергнута в работах  русского ученого А. Фридмана, который  в 1922 г. показал, что искривленное пространство Не может быть стационарным: оно  должно либо расширяться, либо сжиматься. Возможны три различных модели изменения  радиуса кривизны Вселенной, зависящие  от средней плотности вещества в  ней, причем в двух из них Вселенная  бесконечно Расширяется, а в третьей  – радиус кривизны периодически изменяется (Вселенная Пульсирует).