Микромир это в естествознании кратко

Обновлено: 08.07.2024

Какие частицы в настоящее время считают фундаментальными составляющими материи.

Глоссарий по теме:

Микромир – пространственная протяжённость порядка 10 -6 см и менее; основные объекты (структурные уровни материи) – молекулы, атомы и составляющие их элементарные частиц; основные типы взаимодействия – электромагнитное, сильное и слабое.

Молекула - мельчайшая частица вещества (например, химического соединения), определяющая химические свойства этого вещества, способная существовать самостоятельно; состоит из атомов, расположенных в пространстве в определённом порядке и соединённых химическими связями.

Атом - (от греч. atomos неделимый) мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. В структуре атомы выделяют положительно заряженное ядро и электронное облако – отрицательно заряженное.

Ядро атома – основная и определяющая часть атома, несущая положительный заряд. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов нуклонов, связанных сильным взаимодействием. На ядро приходится 99,9 % массы.

Энергия связи ядра – энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны; увеличивается с ростом числа нуклонов в ядре. Отношение числа нуклонов ядра к энергии связи выражается удельной энергией связи.

Термоядерный синтез – реакции слияния лёгких ядер в более тяжёлые; происходят при высоких температурах и сопровождаются выделением энергии.

Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц способность к взаимным превращениям.

Адроны – элементарные частица участвующие в сильном взаимодействии (протоны, нейтроны и др.)

Лептоны – элементарные частицы, не принимающие участие в сильном взаимодействии (электроны, позитроны и др.)

Кварки – фундаментальные частицы; составные части адронов.

Переносчики фундаментальных взаимодействий – кванты, осуществляющие перенос фундаментальных взаимодействий.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 75-77.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Особенности объектов микромира

Говоря о микромире, невозможно точно определить, с каких размеров он начинается. Многие биологические объекты, например частицы пыли, являются очень мелкими. Тем не менее, эти объекты ещё можно наблюдать в микроскоп. Но уже такие важные объекты живой природы, как молекулы белков и ДНК, в обычный микроскоп наблюдать невозможно, для их наблюдения используют электронный микроскоп. Для ещё более мелких объектов не подходит даже электронный микроскоп.

Таким образом, прямые данные о движении объектов микромира подобно тем, которые возможно получить для макроскопических объектов, получить невозможно. Косвенные данные о движении объектов микромира дают наблюдения спектров объектов и треков частиц.

Ещё одной особенностью, связанной с наблюдением в микромире, является тождественность одинаковых частиц. Например, все молекулы воды абсолютно идентичны. В макромире невозможно изготовить два абсолютно одинаковых шара, например для бильярда. В микромире, наоборот, например, все молекулы воды абсолютно идентичны. Если в макромире, можно достаточно точно определить, например, какой из сталкивающихся шаров попал в лузу, то в микромире при столкновении одинаковых атомов или молекул невозможно выяснить, какой из сталкивающихся атомов куда полетел.

Другим важной особенностью является, что все объекты микромира присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. Т.е. в различных опытах с микрообъектами, в зависимости от условий резче проявляются те или иные свойства.

Характерные особенности атомно-молекулярного уровня

Свободные атомы представляют собой сферические симметричные структуры размером порядка 10 -8 см. Структура атома представлена ядром, где сконцентрирована 99,9 % всей массы атома и электронные оболочки. Размеры атома незначительно увеличиваются при увеличении его номера в таблице Менделеева. Разнообразие атомов связано с разным количеством протонов в ядре атомов.

При сближении атомы взаимодействуют друг с другом образуя молекулы, кристаллы. Данное взаимодействие называют химической связью. Т.е. в результате электромагнитного взаимодействия. Расстояния между атомами в молекулах (длина химической связи) сравнимы с размерами атомов. Взаимодействие между электронами молекулы приводит к тому, что малые молекулы представляют собой довольно жёсткие образования. Конфигурация молекул, содержащих большое число ядер, менее жёсткая. При этом, свойства свободных атомов, из которых образована молекула, практически не проявляется у молекулы. Мир молекул более разнообразен связи с возможностью образования полимерных молекул, содержащих сотни тысяч атомов.

На уровне ядер атомов господствуют сильные взаимодействия, которые удерживают вместе одноименно заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга огромными электростатическими силами.

Энергия связи ядра называется энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны. При увеличении числа нуклонов в ядре, эта энергия возрастает и делает ядра более стабильными. Дальнейшее увеличение протонов и нейтронов приводит к увеличению размеров ядра, а, следовательно, ослаблению сильного взаимодействия и атомы становятся нестабильными. Это приводит к тому, что ядрам с малым числом нуклонов энергетически более выгодно объединиться, а ядрам с большим количеством нейтронов – распасться. Реакции слияния лёгких ядер, происходящее с выделением энергии, называются реакциями термоядерного синтеза. Именно такие реакции происходят внутри звёзд. Реакции распада тяжёлых атомов дают энергию на атомных электростанциях.

Элементарные частицы. Кварки

Развитие экспериментальных методов исследования элементарных частиц привело к открытию большого числа таких частиц. Их число оказалось более 200.

Анализ поведения адронов в экспериментах навело на мысль, что не все они элементарны и, вероятно, состоят из ещё более мелких структур. Гелл-Ман называет их кварками.

Впоследствии эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение. Так кварки были обнаружены в нуклонах, что сняло статус элементарных частиц с группы адронов (частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, таких как протоны и нейтроны). При этом выделить кварки в отдельном виде до сих пор не удаётся и теоретики склоняются к выводу, что это принципиально невозможно.

Другой группой элементарных частиц, названной лептонами, объединили частицы, над которыми сильное взаимодействие не действует. К ним относится, например, электрон. Лептоны остались элементарными частицами.

Наряду с этим, корпускулярные свойства фундаментальных полей позволяют выделить элементарные частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий. Так, было установлено, что переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Аналогичные частицы открыты для сильных взаимодействий (их назвали глюонами) и для слабых взаимодействий (промежуточные бозоны). Имеются гипотезы, что гравитационному взаимодействию можно также сопоставить частицу гравитон. Наши представления о фундаментальной структуре материи ещё далеко не являются полными, и здесь ещё предстоит сделать много открытий.

На каждом этапе своего развития естествознание изучает простейшие по своей структуре виды материи и присущие им характеристики (формы и виды движения). Практически все природные явления могут быть объяснены в конечном итоге движением и взаимодействием элементарных частиц и полей. Поэтому ключевым предметом изучения естественных наук (в первую очередь физики) на современном этапе являются элементарные частицы и поля.

В природе имеется множество материальных объектов, каждый из которых не является чем-то абсолютно простым и бесструктурным и обладает многообразными свойствами. Новые исследования открывают нам новые объекты и новые свойства. Это означает, что познание человеком природы неисчерпаемо.

Резюме теоретической части:

Любой материальный объект является сложным, структурным. Структурными элементами материальных объектов являются элементарные частицы, взаимодействия между которыми обеспечивает целостность тех или иных объектов. Все элементарные частицы обладают рядом общих свойств, которые характеризуются такими величинами, как энергия, масса, импульс, заряд и т.д., и различаются по значениям этих величин. Среди всего многообразия элементарных частиц, на сегодняшний день, выделяют частицы переносчики фундаментальных взаимодействий, лептоны (электрон, позитрон, нейтрино) и кварки.

Важным свойством элементарных частиц является их взаимопревращаемость. Но превращение частиц не является процессом их механического деления, а представляет собой процесс исчезновения одних и рождения других частиц

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Какие элементарные частицы выделяют на сегодняшний день? (ненужное вычеркните)

Адроны;
Лептоны;
Нуклоны;
Кварки;
Переносчики взаимодействия;

~~Адроны;~~
Лептоны;
~~Нуклоны;~~
Кварки;
Переносчики взаимодействия.

Пояснение: Нуклоны входят в группу адронов, структуру которых образуют кварки.

Задание 2. Ребус-соответствие: Соотнесите по парам тип взаимодействия и частицу-переносчика соответствующего взаимодействия.

Гравитационное взаимодействие – Гравитоны

Электромагнитное взаимодействие – Фотоны

Сильное взаимодействие – Глюоны

Слабое взаимодействие – Промежуточные бозоны

Пояснение: несмотря на то, что частиц переносчиков гравитационного взаимодействия экспериментально не удалось обнаружить, но ему придумали созвучное название – гравитон.

Микромир — это молекулы, атомы, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется до 10 − 18 . 10 − 4 м , а время жизни — от бесконечности до 10 − 24 с.

Демокритом в античности была выдвинута атомистическая гипотеза строения материи, позже, в \(XVIII\) в., она была возрождена химиком Дж. Дальтоном , который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомный вес других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В \(XIX\) в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

Макромир — мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах ( 10 − 4 . 10 6 м ) , а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир — это планеты, звёздные комплексы, галактики, метагалактики — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами ( 10 6 . 10 26 м ) , а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10—8 до 10—16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 с.

Макромир — мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир — это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.

МИКРОКОСМ (от микро… и космос) — человек как подобие, отражение, зеркало, символ Вселенной — макрокосма. Учение о микрокосме было распространено в древнегреческой философии (Платон, перипатетическая школа, стоицизм), философии Возрождения (Николай Кузанский, Дж. Бруно, Т. Кампанелла, Парацельс), оно присуще пантеистическим учениям И. В. Гете и немецкого романтизма. В философии Г. В. Лейбница — монада.

МАКРОКОСМ(ОС) (от макро… и космос) — Вселенная, универсум, мир в целом, в отличие от микрокосм(ос)а (человека).

Микрургия (от микро… и греч. érgon — работа), микродиссекция (от лат. dissectio — рассечение) — совокупность методических приёмов и технических средств, позволяющих производить под микроскопом операции на очень мелких объектах — микроорганизмах, простейших, клетках многоклеточных организмов или внутриклеточных структурах (ядрах, хромосомах и др.). Микрургия включает в себя также микроизоляции, микроинъекции, микровивисекционные и микрохирургические вмешательства (например, операции на глазном яблоке). Большое развитие Микрургия получила в 20 в. в связи с усовершенствованием микроманипуляторов и специальных микроинструментов — игл, микроэлектродов и др.

Объект помещают в камеру, заполненную физиологическим раствором, вазелиновым маслом, сывороткой крови или другой средой. При помощи Микрургии возможно выделение отдельных клеток, в том числе микробных, разрезание их на части, удаление и пересадка ядер и ядрышек, разрушение отдельных участков и органоидов клетки, введение в клетку микроэлектродов и химических веществ, извлечение из неё органоидов. Микрургия позволяет изучать физико-химические свойства клетки, её физиологическое состояние, пределы реактивности. Особое значение Микрургия приобретает в связи с возможностью пересадки ядер соматических клеток в яйцевые и обратно. Так, Дж. Гёрдон (1963) перенёс ядро из эпителиальной клетки кишечника земноводного в яйцевую клетку того же вида. При Микрургии резко нарушаются строение и жизнедеятельность клетки, поэтому необходим строгий контроль физиологичности производимых операций.

Микро…, микр… (от греч. mikrós — малый, маленький):

1) составная часть сложных слов, указывающая (в противоположность макро…) на малые размеры или малую величину чего-либо (например, микроклимат, микролит, микроорганизмы).

2) Приставка для образования наименований дольных единиц, по размеру равных одной миллионной доле исходных единиц. Обозначения: русское мк, международное m. Пример: 1 мксек (микросекунда) = 10-6сек.

Микромир. Атом

Морфологические и синтаксические свойства

Им.	мѝкроми́р	мѝкромиры́
Р.	мѝкроми́ра	мѝкромиро́в
Д.	мѝкроми́ру	мѝкромира́м
В.	мѝкроми́р	мѝкромиры́
Тв.	мѝкроми́ром	мѝкромира́ми
Пр.	мѝкроми́ре	мѝкромира́х

Существительное, неодушевлённое, мужской род, 2-е склонение (тип склонения 1c по классификации А. А. Зализняка).

Микромир является одним из структурных уровней организации материи. Объекты микромира – атомы, ядра, элементарные частицы и т.д. меньше миллиардных долей сантиметра и непосредственному наблюдению недоступны.

Микромир, так же, как любой структурный уровень, имеет свои характерные особенности. К таким особенностям можно отнести:

Бессмысленность применения привычных единиц измерения расстояния (метры, километры и т.д.)
Бессмысленность применения бытовых единиц измерения веса (граммы, килограммы, фунты и т.д.).

Исследование микромира и мегамира привело к крушению теории Ньютона, а вместе с тем к разрушению механистической картины мира.

В 1927 г. Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности, и тем самым внес существенный вклад в развитие науки. Данный принцип был сформулирован исходя из двойственной природы света – корускулярно-волнового дуализма. По утверждению самого ученого, появление принципа дополнительности было вызвано изучением микромира из макромира, что подтверждалось следующими доводами:

При объяснении явлений микромира осуществлялись попытки использования понятий, выработанных при изучении макромира;
Разделение бытия на субъект и объект вызывало сложности в сознании человека;
Невозможность абстрагироваться в ходе изучения и описания явлений микромира от явлений макромира, и средств, используемых для этого наблюдателем.

Квантово-механическая концепция описания микромира

Согласно утверждения Нильса Бора, принцип дополнительности может использоваться как в исследованиях микромира, так и в других науках, например, в психологии.

Микромир является объектом изучения квантовой механики.

На принципе дополнительности Нильса Бора и соотношении неопределенностей В. Гейзенберга основывается квантово-механистическое описание микромира.

Соотношение неопределенностей заключается в том, что нельзя одинаково точно определить взаимодополняющие характеристики микрочастицы, такие, как ее координаты и импульс. Например, в ходе эксперимента, который точно показывает местонахождение частицы в данный момент, ее движение нарушается и после этого найти частицу не представляется возможным. Обратная ситуация с измерением точной скорости, когда определение местонахождения частицы невозможно.

Готовые работы на аналогичную тему

Противоречия корпускулярно –волновых свойств объектов микромира есть результат взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Существует два вида приборов. В одном случае квантовые объекты изучаются как волны, в другом случае – как частицы. При проведении экспериментов наблюдается не реальность как она есть, а квантовое явление, которое заключается в результате взаимодействия микрообъекта и прибора.

Важной чертой, присущей квантовой механике, является то, что предсказания поведения микрообъектов носят вероятностный характер, то есть при проведении одинаковых экспериментов с одинаковыми объектами результаты будут отличаться, и известным будет лишь вероятностное значение.

Соотношение неопределенностей с точки зрения классической механики представляется абсурдным. Однако построение в макромире наглядной модели микромира невозможно. Таким образом, корпускулярная и волновая картины призваны быть комплементарными, то есть дополнять друг друга.

Элементарные частицы

Ранее считалось, что атомы, из которых состоит материя, являются неделимыми. Затем выяснилось, что это не соответствует действительности, и атомы состоят из элементарных частиц. Раньше всех был открыт электрон, его характеристики определил Дж. Дж. Томпсон в 1897 г, а в 1914 г. было установлено существование протона, который является элементарным носителем положительного заряда. В 1920 г. Резерфорд предположил существование нейтрона, он был открыт в 1932 году, тогда же открыли существование позитрона.

Таким образом, элементарные частицы – это частицы, которые не удается разделить на составные части. Элементарные частицы разделяются на стабильные и нестабильные. Основные черты элементарных частиц, и стабильных, и нестабильных, следующие:

Частицы неизменны
Частицы одного вида абсолютно одинаковы и неразличимы
Частицы имеют способность рождаться и исчезать.

Стандартная модель определяет, что вещество, включая свет, имеет в составе 12 элементарных частиц и 12 частиц – переносчиков взаимодействий. Сюда относятся кварки, электроны, фотоны и т. д.

На сегодняшний момент, современная наука пока не может ответить на вопрос о том, почему имеется именно таков набор частиц, также неизвестны причины наличия массы у некоторых из них. Перед современной физикой возникает новая задача – построение теории, в которой свойства частиц вытекают из свойств вакуума.

Современной науке известно несколько сотен элементарных частиц, а значит, необходима их классификация.

Для всех элементарных частиц характерны следующие параметры:

Масса покоя
Электрический заряд, который кратен заряду электрона, либо отсутствует
Спин
Время жизни.

Классификация элементарных частиц основана на их способности участвовать в каких-либо видах фундаментальных взаимодействий. Согласно этому, элементарные частицы делятся на:

Фотоны - частицы, масса которых равна 0, они не имеют сильного и слабого взаимодействия, но принимают участие в электромагнитном.
Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
Адроны: барионы и мезоны. Адроны могут участвовать в сильном взаимодействии.

Микромир является основой нашего макромира. Наряду с микромиром, в науке можно выделить наномир, который, в отличие от микромира, является носителем всего спектра электромагнитных процессов. Наномир – это фундамент, основа структуры элементарных частиц и большей части явлений, известных современной науке.

То есть, предметы окружающей действительности, и тело человека состоит из частей, которыми являются молекулы. В свою очередь, молекулы состоят из атомов, которые делятся на еще более мелкие части – элементарные частицы. Таким образом, в случае, если некогда произойдет разрушение Вселенной, оно начнется с наномира и микромира.

Читайте также: