С помощью чего изучают микромир кратко

Обновлено: 06.07.2024

Изучение микромира при помощи электронного микроскопа наталкивается еще на одно препятствие. Рассеяние электронов в очень маленьких частицах, состоящих к тому же из неплотного вещества, мало чем отличается от рассеяния электронов в участках пленки, окружающих частицы. А ведь принцип действия в нашем микроскопе именно и строится на этой разности. [1]

При изучении микромира сначала применяли понятия и законы, введенные и установленные для макроскопических тел. Электрон, например, рассматривался как твердый или деформируемый шарик, по объему которого распределен электрический заряд. Считалось, что поведение электрона управляется теми же законами механики и электродинамики, которые были экспериментально установлены для макроскопических электрически заряженных тел; что все понятия и законы макроскопической физики применимы и имеют смысл для тел сколь угодно малых размеров и сколь угодно малых промежутков времени; что для понимания явлений микромира не требуется новых понятий и законов, помимо тех, которыми располагает макроскопическая физика, т.е. микромир рассматривался просто как уменьшенная копия макромира. Такой подход к изучению явлений природы и теории, основанные на нем, называются классическими. [2]

При изучении микромира физики сначала применяли понятия и законы, введенные и установленные для макроскопических тел. Электрон, например, рассматривался как твердый или деформируемый шарик, по объему которого как-то распределен электрический заряд. [3]

Вычисление средних имеет важное значение при изучении микромира . Когда в рассматриваемом состоянии физическая величина не имеет определенного значения, среднее значение в какой-то мере характеризует состояние. [4]

Вопрос о применимости или неприменимости классического подхода к изучению микромира не может быть решен умозрительно. На этот вопрос может ответить только опыт. Опыты показали, что классический подход к изучению явлений микромира не применим, или, точнее, его применимость к этому кругу явлений ограничена. Адекватное описание явлений микромира ( применимое, конечно, также в каких-то пределах) дает квантовая механика, существенно отличающаяся от механики классической. Квантовая механика вводит радикальные изменения в наши представления о движении. Так, классическая артина движения частицы вдоль траектории, в каждой точке которой частица имеет определенную скорость, в общем случае не применима при описании движения микрочастиц. Движение в микромире является более сложной формой движения, чем механическое перемещение тел в пространстве. Вообще, описание явлений в квантовой механике лишено наглядности в том смысле, что здесь требуются принципиально новые представления и понятия, не сводимые к привычным представлениям и понятиям, возникшим при изучении макроскопических объектов. Поскольку наш курс механики посвящен изучению движения макроскопических тел, нет необходимости останавливаться на дальнейшей характеристике квантовой механики. Достаточно указать границы применимости понятий и законов, которыми мы будем пользоваться. [5]

Вопрос о применимости или неприменимости классического подхода к изучению микромира не может быть решен умозрительно. На этот вопрос может ответить только опыт. [6]

Развитие наших представлений о законах движения материи оказалось тесно связанным с изучением микромира . [7]

Обычное изображение столь малых цифр, с которыми приходится иметь дело при изучении микромира , является громоздким и неудобным. Поэтому в этих случаях для сокращения записи таких чисел, как, например, 1 / 1 000000, пишут Ю-6, что означает единицу, деленную на единицу с шестью нулями. [8]

Второй, совершенно новой и не известной из классики особенностью, раскрытой и обнаруженной в объективной действительности благодаря изучению микромира , является принцип Паули, или принцип антисимметрии волновых функций, который в общих чертах сводится к тому, что два электрона в системе не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. [9]

Сам он считает, что его философия - особая, она выработана группой ведущих физиков при решении гносеологических проблем, поставленных физикой в период, когда она переходила к изучению микромира . С точки зрения Борна, эта философия - не материализм, а реализм. Ее сущность нигде не сформулирована. Но, по-видимому, характерным для нее является признание физической реальности вне человека; оценка опыта как единственного источника наших знаний; признание случайности в качестве основной формы взаимосвязи, и, как результат этого, признание статистической закономерности в качестве единственной формы закономерности; принцип дополнительности как метод совмещения противоречивых понятий, которыми мы вынуждены оперировать. [10]

Суть столь глубокого различия между определениями состояния в классической и квантовой области заключается в том, что в классических концепциях не существовало никакого абсолютного мерила малости. Изучение микромира открыло существование ряда атомных констант, дающих такое мерило: элементарный заряд е, элементарная масса электрона и позитрона ц, массы простейших тяжелых частиц протона тр и нейтрона т, постоянную Планка h и другие. [11]

Для повторения и углубления имеющихся у учащихся сведений о молекулах и их свойствах вначале решают задачи, подобные рассмотренным в главе 4, с учетом знаний, полученных учащимися в VII-VIII классах. Далее основное внимание уделяют задачам, дающим понятие о методах изучения микромира и его закономерностях. [12]

Другое ограничение, и притом не только ньютоновской, но и релятивистской макроскопической механики, было получено в результате изучения микромира - мира атомов, молекул, электронов и пр. [13]

Современные научные исследования предъявляют все более высокие требования к точности проводимых измерений. Несмотря на то, что точность измерений всегда была первостепенной задачей метрологии, исследования последнего времени, связанные с изучением микромира , освоением космического пространства, созданием, прецизионных устройств различного назначения, бурное развитие микроэлектроники, требуют проведения особо точных измерений. [14]

С точки зрения физики, все происходящие явления есть результат проявления взаимодействия тел, при этом под последними понимаются как космические объекты, так и элементарные частицы. В этом смысле Ньютон ввел в науку гравитационное взаимодействие, девятнадцатый век - электромагнитные взаимодействия, двадцатый век, век изучения микромира , открыл для нас сильные ( ядерные) и слабые взаимодействия. [15]

МИКРОМИР- это мир иного масштаба, о существовании которого большинство людей даже не подозревает.
Параллельно нам существует совершенно невиданный в буквальном смысле этого слова мир - мир бактерий, вирусов, грибов и червей. Их изучению, а также ознакомлению с работами в области химии, физики, медицины и диетологии, позволяющие более глубоко понять принципы работы нашего тела, посвящена эта тема.

Файлы: 1 файл

тв. работа Концепции совр. естествознания.doc

Основные данные о работе

Орловский, Дмитровское представительство

Концепции современного естествознания

Микромир. Зачем мы его изучаем?

Содержание

Микромир. Зачем мы его изучаем. . . 3

Основная часть

Глава основной части

МИКРОМИР- это мир иного масштаба, о существовании которого большинство людей даже не подозревает.

Параллельно нам существует совершенно невиданный в буквальном смысле этого слова мир - мир бактерий, вирусов, грибов и червей. Их изучению, а также ознакомлению с работами в области химии, физики, медицины и диетологии, позволяющие более глубоко понять принципы работы нашего тела, посвящена эта тема.

Путь в микромир – путь к себе. Встречаясь лицом к лицу с обитателями микромира, мы вдруг понимаем, что их поведение может быть столь же полно смысла, как поведение других, гораздо более крупных животных. Эти два мира - наш и их - находятся в удивительном взаимодействии. Ученые утверждают, что если бы мы и другие позвоночные внезапно исчезли с лица Земли, весь остальной мир легко бы пережил этот факт и прекрасно обошёлся бы без нас. Но если бы исчезли они – представители микромира - экосистема Земли погибла бы. Действительно, ведь самые первые живые существа, населившие планету Земля – микробы. Понять их жизнь – значит уловить логику эволюции и открыть путь к пониманию самих себя.

"Нет таких отдаленных явлений, познания которых нельзя было бы достичь, и нет таких таинственных явлений, которые нельзя было бы понять".

Микромир имеет свои особенности, которые можно выразить так:

1) единицы измерения расстояния (м, км и т. д.), используемые человеком, применять просто бессмысленно;

2) единицы измерения веса человека (г, кг, фунты и т. д.) применять также бессмысленно.

Так как была установлена бессмысленность применения единиц измерения расстояния и веса по отношению к объектам микромира, то, естественно, потребовалось изобрести новые единицы измерения. Так, расстояния между ближайшими звездами и планетами измеряются не в километрах, а в световых годах. Световой год – это такое расстояние, которое солнечный свет проходит за один земной год.

Изучение микромира вместе с изучением мегамира способствовало крушению теории Ньютона. Таким образом, была разрушена механистическая картина мира.

В 1927 г. Нильс Бор вносит еще один свой вклад в развитие науки: он сформулировал принцип дополнительности. Причиной, послужившей для формулировки данного принципа, стала двойственная природа света (так называемый корпускулярно-волновой дуализм света). Сам же Бор утверждал, что появление данного принципа было связано с изучением микромира из макромира. В качестве обоснования этого он приводил следующее:

1) предпринимались попытки объяснить явления микромира посредством понятий, которые были выработаны при изучении макромира;

2) в сознании человека возникали сложности, связанные с разделением бытия на субъект и объект;

3) при наблюдении и описании явлений микромира мы не можем абстрагироваться от явлений, относящихся к макромиру наблюдателя, и средств наблюдения.

Всю эту систему можно представить как дом или здание. Здание не является цельным куском, т. к. оно построено, допустим, с помощью кирпичной кладки, а кирпичная кладка состоит непосредственно из кирпича и раствора цемента. Если же начнет разрушаться кирпич, то, естественно, рухнет и все строение. Так и наша Вселенная – разрушение ее, если это произойдет вообще, также начнется с наномира и микромира.

Микромир – это мир на уровне элементарных частиц. Элементарных частиц очень много: около четырехсот. Большинство из этих частиц – физическая экзотика. Мы не знаем, зачем их так много. Весь наш привычный мир построен всего из трех элементарных частиц, которые были открыты первыми – это электрон, протон и нейтрон. К элементарным частицам относят также фотон – частицу электромагнитного поля. По современным представлениям вопрос о размерах частиц ставить некорректно. У них нет четкой границы, они как бы размазаны по пространству, и мы можем знать только вероятность нахождения частицы в той или иной области. Тем не менее не вызывает возражений утверждение, что элементарные частицы очень малы. Только про фотон мы не можем так сказать. Мы можем сказать, что фотон обладает незначительной энергией и малым импульсом, но понятия размера для фотона не существует. У фотона нет такого свойства, поэтому нельзя сказать "маленький фотон" или "большой фотон".

Так как все вещество построено из протонов, нейтронов и электронов, а электромагнитное поле – из фотонов, можно утверждать, что основное население микромира состоит из этих четырех частиц. Это не означает, что остальные частицы не имеют никакого значения. Каждая из элементарных частиц важна на своем месте. Например, мезоны обеспечивают взаимодействие между протонами и нейтронами и удерживают их вместе в ядре. Всепроникающие и почти неуловимые нейтрино образуются при некоторых реакциях, унося часть энергии. Без них эти реакции были бы невозможны.

Простейший атом вещества – атом водорода – состоит из одного протона и одного электрона. Его диаметр примерно равен 10 -10 м = 1 (ангстрем). Ангстрем наиболее удобная единица длины для микромира. Он примерно во столько же раз меньше одного метра, во сколько раз длина нашего класса меньше расстояния от Земли до Солнца. Можно сказать, что атом так же далек от нас, как и Солнце. Только Солнце далеко вдаль, а атом далек в глубину.

Один моль вещества содержит 6.02 ∙ 10 23 молекул. Один моль газа при нормальных условиях занимает объем примерно равный 22.4 литра. В одном кубометре воздуха содержится, следовательно .

Один кубометр воздуха содержит

Вот мы и пришли к астрономическим числам в микромире.

Конечно, это произошло из-за того, что объекты микромира очень малы и наши привычные единицы измерения, для них не удобны. Мы сказали уже раньше, что более удобной является единицы длины равная одному ангстрему 1 . Если выделить в пространстве куб с ребром в один ангстрем, то внутри него может находиться только одна молекула. Поскольку молекулы движутся, то большую часть времени этот куб будет пустой и в отдельные моменты в него будет залетать одна молекула: больше молекул в таком кубе не поместятся. Куб размером в один ангстрем очень мал и на этом уровне размеров газ уже не кажется однородным и непрерывным. Отдельные области очень сильно отличаются по содержанию вещества: в большинстве его нет, а в отдельных областях, которым посчастливилось приютить на данное короткое время молекулу, плотность вещества очень высокая. Среднее по времени количество молекул, содержащееся в таком кубе, всегда будет намного меньше единицы.

Планетарная модель атома Резерфорда. Смотри приложение А.

К сожалению, в современном научном мире считается нормой, скажем так, приведение изучаемого объекта в соответствие с имеющимися у исследователя методами и инструментами. Помимо очевидной сомнительности такого подхода с морально-этической точки зрения, есть ещё и менее очевидная, но не менее важная причина искать альтернативу: погрешность результатов наблюдений, вызванная воздействием наблюдателя тем выше, чем значительнее воздействие наблюдателя на наблюдаемый объект.

Таким образом, неразрушающие методы исследования не только пропагандируют гуманное отношение к окружающему нас миру, но и позволяют открывать его с новой, возможно, недостаточно хорошо изученной стороны.

Кроме того, изучать микромир очень интересно. И результатами наблюдений хочется делиться.

Современные представления о макромире и микромире сложились в ходе становления квантовой теории и ее осмысления: объекты исследования доквантовой физики составляют макромир, а объекты, на базе которых разрабатывается квантовая теория, составляют микромир. Квантовая теория создавалась как теория структуры и свойств атома и процессов атомного масштаба; ныне же она лежит в основе физики элементарных частиц. С точки зрения представлений классической физики, законы квантовой теории оказались весьма странными и парадоксальными, что и определило становление концепции об особом своеобразном физическом мире. Высказывается мнение, что квантовая теория представляет такой “плод человеческой мысли, который более всякого другого научного достижения углубил и расширил наше понимание мира” (Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. М., 1977, с. 34). Важнейшими особенностями квантовых представлений, позволяющими говорить об особом мире физических явлений, являются корпускулярно-волновой дуализм, принципиально вероятностный характер процессов микромира и относительность свойств микрообъекта, фиксируемых на макроуровне.

Исторически проникновение науки в область микропроцессов приводило к разработке научных теорий большой степени общности. Проникновение в структуру вещества привело к разработке классической статистической физики, а анализ глубинных структур наследственности — к созданию генной теории. Познание атома породило квантовую теорию — наиболее фундаментальную в современной физике. “Микрофизика вчера, сегодня и, нужно думать, завтра, — как отметил отечественный физик В. Гинзбург, — была, есть и будет передним краем физики и всего естествознания” (Гинзбург В. О перспективах развития физики и астрофизики в конце 20 в. — Физика 20 в. Развитие и перспективы. М-, 1984, с. 299). Представления о макромире и микромире взаимодополняют и взаимообусловливают друг друга. Знание свойств и законов микромира позволяет раскрыть свойства и структуры объектов макромира, а знание макромира позволяет раскрыть богатство внутренних возможностей объектов микромира.

Нынешние представления о макромире и микромире сформировались в ходе становления квантовой теории и ее осмысления: объекты исследования доквантовой физики составляют макромир, а объекты, на базе которых разрабатывается квантовая теор ия, есть микромир. Квантовая теория образовывалась как теория структуры и свойств атома и процессов атомного масштаба; теперь же она лежит в основе физики элементарных частиц. С точки зрения представлений классической физики, законы квантовой теории попались крайне странными и парадоксальными, что и обусловило становление концепции о специализированном своеобразном физическом мире. Высказывается мнение, что квантовая теория представляет такой “плод человеческой мысли, который более всякого другого научного достижения углубил и расширил наше понимание мира” (Вайскопф В.). Главными особенностями квантовых представлений, позволяющими говорить о неповторимом мире физических явлений, возникают дуализм, принципиально вероятностный характер процессов микромира и относительность свойств микрообъекта, фиксируемых на макроуровне.

Исторически проникновение науки в область микропроцессов повергало к разработке научных теорий крупной степени общности. Проникновение в структуру вещества ввергло к разработке классической статистической физики, а анализ глубинных структур наследственности — к созданию генной теории. Познание атома вызвало квантовую теорию — более фундаментальную в современной физике. “Микрофизика вчера, сегодня и, нужно думать, завтра, — как отметил отечественный физик В. Гинзбург, — была, есть и будет передним краем физики и всего естествознания” (Гинзбург В. О перспективах развития физики и астрофизики в конце 20 в. — Физика 20 в. Развитие и перспективы. М-, 1984, с. 299). Представления о макромире и микромире взаимодополняют и взаимообусловливают друг друга. Знание свойств и законов микромира дозволяет раскрыть свойства и структуры объектов макромира, а знание макромира разрешает раскрыть богатство внутренних возможностей объектов микромира.

Знание свойств и законов микромира даёт разрешение обнаружить свойства и структуры объектов макромира, а знание макромира дозволяет раскрыть богатство внутренних возможностей объектов микромира.

Развитие физики микромира реорганизует и главные формы теоретического выражения знаний. В частности, при переходе от классической физики к физике микромира произошли изменения в нашем понимании элементарного — переход от представлений о бесструктурных атомах (материальных точек) к представлениям об элементарных событиях как о некоторых далее неразложимых (бесструктурных) актах взаимодействия. И теория относительности, и особенно квантовая теория в своих построениях исходят из понятия события, представляющего собою бесструктурный элементарный объект. Отечественный физик А. Д. Александров, имея в виду структуру теории относительности, говорил: “Простейший элемент мира — это то, что называется событием. Оно представляет собою “точечное” явление вроде мгновенной вспышки точечной лампы или, пользуясь наглядными представлениями о пространстве и времени, явление, протяжением которого в пространстве и во времени можно пренебречь. Итак, событие аналогично точке в геометрии, и, подражая определению точки, данному Эвклидом, можно сказать, что событие — это явление, часть которого есть ничто, оно есть “атомарное” явление. Всякое явление, всякий процесс представляется как некоторая связная совокупность событий. С этой точки зрения весь мир рассматривается как множество событий” (Александров А. Д. О философском содержании теории относительности. — Эйнштейн и философские проблемы физики 20 в. М., 1979, с. 113). Анализу перехода от языка объектов к языку событий в ходе становления современной физики принципиальное значение придавал Б. Рассел (см.: Рассел Б. Человеческое познание. М., 1957. с. 358 и 497). Можно, т. о., утверждать, что мир макрофизики есть мир, построенный из объектов, а мир микрофизики есть мир, образованный из событий.

Обзор

Авторы

Редакторы

Один из старейших научных приборов — микроскоп — появился практически одновременно с наукой в ее современном виде. Этот канонический инструмент биолога более 400 лет был важнейшим средством для познания живого, и дал львиную долю наших знаний об устройстве жизни. Все это время эволюция микроскопа продолжалась, расширяя возможности увидеть неразличимое глазом.

12 биологических методов в картинках

И вот мы решили рассказать о лабораторных методах более системно, собрать воедино в одной рубрике самые главные, самые современные биологические методики. Чтоб было интереснее и нагляднее, мы густо проиллюстрировали статьи и даже кое-где добавили анимации. Мы хотим, чтобы статьи новой рубрики были интересны и понятны даже случайному прохожему. И с другой стороны — чтобы они были так подробны, что даже профессионал мог бы обнаружить в них что-то новое. Мы собрали методики в 12 больших групп и собираемся сделать на их основе биометодический календарь. Ждите обновлений!

История микроскопии

На пороге микромира

Собирающие (увеличивающие) линзы были известны с XI века, и очки распространились по Европе уже в XIV веке. Традиционно изобретение первого составного микроскопа приписывают отцу и сыну — Хансу и Захарию Янсенам в 1595 году (рис. 1). Этот первый микроскоп мог увеличивать изображение всего в 3–9 раз. Есть версия, что первый микроскоп создал Корнелиус Дреббель. Среди изобретателей первых микроскопов был и Галилей, создавший свой микроскоп в 1609 году. Так или иначе, ни один из изобретателей не оставил подробных описаний микромира. Микроскопия как наука началась с Роберта Гука, который в 1665 году издал Micrographia — книгу, в которой подробно описывались устройство микроскопа, основы оптики и первые наблюдения за биологическими объектами, иллюстрированные подробными рисунками [1]. Микроскоп Гука (рис. 2) состоял из трех линз и источника света — эта основа сохраняется и в современной микроскопии. Однако достичь больших увеличений удалось с помощью более простой конструкции — Антони ван Левенгук использовал, казалось бы, примитивный микроскоп всего с одной линзой (рис. 2). Однако благодаря высочайшему качеству этой линзы ему удалось достичь 200-кратного увеличения и описать клетки простейших и даже крупные бактерии. Использование всего одной линзы не создавало оптических аберраций, которые только множились при конструировании более сложной оптической системы.

Рисунок 1. Микроскопия: этапы большого пути. 1590 г. — Захарий и Ханс Янсены создают первый микроскоп. 1665 г. — первое издание книги Роберта Гука Micrographia: описание и иллюстрации первых микроскопических исследований. 1674 г. — Антони ван Левенгук с помощью своего микроскопа описывает инфузории, а в дальнейшем — бактерии, сперматозоиды, вакуоли внутри клетки и т.п. 1858 г. — Йозеф фон Герлах разрабатывает окрашивание кармином — одной из первых гистологических красок. 1878 г. — Эрнст Аббе выводит формулу Аббе, позволяющую вычислить максимальное разрешение, исходя из длины волны. 1911 г. — Оскар Хеймштадт изобретает первый флуоресцентный микроскоп. 1929 г. — Филипп Эллингер и Август Хирт конструируют эпифлуоресцентный микроскоп, в котором эффективно отфильтровывалось излучение от источника света. 1932 г. — Фриц Цернике изобретает фазовый контраст, позволяя рассматривать живые неокрашенные объекты с большим контрастом. 1933 г. — Эрнст Руска совместно с Максом Кноллем создает первый электронный микроскоп. В 1939 году с его помощью выпустили первый коммерческий электронный микроскоп. 1934 г. — Джон Маррак получает первый конъюгат антитела с красителем. Первое практическое использование Альбертом Кунсом, усовершенствовавшим технику конъюгацией с флуоресцентной меткой. 1942 г. — Эрнст Руска создает сканирующий электронный микроскоп. 1962 г. — первое описание GFP Осамой Симомурой. 1967 г. — первое использование конфокальной микроскопии Моймиром Петраном, Дэвидом Эггером и Робертом Галамбосом. 1969 и 1971 гг. — первое описание конфокальной лазерной микроскопии. 1981 г. — Герд Бинниг и Генрих Рорер создают первый сканирующий туннельный микроскоп. 1986 г. — Герд Бинниг, Келвин Куэйт и Кристофер Гербер изобретают атомно-силовую микроскопию. 1990 г. — Винфрид Денки и Джеймс Стиклер разрабатывают первый двухфотонный микроскоп. 1994 г. — Штефан Хелл: суперразрешающая электронная микроскопия на основе подавления спонтанного испускания (STED). 2006 г. — изобретение PALM/STROM-микроскопии. Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.

В результате изучения космических лучей и удалось получить некоторые сведения о частицах высоких энергий. Но на Земле интенсивность этого излучения слишком мала, чтобы проводить детальные исследования. Для ускорения протонов и электронов до высоких энергий с целью изучения их реакций были изобретены специальные установки, такие, как синхротроны и линейные ускорители. Другим важным новшеством в экспериментальном исследовании микромира была разработка установок для обнаружения частиц высокой энергии и измерения некоторых их параметров, например импульса и электрического заряда. Необходимость создания установок нового типа обусловлена тем, что величины, характеризующие одну микрочастицу, и время, отводимое для проведения эксперимента с ней, чрезвычайно малы.

Время эксперимента мало по двум причинам: во-первых, многие частицы нестабильны и быстро распадаются на другие частицы; во-вторых, обладая большой скоростью, частицы очень быстро покидают область измерения. Несмотря на это, были построены установки, надежно регистрирующие частицы, которые находятся в них очень малый промежуток времени — до 10 – 11 с. Во многих случаях такие детекторы дают ясную картину последовательности процессов взаимодействия, которая, как полагают, верно, отражает процессы, происходящие в действительности.

Читайте также: