Структурные уровни организации материи.

 

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в единое целое.

Система представляет собой совокупность элементов и связей между ними. Понятие «элемент» означает минимальный, далее неделимый компонент в рамках системы. Неделимым он является лишь по отношению к данной системе, в других же отношениях он сам может быть системой.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы. Существуют два типа связей между элементами системы: по «горизонтали» и по «вертикали».

Связи по «горизонтали – это связи координации между однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие части.

Связи по «вертикали» - это связи субординации, то есть соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает уровни организации системы, а также их иерархию.

Исходным пунктом всякого системного исследования является представление о целостности изучаемой системы.

Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми свойствами. Свойства системы не является суммой свойств элементов ее составляющих. Свойства системы определяются взаимодействием ее элементов.

Согласно современным научным взглядам, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Все системы делятся на закрытые, в которых отсутствуют связи с внешней средой, и открытые, связанные с внешней окружающей средой. Закрытой система может быть только теоретически. Реальные природные системы открытые, так как обмениваются с внешней средой информацией, энергией и веществом. В естественных науках выделяют два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют физический вакуум, элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетарные системы, звезды и звездные системы – галактики, системы галактик – метагалактику.

В живой природе к структурным уровням организации материи относят системы доклеточного уровня – нуклеиновые кислоты и белки; клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы; биосферу как всю массу живого вещества.

В природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы – биогеоценозы.

В науке выделяют три уровня строения материи:

Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах и годах.

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с.

Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, 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.

 

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

 

Элементарные частицы – основные структурные элементы микромира. Элементарные частицы могут быть составными (протон, нейтрон) и несоставными (электрон, нейтрино, фотон). К настоящему времени обнаружено более 400 частиц и их античастиц. Элементарные частицы классифицируют по следующим признакам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимодействия, времени жизни частиц, спину. В зависимости от массы покоя частицы (масса покоя определяется по отношению к массе покоя электрона, которая считается самой малой) выделяют:

Фотоны – частицы, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света;

Лептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино);

Мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона (пи-мезон, ка-мезон);

Барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс эдектрона (протоны, нейтрино).

В зависимости от электрического заряда выделяют:

Частицы с отрицательным зарядом (электроны);

Частицы с положительным зарядом (протон, позитрон);

Частицы с нулевым зарядом (нейтрино);

Частицы с дробным зарядом (кварки).

С учетом типа фундаментального взаимодействия, в котором участвуют частицы, среди них выделяют:

Адроны, участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

Лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

Частицы – переносчики взаимодействий (фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, гравитоны – переносчики гравитационного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, промежуточные векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия).

По времени жизни частицы делятся на стабильные (до 10-10 с), квазистабильные (10-24-10-26 с) и нестабильные (10-10-10-24 с).

 

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Рождение квантовых представлений. В конце XX века волновая теория не могла объяснить и описать тепловое излучение во всем диапазоне частот электромагнитных волн. А то, что тепловое излучение, и в частности свет, является электромагнитными волнами, стало научным фактом. Дать точное описание теплового излучения удалось немецкому физику М.Планку в 1900 году. Планк установил, что тепловое излучение (электромагнитная волна) испускается не сплошным потоком, а порциями (квантами). Согласно формуле Планка энергия каждого кванта пропорциональная частоте электромагнитной волны: E=hν, где h – постоянная Планка, равная 6,62 x 10-34 Дж. с. На основе квантовых представлений А.Эйнштейн в 1905 году разработал теорию фотоэффекта, который гласит: свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, он излучается, распространяется и поглощается квантами. Кванты света стали называть фотонами.