Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

Явление, лежащее  в основе открытия Эрстеда, было объяснено  Ампером магнитным действием  тока. Взаимодействия токов настолько отличались от прежде известных электрических явлений, что Ампер назвал эти новые явления электродинамическими и предложил разделение науки об электричестве на электростатику и электродинамику. Открытие Эрстеда повлекло за собой цикл экспериментальных работ М. Фарадея (1791-1867), разработавшего концепцию электромагнитного поля и теоретических работ Д.К. Максвелла (1831-1879), воплотивших эту концепцию в строгую теорию электромагнетизма, что с полным правом считается величайшим достижением научной мысли.

К концепции электромагнитного  поля Фарадея привело открытие электромагнитной индукции - явления, в существовании которого он был уверен и к которому он шел долгие годы. Если открытие Эрстеда устанавливало магнитное действие электрического тока, то Фарадей поставил перед собой обратную задачу - превратить магнетизм в электричество. Решением этой задачи было открытие в 1831 г. электромагнитной индукции - получения электрического тока путем изменения магнитного поля в пространстве, охватываемом замкнутым электрическим контуром.

Открытие электромагнитной индукции проложило путь к современным  электрогенераторам. Первый же электрический генератор, созданный Фарадеем, представлял собой медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Напряжение с диска снималось при помощи скользящих контактов.

Свои представления об электрических  и магнитных явлениях Фарадей  изложил в фундаментальном труде "Экспериментальные исследования по электричеству" (1833 -1855), выражающем общую концепцию электричества и магнетизма, базирующейся на понятии передачи взаимодействия посредством некоторой материальной среды, названной Фарадеем "полем" и на понятии "силовых линий", пронизывающих поле и определяющих направление и величину действующих сил. На основе экспериментальных исследований Фарадея английский физик Максвелл создал свою электромагнитную теорию.

Теория электромагнетизма Максвелла - единая теория электрических и магнитных явлений, возникшая как переложение идей Фарадея на строгий математический язык. Основу теории электромагнетизма Максвелла составляют уравнения электромагнитного поля, обобщающие экспериментальные законы электромагнетизма и известные как уравнения Максвелла.

Теория электромагнетизма Максвелла, являясь обобщением основных законов  электрических и магнитных явлений, не только смогла объяснить уже известные к тому времени экспериментальные факты, но и предсказала новые явления. Так было предсказано существование электромагнитных волн - переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было показано, что скорость распространения электромагнитного поля в вакууме равна скорости света.

Систематическому изложению теории электромагнетизма Максвелла посвящен его "Трактат об электричестве и магнетизме" (1871). Специальный раздел в своем учении Максвелл уделяет электромагнитной теории света.

Экспериментальное доказательство существования  электромагнитных волн было проведено  в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем (1857-1894) с помощью лабораторной установки, позволившей впервые получить и зарегистрировать электромагнитную волну. Герцем были проведены опыты, показавшие, что электромагнитные волны обладают всеми свойствами света: отражением, преломлением, интерференцией, дифракцией, поляризацией, распространяются со скоростью света. Эти выводы явились подтверждением того факта, что свет также представляет собой электромагнитную волну.

Завершением экспериментального доказательства существования электромагнитных волн было первое практическое применение электромагнитных волн для связи, осуществленное в 1896 г. русским физиком А.С. Поповым (1859-1905). 12 марта 1896 г. Попов передал первую в мире радиограмму, состоящую из двух слов: "Генрих Герц", которые были записаны на телеграфную ленту. В июне 1896 г., спустя несколько месяцев после выхода в свет статьи Попова и после демонстрации им первой приемопередаточной установки, появилось сообщение о том, что итальянец Г. Маркони оформил патент на аналогичное изобретение. Само же описание установки, которую запатентовал Маркони, было опубликовано только через год.

Многочисленные практические применения электромагнитных явлений несомненно способствовали существенному преобразованию сферы деятельности человека и развитию цивилизации в целом.

Задание 5. Какие гипотезы и постулаты  лежат в основе квантовой механики?

Ответ:

Создание и становление квантовой  механики охватывает период с 1900 года (формулировка Планком квантовой  гипотезы) до конца 20-х годов двадцатого века и связано, прежде всего, с работами австрийского физика Э. Шредин-гера, немецких физиков М. Борна и В. Гейзенберга и английского физика П. Дирака.

Дифракционная картина, наблюдаемая  для микрочастиц, характеризуется  неодинаковым распределением потоков микрочастиц, рассеянных или отраженных по различным направлениям: в одних направлениях наблюдается большее число частиц, чем в других. Наличие максимума в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что эти направления соответствуют наибольшей интенсивности волн де Бройля. С другой стороны, интенсивность волн де Бройля оказывается больше там, где имеется большее число частиц. Таким образом, интенсивность волн де Бройля в данной точке пространства определяет число частиц, попавших в эту точку.

Дифракционная картина для микрочастиц - это проявление статистической (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интенсивность волн де Бройля больше. Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц - важная отличительная особенность квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, то есть считать, что вероятность обнаружить микрочастицы в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля неверно уже хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства отрицательна, что не имеет смысла.

Чтобы устранить  указанные трудности немецкий физик  М. Борн (1882-1970) в 1926 году предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: а именно квадрат модуля волновой функции (квадрат амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме.

Статистическое  толкование волн де Бройля и соотношение  неопределенностей Гейзенберга привели к выводу, что уравнением движения в квантовой механике, описывающим движения микрочастиц в различных силовых полях, должно быть уравнение, из которого вытекали бы наблюдаемые на опыте волновые свойства частиц. Основным должно быть уравнение относительно волновой функции, так как ее квадрат определяет вероятность нахождения частицы в заданный момент времени в заданном определенном объеме. Кроме того, искомое уравнение должно учитывать волновые свойства частиц, то есть должно быть волновым уравнением.

Основное  уравнение квантовой механики сформулировано в 1926 году Э. Шредингером. Уравнение Шредингера, как и все основные уравнения физики (например, уравнение Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла для электромагнитного поля) не выводится, а постулируется. Правильность уравнения Шредингера подтверждается согласием с опытом получаемых с его помощью результатов, что в свою очередь придает ему характер законов природы.

Волновая  функция, удовлетворяющая уравнению  Шредингера, не имеет аналогов в  классической физике. Тем не менее при очень малых длинах волн де Бройля автоматически совершается переход от квантовых уравнений к классическим, подобно тому, как волновая оптика переходит в лучевую для коротких длин волн. Оба предельные переходы в математическом отношении совершаются аналогично.

Открытие  нового структурного уровня строения материи и квантовомеханического способа его описания заложило основы физики твердого тела. Были поняты строение металлов, диэлектриков, полупроводников, их термодинамические, электрические и магнитные свойства. Открылись пути целенаправленного поиска новых материалов с необходимыми свойствами, пути создания новых производств, новых технологий. Большие успехи были достигнуты в результате применения квантовой механики к ядерным явлениям. Квантовая механика и ядерная физика объяснили, что источником колоссальной энергии звезд являются ядерные реакции синтеза, протекающие при звездных температурах в десятки и сотни миллионов градусов.

Плодотворным  оказалось применение квантовой  механики к физическим полям. Была построена квантовая теория электромагнитного поля - квантовая электродинамика, объяснившая много новых явлений. Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон - частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специальной теории относительности, осуществленный английским физиком П. Дираком, привел к предсказанию античастиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой "двойник" - другая частица с той же массой, но с противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Дирак предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон - позитрон и обратно. Позитрон - античастица электрона - экспериментально был открыт в 1934 г.

Задание 6. Укажите основные стехиометрические  законы.

Ответ:

Первым  разделом научной химии явилась  стехиометрия, изучающая количественный состав веществ, а также количественные соотношения между веществами, вступающими в реакцию. В конце XVIII - начале XIX вв. были открыты стехиометрические законы (закон постоянства состава, закон кратных отношений, закон простых объемных отношений, закон Авогадро).

   Закон постоянства состава

Уже к началу XIX в. накопилось много данных о составе  отдельных веществ и их изменениях. Развитие техники количественных измерений и методов химического анализа позволило определять соотношения элементов в соединениях. Французский химик Ж. Пруст (1754-1826) после тщательнейших экспериментов с рядом веществ установил закон постоянства состава - один из основных законов химии.

Согласно  закону постоянства состава, всякое чистое вещество, независимо от способов его получения и нахождения в природе, имеет постоянный качественный и количественный состав.

Это означает, что все соединения содержат элементы в строго определенных весовых пропорциях, независимо от способа получения. Так, например, сернистый газ, полученный сжиганием серы, или действием  кислот на сульфиты, или любым другим способом, всегда содержит одну весовую  часть серы и одну весовую часть  кислорода.

Закон постоянства  состава веществ был установлен в результате семилетнего спора  между Прустом и его оппонентом, французским химиком К. Бертолле (1748-1822), утверждавшим, что состав соединений зависит от способа их получения.

Бертолле  в результате анализа растворов, которые он считал химическими соединениями, сделал общий вывод о существовании химических соединений переменного состава. Получалось, что два элемента могут образовать непрерывный ряд соединений с изменяющимися свойствами и составом.

Пруст утверждал, что состав чистого вещества всегда один и тот же, любое химическое вещество имеет всегда одни и те же свойства, одинаковую температуру плавления, кипения, удельный вес. Пруст заявлял, что природа даже через посредство людей никогда не производит соединений иначе, как только по весу и мере. Одни и те же соединения имеют всегда тождественный состав. Внешний их вид может быть различен, но свойства - никогда. Нет разницы между окисью железа из южного полушария и из северного, хлористое серебро из Перу совершенно тождественно хлористому серебру из Сибири; во всем мире имеется только один хлористый натрий, одна селитра и т.д. Проделав в течение 1799-1887 гг. массу анализов, Пруст доказал справедливость своих выводов.

Дальнейшее  развитие химии показало, что закон  постоянства состава характеризует  соединения с молекулярной структурой, состав же соединений с немолекулярной структурой (атомной, ионной и металлической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.

В начале XX в. русский химик Курнаков, изучая сплавы металлов, открыл соединения переменного состава. В дальнейшем было выяснено, что соединения переменного состава встречаются также среди оксидов, соединений металлов с серой, азотом, углеродом, водородом а также - среди других неорганических веществ, имеющих кристаллическую структуру. Вещества переменного состава были названы бертоллидами, в отличие от соединений постоянного состава - далътонидов. Для многих соединений переменного состава установлены пределы, в которых может изменяться их состав.

 Таким образом, закон постоянства  состава, в отличие от закона  сохранения массы вещества, не  является столь всеобщим. Однако для своего времени закон постоянства состава имел фундаментальное значение. Он привел к мысли о существовании молекул и подтвердил неделимость атомов. В самом деле, почему в сернистом газе весовое отношение серы и кислорода всегда 1:1, а не 1,1:0,9 или 0,95:1.05.   Этот результат легко объяснить, если предположить, что атомы серы соединяются с определенным числом атомов кислорода и образуют частицы сернистого газа (эти частицы впоследствии были названы молекулами).

    Закон  простых кратных отношений

Закон постоянства состава был  теоретически обоснован в 1800-1810 гг. английским ученым Дж. Дальтоном (1766-1844), который на основе атомической гипотезы не только подтвердил этот закон, но и  открыл новый закон - закон простых кратных отношений.

Закон простых кратных отношений  утверждает, что если два химических элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то весовые количества одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одно и то же весовое количеств другого элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.

Этот закон был установлен не на основе опытных данных, а был  выведен из атомистических представлений, согласно которым предполагались целочисленные соотношения атомов в соединениях.

Из закона простых кратных отношений следует, что атомы элементов соединяются  в молекулы, причем молекулы содержат небольшое число атомов. Измерение весового содержания элементов позволяет, с одной стороны, определять молекулярные формулы соединений, а с другой стороны - находить относительные веса атомов.

Закон простых  кратных отношений, как и закон  постоянства состава, не является всеобщим законом природы.

Дальтон составил первую в истории химии таблицу  атомных весов элементов. Однако она оказалась во многих отношениях неверной, поскольку при определении атомных весов Дальтон часто исходил из неправильных молекулярных формул. Он считал, что атомы элементов почти всегда соединяются попарно, так формула воды по Дальтону НО. Кроме того Дальтон был уверен, что молекулы всех простых веществ содержат по одному атому.