Естествознание. 3

Оглавление 
 

1. ОТЛИЧИЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ОТ СПЕЦИАЛЬНЫХ 

     ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК. ПОЧЕМУ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМИ

    ОТРАСЛЯМИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ЯВЛЯЮТСЯ ФИЗИКА, ХИМИЯ,

     БИОЛОГИЯ И ГЕОЛОГИЯ? ЧТО ЭТО ЗА НАУКИ? КАКОВА РОЛЬ

     МАТЕМАТИКИ В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ?....................3 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ ПО ВРЕМЕНИ

    ЖИЗНИ (СТАБИЛЬНЫЕ, НЕСТАБИЛЬНЫЕ И КВАЗИСТАБИЛЬНЫЕ

     (РЕЗОНАНСЫ)) И ПО ЗАРЯДУ. ЧАСТИЦЫ И АНТИЧАСТИЦЫ.

     СТОЛКНОВЕНИЕ «ЧАСТИЦА-АНТИЧАСТИЦА». АННИГАЛЯЦИЯ

     ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОТОНОВ.

      РЕАЛЬНЫЕ И ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ………………………………7 

3. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ.

    СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В БИОЛОГИИ. ПЯТЬ ОСНОВНЫХ УРОВНЕЙ

     ОРГАНИЗАЦИИ (МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ, КЛЕТОЧНЫЙ,

      ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ, ПОПУЛЯЦИОННО-ВИДОВОЙ И

      БИОСФЕРНЫЙ). КРИТЕРИЙ ВЫДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ УРОВНЕЙ.

       КАКОВЫ ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КАЖДОГО ИХ ЭТИХ

       УРОВНЕЙ?......................................................................................................17 

Литература……………………………………………………………………….19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ОТЛИЧИЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ОТ СПЕЦИАЛЬНЫХ  ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК.

ПОЧЕМУ  ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМИ ОТРАСЛЯМИ  ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ЯВЛЯЮТСЯ ФИЗИКА, ХИМИЯ, БИОЛОГИЯ И ГЕОЛОГИЯ? ЧТО  ЭТО ЗА НАУКИ?

КАКОВА  РОЛЬ МАТЕМАТИКИ В  СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ? 

      Отличием  естествознания как науки от специальных  естественных наук является то, что  оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук,"выискавая" наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривает Природу как бы сверху. Естествознание, признавая специфику входящих в него наук (физики, химии, биологии, географии и др.) в то же время имеет своей целью исследование Природы как единого целого.

     Изучение  предметов по отдельности – физики, химии и биологии, – является лишь первой ступенью к познанию Природы во всей ее целост-ности, т.е. познанию ее законов с общей естественнонаучной позиции.

     Физика, химия, геология и биология относятся к числу фундаменталь-ных отраслей современного Естествознание и образуют стержень классифи-кации наук.

     В основу приведённого (раздвоенного) ряда наук положен принцип развития предмета (природы). Но тот же принцип можно  применить к различным по масштабу объектам природы - от космических систем (астро-номия) до отдельных планет (геология, включая вообще учение об отдельных планетах и спутниках) и до отдельных сторон (география) и компонентов (биология) данной планеты. Тогда составится другой ряд наук: астрономия - геология - география - биология.

     Физика — это наука о природе в самом общем смысле (часть приро-доведения). Она изучает вещество (материю) и энергию, а также фунда-ментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи. 

       Химия - одна из важнейших естественно-научных дисциплин, прежде всего наука о структуре молекул, а также о процессах взаимодействия молекул и поведении веществ при различных химических реакциях.

     В современной химии изучаются  не только простейшие молекулы, состоящие  из двух или нескольких атомов, что характерно для неоргани-ческих соединений, но и более сложные молекулярные образования из десятков, сотен и даже тысяч атомов, которые встречаются в органической химии и особенно в биохимии, т.е. химии биологических веществ. Проблемы сложных молекулярных образований требуют строгого применения всех достижений современной микрофизики. Именно поэтому в наше время воз-никла и получила большое развитие новая промежуточная дисциплина, полу-чившая название химической физики. Она отлична от ранее существовавшей физической химии, которая возникла еще в XIX веке на основе достижений макрофизики, в основном механики и термодинамики.  

     Биоло́гия (греч. βιολογία — βίος, биос, «жизнь»; др.-греч. λόγος — учение) — наука о жизни (живой природе), одна из естественных наук, предметом которой являются живые существа и их взаимодействие с окру-жающей средой. Биология изучает все аспекты жизни, в частности, струк-туру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.

       Геология - это целый комплекс наук о составе, строении и истории развития земной коры и всей Земли с ее различными сферами, вплоть до ионосферы. Современная геология включает в себя: стратиграфию (учение о формировании горных пород), тектонику (учение о развитии структуры зем-ной коры и ее изменений под влиянием тектонических движений и дефор-маций, связанных с развитием Земли в целом), региональную геологию, ми-нералогию (учение о составе, свойствах и условиях образования минералов, нахождении и изменении их в природе), петрографию (наука о горных породах), литологию (науку об осадочных породах), учение о полезных ископаемых и т.д.

       Геология связана с физикой  в основном через промежуточную  науку - геофизику, с химией - через  геохимию, а также со многими  другими науками. Особые отношения геология имеет с техникой, например, со строительной.

     Выдающийся  итальянский физик и астроном, один из создателей точного естествознания Галилео Галилей (1564-1642) сказал: «Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразре-шенную задачу. Следует измерить то, что таковым не является».

     Необходимая для такого естествознания математика начинается с прос-тейших измерений. По мере своего развития точное естествознание исполь-зует все более совершенный арсенал так называемой высшей математики.

     Математика, как логический вывод и средство познания Природы – творение древних  греков, которым они начали всерьез  заниматься за шесть веков до нашей  эры. Начиная с 6 века до н.э. у греков сложилось понимание того, что Природа устроена рационально, а все явления протекают по точному плану – «математическому». Платон (428/427 – 348/347 до н.э.) – один из основоположников натуральной философии (философии Природы) начертал в качестве девиза своей философской школы слова: «Негеометр – да не войдет».

     Галилео Галилей в одном из своих произведений, взвешивая все ничтожные философские  аргументы одного из своих оппонентов, противо-поставлял их истинную философию как открытую книгу Природы, доступ-ную лишь тому, кто знает язык математики.

     Немецкий  философ Иммануил Кант (1724-1804) утверждал  в своих «Метафизических началах  естествознания», что: «В любом частном  учении о природе можно найти  науки в собственном смысле (т.е. чистой, фундамен-тальной) лишь столько, сколько имеется в ней математики. Стоит привести и высказывание Карла Маркса (1818-1883) о том, что: «Наука только тогда достигает совершенства, когда ей удается пользоваться математикой».

     Из  всех высказываний великих людей, что  математика – это «цемент», который  связывает воедино науки, входящие в естествознание и позволяет взглянуть на него как на целостную науку. Не зря ее называют «царицей всех наук». Без логического аппарата математики не обойдется ни одна наука. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ ПО ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ (СТАБИЛЬНЫЕ, НЕСТАБИЛЬНЫЕ И КВАЗИСТАБИЛЬНЫЕ (РЕЗОНАНСЫ)) И ПО ЗАРЯДУ.

ЧАСТИЦЫ И АНТИЧАСТИЦЫ.

СТОЛКНОВЕНИЕ  «ЧАСТИЦА-АНТИЧАСТИЦА». АННИГАЛЯЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОТОНОВ.

РЕАЛЬНЫЕ  И ВИРТУАЛЬНЫЕ  ЧАСТИЦЫ 

     В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

     Стабильными (в пределах точности совр. измерений) являются: элект-рон (время жизни более 5 -10²¹ лет), протон (более 10³¹ лет), фотон и нейтрино.

     К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного  и слабого взаимод., их времена  жизни более 10^-20 с.

     Резонансы распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10^-22-10^-24 с.

     Каждая  частица имеет своего двойника — античастицу. Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же значения, что и частица — масса, спин, время жизни, и некоторые характеристики с противоположным знаком — электрический заряд, барионное и лептонные числа, s, c, b, t.  
 
 
 
 
 
 
 

     Связь характеристик частиц и античастиц 

     Античасти́ца — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой заряды, барионное и лептонное квантовые числа).

     Само  определение того, что называть «частицей» в паре частица-анти-частица, в значительной мере условно. Однако при данном выборе «части-цы» её античастица определяется однозначно. Сохранение барионного числа в процессах слабого взаимодействия позволяет по цепочке распадов барио-нов определить «частицу» в любой паре барион-антибарион. Выбор электро-на как «частицы» в паре электрон-позитрон фиксирует (вследствие сохране-ния лептонного числа в процессах слабого взаимодействия) определение состояния «частицы» в паре электронных нейтрино-антинейтрино.

       Переходы между лептонами различных  поколений (типа  ) не наблюдались, так что определение «частицы» в каждом поколении лептонов, вообще говоря, может быть произведено независимо. Обычно по аналогии с электроном «частицами» называют отрицательно заряженные лептоны, что при сохранении лептонного числа определяет соответствующие нейтрино и антинейтрино. Для бозонов понятие «частица» может фиксироваться опреде-лением, например, гиперзаряда.

     У электрона и протона имеются  стабильные античастицы, которые отличаются от них  только электрическим зарядом.

     Античастица электрона, позитрон, появляется в многочисленных ядер-ных реакциях позитронного бета-распада (В-распада).

       Античастицу протона получить достаточно сложно, один из возмож-ных способов – столкновение двух протонов больших энергий (> 2 ГэВ), при котором может возникнуть пара новых частиц – протон и антипротон. Причем вероятность возникновения такой пары достаточно низкая - один антипротон приходится на 60000 пионов (нестабильных частиц небольшой массы (140 МэВ), которые являются основным результатом столкновения протонов)

       Интересно, что для получения  пары протон-антипротон не обязательно  сталкивать протоны, при столкновении  двух электронов она также  появ-ляется.

     Еще один очень важный момент: в отличие  от позитрона, антипротон может появиться  исключительно в паре с протоном.

     Античастицы есть также и у нестабильных частиц. За исключением так называемых истинно-нейтральных  частиц (пион, эта-мезон), которые, в  силу этого, не могут аннигилировать.

     Согласно  теории Дирака, столкновение частицы  и античастицы должно приводить к аннигиляции, исчезновению этой пары частица-античастица, в результате чего рождаются две или более других частиц, например фотоны.

     При столкновении частиц высоких энергий  рождаются новые частицы. Причем рождаются как при столкновении двух однотипных частиц, так и при столкновении пары частица-античастица.

     Никакой аннигиляции электрона и позитрона  в g-кванты не происхо-дит, когда у них высокая энергия. В этом случае (помимо преобразования частиц) рождаются новые частицы так же, как и при столкновении двух электронов. Именно поэтому, полагаю, имеет смысл разделять процессы аннигиляции и рождения новых частиц.

     Среди новых частиц могут быть нейтральные  частицы и заряженные частицы, причем заряженные частицы могут появляться только парами частица-античастица. Именно поэтому при рождении новых частиц соблю-дается закон сохранения электрического заряда.

     При распаде нейтральных пиона и  эта-мезона образуются g-кванты (для  пиона в 98.8% случаев).

     Этим  данные частицы напоминают позитроний, только с более энер-гичными электроном и позитроном. Кстати, и время жизни позитрония соответствующее: парапозитроний аннигилирует в два кванта за 1.25*10-10 секунд, а ортопозитроний — в три кванта за время 1.4*10-7 секунд.

     При встрече частицы и античастицы, когда у них низкие энергии, происходит аннигиляция.

     В результате аннигиляции электрона  и позитрона появляются два или  три g-кванта, общей энергией 2*0.511 МэВ.

     При аннигиляции протона и антипротона  появляется несколько заря-женных пионов и нейтральный пион. В дальнейшем, нейтральный пион превращается в два g-кванта, а заряженные пионы в мюоны, которые, затем в электроны и позитроны.

     Согласно теории строения атомов (от греч. atomos - неделимый, так как атом является мельчайшей частицей химического вещества, сохраняющего его свойства) в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся его масса, а вокруг ядра вращаются элект-роны, образующие электронные оболочки. Число электронов в атоме зависит от массы и заряда ядра. От числа электронов зависит количество электрон-ных оболочек атома.

     Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь поло-жительно или отрицательно заряженными ионами. Основные взаимодействия атома с окружающей средой осуществляются электронами внешней оболоч-ки. Эти электроны могут поглощать или отдавать определенные порции энергии, переходя при этом на различные уровни (различные расстояния до атомного ядра) внешних оболочек. Поскольку нахождение электрона на том или ином уровне определяется его энергией, принято говорить о нормальном или возбужденном состоянии электронов внешней оболочки, а следова-тельно, и о таком же состоянии их атомов.

     Возбуждение атомов может быть вызвано действием  тепла, света, электрического поля.

     Мельчайшие  частицы - носители свойств какого-либо физического поля - называют квантами (от нем. quant, уменьшительного от лат. quantum - сколько; минимальное количество, на которое может изменяться дискретная величина).

     Фотон (от греч. photos - свет) является квантом поля электромаг-нитного излучения оптического диапазона.

     Поглотив  энергию фотона, электрон возбуждается, переходит на более высокий энергетический уровень. Теряя энергию, электрон как  бы успокаи-вается, приходит в нормальное состояние. Но, согласно квантовой теории, терять (как и приобретать) энергию электроны могут только дискретными порциями, квантами. Поэтому переход электрона в нормальное состояние сопровождается выделением кванта - фотона.

     Фотоэффектом называют перераспределение электронов по энергети-ческим состояниям вследствие поглощения веществом фотонов. Фотоэффект наблюдается как в газах, так и в конденсированных средах. В результате поглощения фотона электрон получает дополнительную энергию. Если приобретенная электроном энергия превышает энергию ионизации атома (молекулы) в газах или работу выхода электронов в конденсированных средах, то возможна эмиссия электронов в вакуум или другую среду.

     Такой фотоэффект называется внешним, или фотоэлектронной эмис-сией (для конденсированных сред), или фотоионизацией (для газов). В полу-проводниках фотоэффект проявляется в изменении электропроводности (по-явлении фотопроводности) или возникновении фотоэдс. Такой фотоэффект называют внутренним.

     Действие  большинства оптоэлектронных приборов основано на эффек-тах взаимодействия фотонов и электронов, на фотоэффектах. При этом во многих случаях в качестве основных оптоэлектронных элементов исполь-зуются полупроводники. Как известно, полупроводники по электропровод-ности занимают место между проводниками и диэлектриками. Различие в электропроводности этих материалов физически объясняется следующим обстоятельством.

     Для того чтобы стать электропроводным, вещество должно обладать множеством свободных, не связанных с атомами  электронов, приведенных в возбужденное состояние. Энергетические уровни нормального состояния электрона называют валентной зоной, а уровни, на которых могут находиться возбужденные электроны, - зоной проводимости. У проводников эти две зоны могут соприкасаться или даже налагаться одна на другую, тогда как у диэлектриков и полупроводников между этими зонами находится так называемая запрещенная зона, обусловленная дискретностью энергетичес-кого квантового перехода электронов. У различных веществ энергия, необходимая для преодоления электронами запрещенной зоны, различна.

     Чем легче электроны вещества приходят в возбужденное состояние, тем меньше для этого требуется энергии. Электроны в проводниках нас-только подвижны вследствие соприкосновения (или наложения) границ меж-ду нормальным и возбужденным энергетическим состоянием, что им почти не требуется сообщать дополнительной энергии. На атомном уровне энергию принято измерять в электрон-вольтах. Один электрон-вольт соответствует энергии, которую приобретает электрон при прохождении ускоряющей разности потенциалов в 1 В. Ширину запрещенной зоны часто выражают в электрон-вольтах: E_g [эВ]. Вещества, имеющие значения E_g больше 4 эВ, считаются диэлектриками. Для проводников E_g равна нулю, если валентная зона и зона проводимости соприкасаются, и меньше нуля при их наложении.

     Для полупроводников, используемых в оптоэлектронике, E_g = 0,16 - 3,7 эВ (например, у наиболее типичных: кремния (Si) E_g = 1,12 эВ, арсенида галлия (Ga - As) E_g = 1,45 эВ). Эти и некоторые другие полупроводниковые материалы имеют особое значение в оптоэлектронике, так как дают возмож-ность управлять электронными процессами в веществе с помощью электри-чески нейтрального светового сигнала и, наоборот, влиять на оптические свойства материала электрическими импульсами.

     Виртуальные частицы, частицы, существующие в промежуточных, имеющих малую длительность состояниях, для которых не выполняется обычное соотношение между энергией, импульсом и массой. Другие характе-ристики Виртуальные частицы - электрический заряд, спин, барионный заряд и т.д. - такие же, как у соответствующих реальных частиц.

     Понятие Виртуальные частицы и виртуальных процессов занимает центральное место в современной квантовой теории поля. В этой теории взаимодействие частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение одной свободной частицей других (виртуальных) частиц. Любая частица непрерывно испускает и поглощает Виртуальные частицы различных типов. Например, протон испускает и поглощает вир-туальные пи-мезоны (наряду с другими Виртуальные частицы) и благодаря этому оказывается окружённым облаком Виртуальные частицы, число которых, вообще говоря, неопределённо.

     С точки зрения классической физики, свободная частица (частица, на которую  не действуют внешние силы, т. е. покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно) не может ни породить, ни поглотить другую частицу (например, свободный электрон не может ни испустить, ни погло-тить фотон), так как в таких процессах нарушался бы либо закон сохранения энергии, либо закон сохранения импульса. Действительно, покоящийся электрон имеет минимальную возможную энергию (энергию покоя, равную, согласно теории относительности, m₀с², где m₀ - масса покоя электрона, с - скорость света).

     Поэтому такой электрон не может испустить фотон, всегда обладаю-щий энергией: при этом нарушался бы закон сохранения энергии. Если электрон движется с постоянной скоростью, он также не может (за счёт своей кинетической энергии) породить фотон, так как в таком процессе нарушался бы закон сохранения импульса: потеря импульса электроном, связанная с потерей энергии на рождение фотона, была бы большей импульса фотона, соответствующего его энергии (из-за различия масс этих частиц). То же относится и к процессу поглощения фотона свободным электроном.  
            Иная ситуация в квантовой механике. Согласно фундаментальному принципу квантовой механики - принципу неопределённости, у любой частицы, «живущей» малый интервал времени ∆t, энергия не является точно фиксированной. Разброс возможных значений энергии ∆E удовлетворяет неравенству ∆E ³ ћ/∆t  где ћ - постоянная Планка, делённая на 2π. Анна-логично, частица, существующая лишь в области размером ∆x, имеет разброс импульса ∆р_x порядка ∆p_x ³ ћ/∆x Энергия и импульс непрерывно флукту-ируют, и в течение малых промежутков времени может «временно нарушать-ся» (в классическом смысле) закон сохранения энергии, а процессы, протее-кающие внутри малых объёмов, могут сопровождаться «местными наруше-ниями» закона сохранения импульса.

     Именно  вследствие принципа неопределённости возможно испускание и поглощение свободным  электроном виртуального фотона и другие анало-гичные процессы; нужно лишь, чтобы весь процесс испускания и поглоще-ния длился достаточно малое время, так, чтобы связанное с ним «нарушение» закона сохранения энергии укладывалось в рамки соотношения неопределён-ностей. Законы сохранения электрического заряда и некоторых других харак-теристик микрочастиц (барионного заряда, лептонного заряда) при таких виртуальных процессах строго выполняются.

     Эти факты можно истолковать и  иначе. Именно, считать, что энергия  сохраняется и в процессах, длящихся сколь угодно малое время, необычная  связь кинетической энергии частицы  с её импульсом и массой, E = р²/2m₀, нарушается; при больших скоростях нарушается соответствующее реляти-вистское соотношение (см. Относительности теория), E² = c²p² + с⁴m²₀. Обе точки зрения но существу равноценны. Однако при развитии математичес-кого аппарата квантовой теории поля вторая точка зрения предпочтительнее. 
            Взаимодействие обычных, реальных частиц в подавляющем большин-стве случаев происходит путём испускания и поглощения (обмена) Виртуаль-ные частицы Энергия и импульс реальных частиц до и после реакции остаются неизменными, а во время реакции законы сохранения этих величин не выполняются. Вся теория строится так, что любая реакция может быть представлена как результат различных виртуальных процессов, протекающих за малое время реакции.

     Кроме обмена Виртуальные частицы, в теории большую роль играет процесс образования Виртуальные частицы при поглощении одной реальной частицей другой реальной же частицы. Например, комптон-эффект, т. е. процесс рассеяния фотона электроном, происходит главным образом за счёт следующего механизма: вначале фотон поглощается электроном с образо-ванием виртуального электрона, а затем этот виртуальный электрон снова распадается на реальные электрон и фотон (но уже имеющие другие направления движения и энергии, т. е. рассеянные).

     Хотя  Виртуальные частицы отличаются от реальных тем, что для них не выполняется обычное соотношение между энергией и импульсом (из-за чего они не могут быть по отдельности зарегистрированы счётчиком элемен-тарных частиц или другими аналогичными устройствами, которые всегда являются классическими приборами), считать их несуществующими нет достаточных оснований.