Строение атомного ядра. Ядерные силы

 

Содержание

 

 

 

 

Введение

Познание единичных вещей и процессов невозможно без одновременного познания всеобщего, а последнее в свою очередь познается только через первое. Сегодня это должно быть ясно каждому образованному уму. Точно также и целое постижимо лишь в органическом единстве с его частями, а часть может быть понята лишь в рамках целого. И любой открытый нами "частный" закон - если он действительно закон, а не эмпирическое правило - есть конкретное проявление всеобщности. Нет такой науки, предметом которой было бы исключительно всеобщее без познания единичного, как невозможна и наука, ограничивающая себя лишь познанием особенного.

Всеобщая связь явлений - наиболее общая закономерность существования мира, представляющая собой результат и проявление универсального взаимодействия всех предметов и явлений и воплощающаяся в качестве научного отражения в единстве и взаимосвязи наук. Она выражает внутреннее единство всех элементов структуры и свойств любой целостной системы, а также бесконечное разнообразие отношений данной системы с другими окружающими ее системами или явлениями. Без понимания принципа всеобщей связи не может быть истинного знания. Осознание универсальной идеи единства всего живого со всем мирозданием входит в науку, хотя уже более полувека назад в своих лекциях, читанных в Сорбонне, В.И.Вернадский отмечал, что ни один живой организм в свободном состоянии на Земле не находится, но неразрывно связан с материально–энергетической средой. "В нашем столетии биосфера получает совершенно новое понимание. Она выявляется как планетное явление космического характера".

Естественнонаучное миропонимание (ЕНМП) - система знаний о природе, образующаяся в сознании учащихся в процессе изучения естественнонаучных предметов, и мыслительная деятельность по созданию этой системы.

 

1. Строение атомного ядра. Ядерные силы

Сразу же после того, как в опытах Чедвика был открыт нейтрон, советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий ученый В. Гейзенберг в 1932 г. предложили протонно-нейтронную модель ядра. Она была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений и в настоящее время является общепризнанной.

Протонно-нейтронная модель ядра. Согласно протонно-нейтронной модели ядра состоят из элементарных частиц двух видов — протонов и нейтронов.

Так как в целом атом электрически нейтрален, а заряд протона равен модулю заряда э-иектрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру элемента Z в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А:

 А = Z + N

 Массы протона и  нейтрона близки друг к другу, и каждая из них примерно  равна атомной единице массы. Масса электронов в атоме много  меньше массы его ядра. Поэтому  массовое число ядра равно  округленной до целого числа  относительной атомной массе  элемента. Массовые числа могут  быть определены путем приближенного  измерения массы ядер приборами, не обладающими высокой точностью.

Изотопы представляют собой ядра с одним и тем же значением но с различными массовыми числами А, т. е. с различными числами нейтронов N.

Ядерные силы. Так как ядра весьма устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень большими. Что это за силы? Сразу можно сказать, что это не гравитационные силы, которые слишком слабые. Устойчивость ядра не может быть объяснена также электромагнитными силами, так как между одноименно заряженными протонами действует электрическое отталкивание. А нейтроны не имеют электрического заряда.

Значит, между ядерными частицами — протонами и нейтронами (их называют нуклонами) — действуют особые силы, называемые ядерными силами.

Каковы основные свойства ядерных сил? Ядерные силы примерно в 100 раз превышают электрические (кулоновские) силы. Это самые мощные силы из всех сущес;гнующих в природе. Поэтому взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями.

Сильные взаимодействия проявляются не только во взаимодействиях нуклонов в ядре. Это особый тип взаимодействий, присущий большинству элементарных частиц наряду с электромагнитными взаимодействиями.

Другая важная особенность ядерных сил — их коротко-действие. Электромагнитные силы сравнительно медленно ослабевают с увеличением расстояния. Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях, равных размерам ядра (10-12—10-13 см), что показали уже опыты Резерфорда по рассеянию 7.02-6.jpg-частиц атомными ядрами. Ядерные силы — это, так сказать, «богатырь с очень короткими руками». Законченная количественная теория ядерных сил пока еще не разработана. Значительные успехи в ее разработке были достигнуты совсем недавно — в последние 10—15 лет.

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы удерживаются в ядре ядерными силами.

2. Состав вещества и химические системы

Учение о составе вещества охватывает три основные проблемы:

• анализ состава химического элемента;

• определение состава химического соединения;

• применение все большего числа химических элементов для производства новых материалов.

Попытка решения первой проблемы была предпринята путем выдвижения теории флогистона, оказавшейся ложной. Согласно ей все сложные тела состоят из соответствующего элемента и особого “невесомого тела” – флогистона.

До середины XVII века не был известен ни один химический элемент.

В 1660-х годах Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о “простом теле” или как о пределе химического разложения вещества, переходящем из состава одного в состав другого сложного тела. Но метод получения “простых тел” путем прокаливания был ошибочен. В результате металлы считались сложными веществами, состоящими из элементов и флогистона (“невесомого тела”), а окалина принималась за элемент.

С открытием французским химиком А.Л. Лавуазье кислорода и его роли в образовании кислот, воды, окислов теория флогистона была опровергнута. Лавуазье была предпринята первая попытка систематизации химических элементов, под которыми он понимал и некоторые химические соединения (известь, глинозем и др.), т.к. считал элементами только такие тела, которые не поддавались в его время реакции разложения.

Вопрос о систематизации химических элементов был успешно решен Д.И. Менделеевым, доказавшим, что место химического элемента в периодической системе определяется атомной массой. Менделеев, взяв в качестве системообразующего фактора, или “неизменного общего в изменяемом и частном”, атомную массу, открыл периодический закон, ставший фундаментом построения подлинно научной системы химических знаний. Кроме того, он предсказал существование многих элементов.

К настоящему времени обосновано, что свойства химических элементов зависят от их атомного номера, определяемого зарядом ядра. Атомный вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент. “Изотопы (от изо… и греч topos – место) - нуклиды одного химического элемента, т.е. разновидности атомов определенного элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Обладают ядрами с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов, имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Термин “изотоп” предложен в 1910 г. Ф. Содди для обозначения химически неразложимых разновидностей атомов, отличающихся по своим физическим (прежде всего радиоактивным) свойствам”. (См.: Химическая энциклопедия. М.,1990. Т.2. С. 201.) Результатом этих открытий стало решение проблемы химического элемента. Химический элемент, с точки зрения современной химии, - это вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами.

Во времена Менделеева было известно 62 элемента. Сейчас известно 109.

С позиций атомизма был решен вопрос о том, что следует относить к химическим соединениям, а что к смесям.

Еще в 1800-1808гг. французский ученый Ж. Пруст установил закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. Этот закон в 1800-1810гг. был теоретически обоснован Дж. Дальтоном на основе идеи об атомическом строении вещества. Он показал, что все индивидуальные вещества, в отличие от смесей, состоят из однородных мельчайших частиц – “сложных атомов” – молекул, которые, в свою очередь, состоят из простых атомов разных химических элементов.

Учение о составе вещества возникло на основе результатов экспериментальных исследований, проведенных английским ученым Р. Бойлем во второй половине XVII века, которые показали, что качества и свойства тел зависят от того, из каких материальных элементов они состоят. Возникшее тогда учение о составе вещества существует и развивается до сих пор. Вплоть до 40-х годов XIX века оно занимало монопольное положение в химии. Развитие химических производств по переработке веществ растительного и животного происхождения во второй половине XIX века столкнуло ученых-химиков с удивительным противоречием – в производстве использовались вещества, представлявшие собой сотни тысяч химических соединений, но при этом состав этих соединений был весьма однообразен: углерод, водород, кислород, сера, фосфор. Объяснить это разнообразие органических соединений при столь однообразном элементном составе одно учение о составе вещества не могло. Требовалось найти новые подходы к изучению веществ.

 

3. Биологические уровни организации материи

 

3.1. Структурные уровни живого.

Концепция структурных уровней живого включает представление об иерархической соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов. В соответствии с этой концепцией структурные уровни различаются не только сложностью, но и закономерностями функционирования. Вследствие иерархической соподчиненности каждый из уровней организации живой материи должен изучаться с учетом характера ниже и вышестоящего уровней в их функциональном взаимодействии.

Рассмотрим отдельные уровни организации живой материи, начав с низшей ступени, на которой смыкаются биология и химия.

Молекулярно-генетический уровень. Это тот уровень организации материи, на котором совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого. При изучении молекулярно-генетического уровня достигнута, видимо, наибольшая ясность в определении основных понятий, а также в выявлении элементарных структур и явлений. Развитие хромосомной теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов вскрыли основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений.

Клеточный уровень. Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

Любой живой организм состоит из клеток. В простейшем случае -- из единственной клетки (бактерии, амебы). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и является первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми сложными многоступенчатыми процессами в клетке управляет особая структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот.

Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образует живую ткань. Из тканей состоят различные органы живых организмов.

Организменный уровень. Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от предыдущих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем. Организменный уровень именуют также онтогенетическим.

Популяционно-видовой уровень. Он образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция -- это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов). Она является надорганизменной живой системой, так же, как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.

Биогеоценотический уровень. Он образован биоценозами -- исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ.

Биосферный уровень. Включает в себя всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения для отдельных биологических наук, то есть условными разграничителями биологического знания. Так, молекулярный уровень изучается молекулярной биологией, генетикой; клеточный уровень служит объектом для цитологии, микробиологии; анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях; зоология и ботаника имеют дело с организменным и популяционно-видовым уровнями; экология охватывает биоценотический и биосферный уровни.

 

 

3.2. Клетка как «первокирпичик» живого.

Фундаментальная частица в биологии - живая клетка. Именно она является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации.

Клетка отграничена от других клеток или от внешней среды специальной мембраной и имеет ядро или его эквивалент, в котором сосредоточена основная часть химической информации, контролирующей наследственность.