Концепция уровней организации материи (КУОМ)

3.2. Концепция уровней организации материи (КУОМ)

Сущность КУОМ

Основу концепции составляет система фактов (аксиом?), которые мы уже частично обсуждали. Коротко их суть:

  • - жизнь Вселенной есть процесс усложнения материальных систем;
  • - структурное усложнение систем неизменно сопровождается усложнением процессов взаимодействия. Фактически это два параллельных во времени процесса, неразрывно связанных друг с другом. Усложнение характерно и для взаимодействия внутри систем, и для связей системы с «внешней средой»;
  • - по мере усложнения внутрисистемных связей на определенном этапе появляются новые качества, не свойственные предыдущим состояниям системы. Иными словами, появляется новое системное качество, особо наглядно проявляющееся в усложнении внешних связей системы. С точки зрения «среды обитания», появляется новая система.

Ранее философы исповедовали концепцию «структурных уровней». По своей сути она метафизична, поскольку опирается на представление о стационарных неразвивающихся структурах. Нарастание сложности процессов в этой концепции не рассматривалось. Концепция уровней организации основана на системном уровне. Достоинства очевидны: мы можем не только зафиксировать то, что есть в природе и обществе, но и научно спрогнозировать наше глобальное будущее.

Природные уровни организации неживой материи

Элементарные частицы. Понятие элементарности в применении к частицам материи непрерывно изменяется, от древних времен до последних открытий физиков. Были атомы по Демокриту, осмысленные много позже как атомы химических элементов или молекулы химических веществ. Потом открыли электроны, фотоны, протоны и нейтроны в составе атомных ядер. В 1932 г. экспериментально был открыт антиэлектрон - позитрон, предсказанный годом ранее теоретически. В дальнейшем было установлено, что «анти» есть у всех частиц, за исключением фотона. Много неизвестных ранее частиц было открыто в космических лучах и в экспериментах с ядерными реакциями. Мы узнали о существовании мезонов, барионов, кварков, а также о том, что протон и нейтрон не очень «элементарны». Большую группу мельчайших частиц материи ныне относят к элементарным более по традиции, нежели по их физической сущности. Сейчас истинно элементарными считают кварки, они замыкают цепь известных нам структурных составляющих материи.

Классифицировать частицы нагляднее всего по типам фундаментальных взаимодействий (см. 2.6.4), в которых они участвуют. Отметим, что в гравитационном взаимодействии участвуют все частицы, поскольку тяготение - природное свойство всей материи.

Первая группа включает только фотоны. Это кванты электромагнитного излучения, переносчики электромагнитного взаимодействия. Существуют фотоны только в движении со скоростью света. Остановить фотон нельзя, он при этом исчезает (поглощается). Массы покоя у фотона нет. Спин фотона -целочисленный, поэтому в одном состоянии может быть сколь угодно много фотонов, как то мы наблюдаем в лучах лазеров.

Частицы, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях, относят к группе лептонов (leptos - легкий). К этой группе принадлежат электроны, мюоны и таоны, а также незаряженные нейтрино - электронное, мюонное, та-онные (вместе с их античастицами). Масса нейтрино неизмеримо мала. Спин всех лептонов - полу целый, они являются фермионами и подчиняются принципу Паули (см. 2.6.3).

Третью группу элементарных частиц, образуют адроны. Наряду с гравитационным, электромагнитным и слабым взаимодействиями адроны участвуют в сильном взаимодействии. К адронам относят все барионы (в том числе нейтроны и протоны) и мезоны. И те, и другие в свою очередь подразделяются на прелестные, очарованные, странные и обычные. Не правда ли, очень необычные степени свободы? Короткоживущие возбужденные состояния адронов выделяют в отдельную подгруппу резонансов, они быстро распадаются за счет сильного взаимодействия. Массы адронов по порядку величины близки к массе протона. Спин барионов - полуцелый, спин мезонов - целочисленный.

Адроны не обладают истинной элементарностью, все они имеют сложное строение. На современном этапе считается, что наблюдаемые адроны построены из необычных частиц - кварков. Электрический заряд кварков дробный, спин - полуцелый, масса покоя отлична от нуля. Кварки участвуют в сильном взаимодействии, обмениваясь глюонами. В пределах наших экспериментальных возможностей кварки - это точечные бесструктурные объекты. Выделяют шесть типов кварков: верхние (u-кварки), нижние (d), странные (s), очарованные (с), прелестные (Ь), истинные (t). Теория кварков сейчас быстро

Концепции научного познания развивается. Являются ли они истинно элементарными - пока неизвестно, но очень похоже. Многие выводы, сделанные на основе кварковой модели адронов, подтверждены в экспериментах, хотя сами кварки в свободном состоянии наблюдать не удалось.

О размерах элементарных частиц мы знаем мало. Для большинства адронов характерны размеры порядка 1045 м. Многие частицы, видимо, менее 1048 м. По времени жизни следует выделить стабильные частицы, которые в свободном состоянии живут более 1022 лет. Это электроны, протоны, фотоны и нейтрино. Своего рода «инварианты Вселенной». Исчезают они только при взаимодействии. Есть ещё квазиста-бильные, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий за времена от 900 с (нейтрон) до 10-20 с (некоторые гипероны). Особняком стоят резонансы, их время жизни 10-22 - 10'24 с.

Физика элементарных частиц - часть науки, продвигающая наши познания о материи вглубь. Хотя теория их находится в фазе становления, но совершенно четко установлено, что наиболее важное свойство всей совокупности элементарных частиц - их способность к взаимопревращению. «Превращение» фактически сочетает два «мгновенных» явления -поглощение одной частицы (уничтожение) и испускание другой (рождение). Это исключительно квантовое свойство; все процессы с участием элементарных частиц протекают через последовательность их поглощения и испускания. В чистом виде эта система работала на первых стадиях становления Вселенной, когда сверхвысокая температура способствовала взаимопревращению всех частиц, в том числе и тех, что мы сейчас считаем стабильными. Энергетические характеристики этих процессов определяются типом взаимодействия. Это то, что мы знаем. Не знаем значительно больше. Прежде всего то, что происходит «внутри» частиц, на расстояниях менее 10 35 м, где свойства пространства-времени изменяются за счет квантовых гравитационных эффектов. Тем не менее, совокупность «элементарных» частиц и процессов их взаимодействия мы

Концепции современного естествознания объединили в «нулевой» системный уровень организации материи. Системное качество этого уровня - пока что не управляемое, но наблюдаемое взаимопревращение. Оно не исчезнет и на следующих уровнях, просто «уйдет вглубь».

Ядра атомов химических элементов. В системной иерархии объектов природы за элементарными частицами следуют ядра. В земных условиях ядра находятся в составе атомов, в звездах атомов очень мало. Образовались ядра ранее атомов (см. 1.1.2). Простейшее атомное ядро - один протон в атоме водорода. Все остальные ядра - сложнейшие системы из нейтронов и протонов (нуклонов). Электрический заряд ядер положителен и равен Ze+, где Z - атомный номер, равный числу протонов в ядре (е+ - заряд протона). Общее число нуклонов обозначается массовым числом А. Например, для ядра атома меди 29Cu64Z=29, А=64.

В ядре работают все четыре фундаментальных взаимодействия, но стабильность ядер обеспечивается сильным взаимодействием, ядерными силами притяжения. Энергия, обусловленная ядерными силами, - это энергия связи. Проявляется она как уменьшение массы ядра при его образовании по сравнению с суммарной массой составляющих ядро нуклонов. Эта разность называется дефектом масс Л m = (Zmp + (A-Z)mn - Мад). Запас энергии связи по Эйнштейну Л Е =Я тс2.

Установление нейтронно-протонной структуры ядра и открытие дефекта масс (1931-35 гг., Д.Д. Иваненко, В. Гейзенберг, К. Вейцзеккер) составили научную основу ядерной энергетики, иногда в силу исторической накладки называемой «атомной». Ядра элементов могут превращаться друг в друга -это взаимопревращение называют ядерными реакциями. Они могут происходить как в результате внешнего воздействия (ядерные реакторы), так и самопроизвольно (естественная радиоактивность). Например, уран может превратиться в смесь бария и криптона. В ядерной энергетике и в технике ядерных реакторов существует огромное количество проблем. Эго синтез трансурановых элементов, безопасность ядерных реакторов и т.д. Но самая главная проблема - управление ядерными реКонцепции научного познания акциями всех видов. Едва научившись немного управлять, люди для удовлетворения своих потребностей построили сотни ядерных реакторов. Все они потенциально опасны, и будут такими, пока мы не поймем, как можно объяснить наиболее важные свойства ядер на основе общих принципов естествознания.

Энергию связи природа заложила в ядра при их возникновении в процессе эволюции Вселенной. Когда-то первоначальная мешанина из элементарных частиц остыла настолько, что ядерные силы притяжения оказались способны объединить быстродвижущиеся нуклоны в ядра. Именно тогда природа создала «дефект масс» и заложила запас ядерной энергии. Как будто специально для нас. Мы сейчас трактуем эти «кладовые» как проявление системного эффекта ядерного уровня организации материи. Но ядро - это подсистема атома.

Атомы. Атомный уровень организации материи сформировался тогда, когда температура плазмы, состоящей из ядер, электронов и других частиц, упала настолько, что силы электромагнитного взаимодействия смогли обеспечить существование устойчивых электрически нейтральных систем -атомов. Атомы мы трактуем как наименьшие частицы химических элементов. Электрическая нейтральность атомов означает, что количество электронов, удерживаемых около ядра электромагнитным взаимодействием, в точности равно числу протонов в ядре, то есть его атомному номеру Z. Электроны к ядру притягиваются, но их квантовая сущность не позволяет им упасть на ядро (см. соотношение и принцип неопределенности в п. 2.6.3 и п. 3.1.3). Атом - система квантовая, значения энергии и момента импульса в таких системах квантованы. Они могут принимать только определенные дискретные значения, поэтому атом может поглощать и испускать энергию только строго определенных значений, определяемую разностью энергий в разрешенных квантовых состояниях. Всё остальное излучение проходит сквозь сообщества атомов свободно. Как отмечалось ранее, после возникновения атомов Вселенная стала прозрачной для всего спектра электромагнитного излучения. Таким образом, на этапе формирования атомного уровня организации материи появилось два чрезвычайно значимых аспекта: линейчатые спектры испускания и поглощения излучения атомами и прозрачность атомных сообществ. Прозрачность вещества из свободных атомов для электромагнитного излучения и есть системное свойство атомного уровня организации материи. Появление прозрачности сыграло огромную роль в эволюции Вселенной, в том числе и в эволюции живой материи. Наличие непоглощающих состояний вещества - одно из необходимых условий существования жизни.

Простейший атом - это атом водорода. На его примере в школьных и вузовских курсах физики и химии объясняются конкретные закономерности жизни атомных квантовых систем. Казалось бы - всего ничего, один протон и один электрон. Но их квантовое взаимодействие определяет существование и развитие всего, что построено из атомов. В многоэлектронных атомах, от гелия (Z = 2, А = 4) до плутония (Z = 94, А = 242) закономерности сложнее, там подключается взаимодействие между электронами. Ещё больше сложностей в строении искусственно созданных атомах «трансурановых» элементов, но они изучены слабо, ибо время жизни их ядер мало. Для фермия (Z = 100) это часы, для курчатовия (Z = 104) всего несколько секунд. При сближении атомов усиливается взаимодействие электронов одного атома с ядром другого. Эти межатомные взаимодействия могут привести к разным последствиям, часть из которых изучается химией. Все химические реакции обуславливаются взаимодействием электронных облаков одного атома с облаками и ядрами других атомов. Если расположить атомы разных химических элементов в порядке нарастания их атомных номеров, то в химических свойствах атомов наблюдается периодичность (с которой вы ознакомились при изучении периодической системы Менделеева). Электроны в атомах находятся в различных квантовых состояниях. Эти состояния образуют «оболочки», последовательно заполняющиеся при возрастании атомного номера. «Емкость» каждой оболочки ограничена квантовыми законаКонцепции научного познания ми. Число электронов в оболочке равно 2п2, где n = 1, 2, 3... -номер оболочки, или главное квантовое число. Поэтому в первой оболочке всего 2 электрона, во второй - 8, и т.п. Химические свойства атомов определяются его внешней электронной оболочкой. Например, валентность атома зависит от числа электронов на самой внешней оболочке. Электроны, находящиеся в заполненных оболочках, в химических реакциях не участвуют. Последовательное заполнение оболочек обуславливает периодичность химических свойств элементов, как то и было гениально зафиксировано Д.И. Менделеевым.

Соединение разных атомов дает новые химические вещества. Таким образом, атомный уровень служит «вложенной подсистемой» следующего уровня - молекулярного.

Молекулы. Молекула - система из конечного числа взаимодействующих атомов. Главная «полезная функция» молекул -быть единицей химического вещества. Число атомов в молекулах - от двух (кислород, соляная кислота) до нескольких тысяч (белки). Вещества бывают простыми и сложными. Молекулы простых веществ состоят из атомов одного химического элемента; в молекулах сложных веществ соединены различные атомы.

Системное качество молекулярного уровня организации материи мы трактуем как возможность получения и взаимопревращения сложных химических веществ. Именно на молекулярном уровне протекают разнообразные химические реакции, как в природе, так и в химических реакторах. Сейчас известно более десяти миллионов химических веществ. Многие вещества не существуют в молекулярном виде. Это инертные газы, металлы в виде расплавов или кристаллов. Эти состояния как сообщества атомов к молекулярному уровню не относятся.

В молекулах природа сосредоточила запас химической энергии. Внутренняя энергия молекул как устойчивой системы атомов ниже суммарной энергии этих атомов в изолированном состоянии. Таким образом, для «демонтажа» молекулы на атомы необходимо затратить определенную энергию, которая в свое время, при образовании молекулы, была отдана окружающей среде. Эта величина называется энергией атомизации. Она состоит из потенциальной энергии химических связей в молекуле, с небольшими добавками кинетической энергии колебаний атомов внутри молекулы и вращения молекулы. Химические связи - это взаимодействие электронов разных атомов с ядрами и между собой. Энергия электронных состояний в молекулах составляет несколько электронвольт (ГэВ = 1,6 х Ю49 Дж), энергия колебательного движения IO3 - 102 эВ, а вращательного движения 10-5 - 10-3 эВ. Все эти энергии квантованы, их измерение составляет сущность молекулярной спектроскопии, позволяющей идентифицировать молекулы.

В химических реакциях из нескольких исходных молекул возникают новые молекулы. Если они имеют меныпую сумму энергий связи, то избыточная энергия выделяется в виде тепла. Так происходит, например, в реакциях горения. При полном сгорании метана в кислороде с образованием оксида углерода и воды на каждый моль метана выделяется 891 кДж в виде тепловой энергии продуктов сгорания: СНд + 2О2 = СОг + + 2Н2О + 981 кДж.

Окисление метана и других углеводородов составляет основу химической энергетики. Соответственно, синтез сложных молекул часто требует затрат энергии в виде тепла или света (электромагнитного излучения).

Основным видом химической связи является ковалентная связь. Возникает она, если у атомов (или групп атомов) в их внешних оболочках имеются неспаренные электроны. Их обобществление образует общую для связанных атомов электронную пару. Число пар обуславливает кратность связи. В чистом, почти модельном виде, ковалентная связь реализуется в таких молекулах, как О2, N2, СО. Ковалентная связь основательно деформирует внешние электронные оболочки атомов. Поэтому атом в молекуле не идентичен свободному атому.

Электрически молекулы нейтральны, но электронная плотность в них очень неравномерна. Ковалентные связи могут быть очень полярными, когда «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов в молекуле заметно смещены относительно друг друга («дипольные молекулы»). Сильно

Концепции научного познания полярную связь иногда называют координационной, или донорно-акцепторной. Как предельный случай полярной ковалентной связи рассматривают ионную связь, при которой электрон полностью переходит с одного атома на другой. Возникают положительные и отрицательные ионы. Такие ионные пары, например Na+ и С1-, проявляют склонность к образованию ионных кристаллов. Соединения с ионной связью способны диссоциировать в полярных растворителях (в воде). Диссоциация солей и последующий активный транспорт ионов лежит в основе биоэнергетики живых клеток.

При определенных межъядерных расстояниях («длинах связей») силы притяжения компенсируются силами отталкивания. Эти расстояния определяют размер молекул. Так, средний диаметр молекул воды оценивается в 3*1010 м. Размеры молекул увеличиваются с нарастанием числа атомов в них, и могут достигать 10-7 м. Но следует понимать, что молекулы, как и атомы, четких границ не имеют. Расположение атомов в молекулах всегда обладает определенной симметрией. Иногда одинаковые по составу молекулы отличаются взаимным расположением атомов. Такие изомеры фактически есть молекулы разных химических веществ.

Оптические свойства молекул, как и химические, определяются их внешними электронами. Поскольку в молекулах электроны находятся в поле нескольких ядер, которые участвуют в колебательном и вращательном движении, то спектры испускания и поглощения света молекул не линейчатые, а полосатые. Каждый «атомный уровень» расщепляется на большое число близких «подуровней», и вместо спектральной линии возникает «полоса». На экранах спектрографов это выглядит очень красиво. Именно по составу излучения изучается структура молекул и динамика движения внутри них. Как и в атомах, в молекулах возможно существование метаста-бильных возбужденных состояний и, следовательно, возможно явление вынужденного излучения. Это явление «работает» в молекулярных лазерах, например в лазерах на СО2.

Молекулярным уровнем организации материи занимается химия. Ныне она трактуется как наука, изучающая превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состав и (или) строения. Принципиально важно, что химические взаимодействия нельзя свести в простой сумме или последовательности чисто атомных явлений - это более сложный уровень процессов. Первым химическим процессом, освоенным человеком, было, несомненно, получение металлов из руд. Медь, олово и их сплав - бронза, затем железо находили многочисленных потребителей среди художников, военных и хранителей домашних очагов. Никакой «научной» методики, естественно, не было. Господствовал метод проб и ошибок. Само химическое ремесло создавали алхимики. Но уже в эпоху Возрождения появились печатные труды Агриколы (Георг Бауэр) и Парацельса (он же Теофаст фон Гогенгейм), посвященные соответственно химическим технологиям металлов и лекарств.

Мощный скачок химия совершила, дополнив качественное описание явлений количественными измерениями. Свершилось это спустя примерно столетие после трудов Ньютона. Р. Бойль в своих трудах ввел термин «химия», переведя тем самым алхимию в ранг исторической древности. В добавление к уже известным тогда элементам (золото, серебро, медь, железо, олово, свинец, ртуть, углерод, сера) Бойль открыл фосфор. В связи с развитием паровых машин химики заинтересовались процессом горения. Вначале они, следуя традиции, придумали «универсальную горючку» - флогистон. Но затем Г. Кавендиш в 1766 г. открыл водород, а Д. Пристли в 1774 г. - кислород. Сущность горения и процесса окисления прояснилась. В том же восемнадцатом веке химики сумели получить из минералов кобальт, никель, марганец, молибден. В 1748 г. М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения материи и движения; его химическое проявление в виде закона сохранения массы было осознано и опубликовано А. Лавуазье. Он очень много сделал для окончательного утверждения приоритета количественных измерений. Лавуазье установил роль кислорода в дыхании; окончательно доказал, что вода и воздух - это не элементы, а сложные химические вещества; впервые предложил упорядоченную химическую номенклатуру. В 1789 г. им же опубликован первый учебник по химии

«Элементарный курс химии». В первой половине XIX века усилиями Д. Дальтона, Л. Гей-Люссака, И. Берцелиуса в химии утвердилось учение об атомно-молекулярном строении вещества; была создана и химическая символика. Огромный скачок совершила химическая наука, приняв на вооружение представления ЭКМ о единстве корпускул вещества и корпускул электричества. Было создано представление о валентности и построена её теория. Трудами А.М. Бутлерова, А. Кекуле и их последователей была создана теория строения вещества; химики стали оперировать структурными формулами. Очень многое для установления взаимопонимания было сделано на Первом международном химическом конгрессе (1860 г.). Именно химики по предложению Кекуле первыми среди естествоиспытателей осознали и доказали эффективность международных научных форумов. Дискуссия на конгрессе по атомным весам привела его участника Д. Менделеева к мысли тщательно проанализировать периодичность свойств элементов. Основываясь на увеличении и уменьшении валентности, Менделеев разбил элементы на периоды и создал свою периодическую таблицу. Эта таблица не только систематизировала все знания об известных тогда 63 элементах, но и предсказала существование новых, ещё не известных химикам. Таблица до сих пор - могучий источник познания.

В дальнейшем была создана физическая химия, химическая технология, теория катализа, теория цепных реакций и многие другие теоретические и прикладные направления, базирующиеся на классической и квантовой химии. Физики вместе с химиками сумели превратить одни элементы в другие, синтезировали трансураны. Среди естественнонаучных направлений химия - наиболее, пожалуй, прикладная наука. Даже Менделеев утверждал: «Химия - это не наука, а производство». Трудно даже перечислить те продукты, что созданы с участием химии для удовлетворения наших потребностей. Это сотни красителей, тысячи лекарств, бытовые и электротехнические полимеры, вся нефтехимия, новейшие материалы для электронной и лазерной техники. И все это - реализа ция наших познаний об атомном и молекулярном уровнях организации материи.

При нарастании числа атомов в молекулах возможно образование макромолекул. Некоторые из них могут служить основой полимерных материалов. Другие, обладающие огромным запасом энергии, составляют основу биополимеров -белков, липидов (жиров), углеводов и нуклеиновых кислот. Их «работа» обеспечивает существование живых клеток.

Кооперативный уровень организации неживой материи. Молекула - модуль химического вещества. Природные тела на Земле состоят из очень большого числа атомов или молекул. В естествознании огромные по численности сообщества частиц носят название макроскопических тел, или ансамблей. Напомним, что взаимодействие корпускул вещества осуществляется через посредство физических полей. Основу всех тел составляют «веполи», то есть структуры «вещество - поле -вещество» (В - П - В). Макротела могут состоять из одинаковых (вода) или резко различных молекул (воздух, компьютер, дуб, министр). Частицы в ансамблях имеют весьма различные скорости, импульсы, энергии. Иными словами, пребывают в различных состояниях. Каждая из частиц в отдельности подчиняется законам механики и электромагнетизма. Но взаимодействие огромного числа частиц («кооператив») приводит к «включению» принципиально новых, статистических закономерностей в поведении макроскопических тел (см. п. 2.4.6). Состояние материи в этих телах мы называем «кооперативным уровнем организации материи». Системное качество этого уровня - стремление к равновесию. Ансамбль частиц в среднем ведет себя как устойчивая система. Стремление к равновесию есть прямое следствие непрерывного движения материи - её фундаментально природного свойства. Ещё в школе нас учили, что все атомы или молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении, постоянно обмениваясь энергией и импульсами. Равновесие устанавливается как результат непрерывного движения и взаимодействия частиц. Но хаотичность предполагает обязательное возникновение локальных отклонений от

Концепции научного познания среднего. Эти «возмущения» либо бесследно рассеиваются, либо разрастаются и живут очень долго. Так, например, Вселенная в среднем однородна, но она содержит устойчивые «локальные неоднородности» в виде галактик, звезд или нас с вами. Точно так же в лежащем неподвижно твердом теле все атомы колеблются с различными амплитудами, но положение его центра масс («центра тяжести») с завидной точностью остается неизменным.

Соответственно, математическое описание таких систем осуществляется методами статистической физики, которые позволяют вычислять средние значения таких величин, как температура, давление, объем, плотность и др. Вычисленные значения в огромном большинстве случаев совпадают с наблюдаемыми (измеряемыми) значениями этих величин. В естествознании различные проявления системного качества кооперативного уровня описываются как в статике, так и в развитии -прежде всего через понятие термодинамического равновесия, закон возрастания энтропии и многие другие частные понятия. Неизменно одно: материальные системы стремятся к равновесию, при этом демонстрируя наличие усредненных свойств и наличие случайных отклонений от среднего (флуктуаций). Именно флуктуации и их взаимодействие между собой и с внешней средой определяют эволюцию систем.

Кооперативные состояния материи («макровещество, взаимодействующее через поля») реализуются в виде четырех агрегатных состояния, хорошо знакомых каждому. Это газ, твердое тело, жидкость, плазма. Качественно их различие вполне доступно наблюдению. Количественные характеристики описываются десятками частных теорий. Здесь мы будем опираться на энергетику взаимодействия. Всем хорошо известно, что корпускулы движутся. Следовательно, у них есть кинетическая энергия; она всегда положительна. Эти же корпускулы взаимодействуют через поля (веполи «В - П - В»). Это означает наличие потенциальной энергии. Положительная потенциальная энергия соответствует силам отталкивания, отрицательная - силам притяжения.

Если кинетическая энергия намного больше потенциальной энергии притяжения (Wk » Wp), то мы будем наблюдать газообразное состояние. В модели идеального газа вообще учитывается только кинетическая энергия точечных молекул. Параметры состояния газа - давление, объем, температура - вычисляются как усредненные величины с помощью различных математических моделей и соответствующих уравнений. Законность усреднения подтверждается совпадением с результатами измерений макропараметров макроприборами. Модель идеального газа подробно изучалась в школе (уравнение Менделеева-Клапейрона). В вузах изучают и свойства реальных газов; здесь уже учитываются и взаимодействие молекул, и их реальные размеры (уравнение Ван-дер-Ваальса). В этих и других приближенных моделях существенно следующее.

В стационарном состоянии (газ в сосуде при постоянном давлении и постоянной температуре) все молекулы движутся с разными скоростями, различающимися на порядки величин. Но температура газа как мера средней кинетической энергии молекул остается постоянной. Так же и с давлением. Удары молекул о разные атомы поверхности стенок отличаются по количеству и силе очень значительно, но давление как сумма ударов остается до удивительности постоянным. Даже такой параметр, как объем, испытывает флуктуации, поскольку, как было отмечено ранее, атомы или молекулы стенок сосуда четких границ не имеют. Если же убрать стенки сосуда, то газ будет занимать весь предоставленный ему объем - лабораторию, цех... Если бы не было сильного гравитационного притяжения Земли, то наша атмосфера давно бы разлетелась по межпланетному пространству, как то произошло с атмосферой Луны.

Когда потенциальная энергия притяжения частиц намного превышает их кинетическую энергию (Wp » Wk), то реализуется твердое состояние вещества. Твердые тела способны сохранять свою форму, а также свою более или менее упорядоченную структуру. По степени упорядоченности различают кристаллы и аморфные тела. Практически все меКонцепции научного познания таллы в нормальном состоянии образуют поликристалличе-ские структуры. Типичные примеры аморфных тел - стекло, керамика, объемные полимеры типа полиметилметакрилата. В кристаллах есть дальний порядок, когда одна и та же структура (кристаллическая ячейка) воспроизводится на тысячах межатомных расстояний. В аморфных телах, например силикатных стеклах, существует только ближний порядок. Расположение непосредственных соседей упорядоченно, а дальние ведут себя не очень регулярно. Вместо кристаллической решетки есть структурообразующий каркас; в силикатных стеклах он построен из SiO?. Различие в строении предопределяет различие физико-химических свойств. Так, кристаллы имею огранку и «кристаллический блеск», строго определенную температуру плавления, анизотропию свойств по направлениям кристаллических осей. Аморфные тела изотропны, то их свойства одинаковы по всем направлениям. Вместо «точки плавления» они имеют интервал размягчения. Наряду с идеальными кристаллами и каркасными аморфными телами к твердым телам мы относим также линейные полимеры естественного (напр., древесина) и искусственного происхождения (напр., полиэтилен). У них потенциальная энергия притяжения частиц много больше их кинетической энергии.

Если же эти энергии приблизительно одинаковы («одного порядка»), то реализуется жидкое состояние. Энергия связи частиц жидкости достаточно велика, чтобы удерживать частицы около друг друга («конденсированное состояние»). Но она явно недостаточна для стабилизации жесткой упорядоченной структуры типа кристаллической решетки. Этим и определяются самые замечательные свойства жидкостей - их текучесть и наличие поверхностного натяжения. Поверхностный слой жидкости всегда обладает избыточной «поверхностной энергией», по сравнению с жидкостью в объеме. Градиент этой энергии мы называем силами поверхностного натяжения. Поскольку частицы жидкости двигаются с различными скоростями, то существует процесс испарения. Наиболее «энергичные» частицы преодолевают силы поверхностного натяжения и покидают жидкость, существуя над ней в виде паров. Таким образом, пар - это газообразное состояние того же вещества, что и породившая их жидкость. Практически для всех жидкостей существует определенная температура кипения. Это такая температура, при которой процесс испарения идет во всем объеме жидкости, а не только с поверхности. При кипении теряется различие между жидкостью и ей паром. Естественно, испарение и кипение требуют затрат тепла. При обратном процессе конденсации выделится столько же тепла, сколько затрачено на парообразование. Жидкое состояние вещества - самое удивительное из всех агрегатных состояний. Структурно это переходное состояние между жестким упорядочением твердых тел и почти абсолютным хаосом в газах. Соответственно, и процессы в жидкостях сложнее. Именно поэтому природа выбрала воду в качестве одной из основ жизни.

Фазовые переходы. Одно и то же вещество может находиться в различных состояниях (фазах). Смена фазы есть кооперативное явление - фазовый переход. Если при переходе из одного состояния в другое скачком изменяются плотность и энтропия, то мы имеем дело с фазовым переходом 1-го рода. Это хорошо всем знакомые процессы плавления, кипения и обратные процессы конденсации и отвердевания (замерзания). Здесь обязательно поглощается или выделяется тепловая энергия, а сам переход реализуется при постоянной температуре. Например, для воды температура плавления и отвердевания равна О °C (273,15К), для ртути - 38,9 °C. Соответственно, температуры кипения 100° С и 357,6 °C. Проследим поведение воды. Если медленно нагревать кусочек льда в сосуде с прохладной водой, то по достижении О °C лёд начнет таять (плавление). Вода охладится тоже до О °C. Интересно, что при этой температуре мы можем одновременно наблюдать одно вещество в трех фазах - лёд, вода и над этой смесью - водяной пар. Так как температура везде одинакова, то средняя кинетическая энергия молекул твердой, жидкой и газообразной воды одинакова. А вот потенциальная энергия взаимодействия «соседей» - резко различна.

Если же при смене состояния плотность и энтропия не испытывают скачков, то это будет переход 2-го рода. Скачком при этом изменяются такие параметры, как теплоемкость, термический коэффициент расширения и т.п. Самый известный переход 2-го рода - переход железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное при температуре 769 °C (1042 К). Эта температура носит название температуры Кюри. Выше этой температуры железо «не магнитит».

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >