РЕФЕРАТ
 
Натему:Макросвіт і мікросвіт, їхвзаємозв’язок. Сучасна картина світу

Макросвіт імікросвіт, їх взаємозв’язок. Сучасна картина світу
Фізика – це наукапро природу. Вона виникла, як результат споконвічного прагнення людей зрозумітий описати світ, що її оточує. Світ надзви-чайно складний і цікавий. Людина, якчастина цього світу завжди намага-лася зрозуміти його будову. Чи можливо його пізнати?Сьогодні ми зна-ємо, що світ пізнаваний і що багато чого вже відомо.
Найважливішим є те, щовсі навколишні тіла складаються з атомів . Атоми єцеглинками світобудови, вони знаходяться у безперервному русі, притягаються навеликих відстанях, але відштовхуються, коли їх нама-гатися наблизити один доодного. Розміри атомів приблизно 10–10 м.
Чи можна побачити атом?Можна – у тунельний мікроскоп (1981 р.) . Дивлячись утакий мікроскоп, можна перерахувати атоми поштучно (рис.1).
/>
Рис. 1. Тунельний мікроскоп.Тунельний струм залежить від відстані між голкою й поверхнею
Чи єкористь від того, що світ складається з атомів? Користь дуже велика. Лише вцьому випадку можна зрозуміти чому існують тверді, рідкі й газоподібні тіла; зякою швидкістю поширюється звук; чому летить літак; що таке температура ібагато іншого.
А зчого складаються атоми? Атоми складаються з позитивно зарядженого ядра йнегативно заряджених електронів, які рухаються навколо нього.
/>
Рис.2.Структура атома
Розміриелектронів до цьго часу не піддаються вимірюванню. Відомо лише, що радіус електронаменший 10–18 м. Розмір ядра набагато більший, і має порядок 10–4÷ 10–5 Å або 10–14÷ 10–15 м. У свою чергу, ядраскладаються із протонів і нейтронів.
/>
Рис.3. Структура ядра
Усямаса атома зосереджена в ядрі. Електрон майже в 2000 разів легший від протона йнейтрона:
mp≈mn ≈ 1,67· 10–27 кг.                    (1)
Можна поставити ще й такезапитання “А з чого складаються протони й нейтрони?” Відповідь відома. Вонискладаються з кварків. А електрон? Сам по собі він ні з чого не складається.Однак зупинимося поки що на цьому, інакше можна досить швидко підійти до межінезвіданого.
Атом порожній. Якщо ядроатома збільшити до розмірів яблука, то відстань від ядра до електронів буде порядку1 км. Якби електрони і ядра не мали заряду, атоми спокійно проходили бодин крізь інший, зовсім не заважаючи один одному.
Де все це знаходиться? Дерозігруються всі явища природи? Весь цей простір називається Всесвітом.Розміри Всесвіту мають порядок 1030 м або приблизно 1010 світловихроків . Для порівняння, відстань від Землі до Сонця дорівнює1,5· 1015 м (150 млн. км.), а радіус Землідорівнює 6,4· 106 м (6400 км). Загальне числопротонів і нейтронів у Всесвіті дорівнює 1080 (1078÷ 1082).До складу Сонця входять близько 1057 протонів і нейтронів, ускладі Землі їх — 4· 1051. Число зірок із масою порядку масиСонця приблизно дорівнює 1023 . Зірка має масу від 0,01 до 100мас Сонця.
Усе в природі складаєтьсяз атомів, у тому числі і люди. Життя – це найбільш складне явище уВсесвіті. Людина, як одна з найбільш складних живих істот, складається з ≈ 1016клітин. Клітина є елементарним фізіологічним осередком, який містить 1012 ÷ 1014 атомів.У будь-яку клітину будь-якого живого організму входить хоча б одна довгамолекулярна нитка ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти). У молекулі ДНК 108÷ 1010 атомів,точне розташування яких може змінюватися від індивідууму до індивідууму. Можнасказати, що молекула ДНК є носієм генетичної інформації.
Невіддільним від атомів єпоняття взаємодії. Як атоми скріплюються між собою у твердому тілі? ЧомуЗемля рухається навколо Сонця по коловій орбіті, а не летить від нього?Нарешті, чому протони в ядрі, маючи позитивний заряд, не відштовхуються одинвід одного і не розлітаються? Що тримає їх разом?
У даний час у природівиявлено чотири основних види взаємодії: електромагнітна, гравітаційна, сильна йслабка.
Перший вид взаємодіївідбувається між зарядженими частинками. Коли пальцем намагатися натиснути настіл, то будемо мати справу з взаємодією електромагнітної природи. Є притяганняі є відштовхування.
Гравітаційна взаємодія,основним проявом якої є закон всесвітнього тяжіння, проявляється завжди увигляді притягання (гравітаційне відштовхування поки що не виявлене).Свідченням цього є ті ж яблука, які завжди падають на Землю. Притягання міжЗемлею й Сонцем змушує Землю рухатися по коловій орбіті навколо Сонця. Силатяжіння – це та сила, яка змушує світитись зірки. Вона надає ядрам атомівнеобхідну для зближення кінетичну енергію (для подолання сили електpичноговідштовхування), щоб змогла розпочатися реакція термоядерного синтезу -основного джерела енергії більшості зірок у Всесвіті.
Сильна взаємодія, навідміну від перших двох, є дуже короткодію-чою. Радіус дії сильної взаємодії неперевищує радіуса ядра і має порядок 10–14÷ 10–15 м.Ця взаємодія проявляється між нуклонами, тобто протонами й нейтронами, і завждимає характер притягання.
Нарешті, останнявзаємодія – це слабка взаємодія. За допомогою слабкої взаємодіїпоглинається речовиною така невловима частинка як нейтрино. Прикладом процесу,у якому відбувається слабка взаємодія, є так званий β-розпаднейтрона. З урахуванням слабкої взаємодії вільний нейтрон нестабільний ірозпадається на протон, електрон і антинейтрино приблизно через 15 хвилин:
/>                       (2)
Останнім часом завдяки зусиллямтеоретиків вдалося об’єднати електромагнітну й слабку взаємодії в одну, щозменшує число основних взаємодій до трьох. Порівняльна сила цих взаємодій така:якщо вважати, що відносна величина взаємодії нуклонів (протонів і нейтронів) уядрі дорівнює одиниці, то наступною за величиною буде електромагнітна взаємодія- 10–2, потім слабка — 10–5. Найслабшою в цьому випадку єгравітаційна взаємодія ~ 10–40.
Природа сильної взаємодіїусе ще залишається не повністю зрозумілою. Точніше, її теорія усе ще недобудована.Проте, людство вже навчилося використовувати ядерні сили, створивши атомнубомбу. Природа давно навчилася використовувати ці сили. Термоядерна реакція наСонці – джерело тепла на Землі, причина свічення зірок у нічному небі,завдяки чому ми бачимо зірки, що знаходяться від нас на відстані в тисячі ймільйони світлових років.
Одним із найважливішихпонять, введених у сучасну фізику, є поняття поля. Простір, у якомунемає частинок і тому його можна назвати «порожнім», насправді не є таким. У«порожньому» (від частинок) просторі можуть існувати різні поля, прикладом якихє електромагнітне поле. Ці поля можуть існувати цілком самостійно, незалежновід частинок, які їх породжують. Ця форма існування — тепер добре відоміелектромагнітні хвилі. Електромагнітні хвилі ввійшли в наше повсякденне життя.Радіо й телебачення здаються нам настільки ж природними як і автомобіль.
Гравітаційні хвилі покищо не виявлені експериментально, але їх існування впевнено пророкує загальнатеорія відносності Ейнштейна. І, очевидно, їх виявлення не за горами. Уже теперє реальним створення надчутливих детекторів гравітаційних хвиль, які здатнізареєструвати вибух наднових зірок у Галактиці, віддаленої від нас на відстаньу мільйони світлових років. І тоді одночасно зі спалахом світла до нас дійдегравітаційна хвиля, яка теж поширюється зі швидкістю світла. Збіг у часі цихподій буде переконливим доказом існування гравітаційних хвиль.
Основною рушійною силоюмайже всіх процесів, які відбуваються на Землі, є електромагнітні сили і явища,що ними породжені. Знання цих сил є основою для розуміння хімічних реакцій,біологічних процесів, а значить і життя, руху повітря, води і навітьземлетрусів. І все це ховається в такій малесенькій часточці, як атом, щоскладається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, якірухаються навколо нього.
Але чому електрони непадають на ядро, адже вони до нього майже доторкаються? Можна було б думати, щопричина та ж, що і при обертанні Землі навколо Сонця. Земля обертається і не падає.Але тут є одна проблема. Річ у тому, що електрично заряджена частинка,рухаючись із прискоренням, випромінює електромагнітні хвилі. Ці хвилі несуть ізсобою енергію. У результаті електрон повинен, зрештою, впасти на ядро, а цьогоне відбувається – атом відносно стійкий (наше з вами існування – томудоказ). У чому ж причина стабільності атома? Справа в тім, що закони, якікерують рухом електрона навколо ядра атома, – це не ті закони класичноїмеханіки, завдяки яким Земля рухається навколо Сонця. В атомі діють закониквантової механіки.
Квантова механіка, або квантова фізика -одне з найбільших наукових досягнень двадцятого століття. Вона описує законируху частинок у мікросвіті, тобто рух частинок малої маси ( або електроніватома) у малих ділянках простору. Квантова механіка – це більш загальнанаука, яка включає в себе класичну механіку як окремий випадок. До чого жзводиться основне твердження квантової механіки? Воно зводиться до того, щочастинки не можуть мати одночасно визначені значення координат й імпульсу,тобто у квантовій механіці не існує поняття траєкторії частинки. Якщо Δ x -це невизначеність координати частинки, а Δ p -невизначеність її імпульсу, то ці величини в квантовій механіці обмеженінерівністю
Δ x Δ p ≥ ħ.                          (3)
де ħ -постійна Планка (ħ = 1,054· 10–34 Дж·с).
Цеспіввідношення, називається співвідношенням невизначеності Гейзенберга.Суть цього співвідношення полягає в тому, що якби електрон упав на ядро (а вонодуже маленьке), то його координата визначалася б із точністю Δ x = 0.Але в цьому випадку невизначеність імпульсу Δ p будедорівнювати безмежності і електрон з такою енергією вилетів би з ядра знову,переборовши сили притягання. Неможливість локалізації електрона на ядрі є востаточному підсумку наслідком того, що насправді електрон – не частинка,а хвиля, довжина якої
/>                             (4)
де p —імпульс електрона.
А, як відомо, хвилю не можналокалізувати в просторі з розмірами, меншими за довжину хвилі. З цих міркуваньможна оцінити розмір атома.
Скористаємосяспіввідношенням невизначеності Δ r Δ p≈ ħ, де Δ r — невизначеністькоординати електрона, а Δ p — невизначеність йогоімпульсу. Будемо  вважати, що величини Δ r ≈ rі Δ p ≈ p, де r – характернавідстань електрона від ядра (тобто розмір атома), а p – значенняімпульсу електрона на цій відстані. При русі електрона в кулонівському поліядра, потенціальна енергія буде такого ж порядку, що й кінетична енергія. Томумаємо два співвідношення для визначення p і r:
/>                      (6)
/>.
Зпершої умови одержуємо, що />Підставившицей вираз у друге рівняння, знайдемо радіус атома
/>                         (7)
Приблизно ħ ≈ 10–34 Дж·с,m ≈ 10–31 кг і q ≈ 1,6· 10–19 Кл.Підставля-ючи ці величини у формулу (7), одержуємо 0,4 Å.
Таким чином, атом єдосить стійким завдяки існуванню принципу невизначеності. Квантова механіканеобхідна для розуміння хімічних і біологічних процесів, а значить длярозуміння того, як ми улаштовані. Однак, унаслідок її відносної складності,починають вивчати фізику з більш простих речей – із класичної механіки.

РЕФЕРАТ
 
Натему:Макросвіт і мікросвіт, їхвзаємозв’язок. Сучасна картина світу

Макросвіт імікросвіт, їх взаємозв’язок. Сучасна картина світу
Фізика – це наукапро природу. Вона виникла, як результат споконвічного прагнення людей зрозумітий описати світ, що її оточує. Світ надзви-чайно складний і цікавий. Людина, якчастина цього світу завжди намага-лася зрозуміти його будову. Чи можливо його пізнати?Сьогодні ми зна-ємо, що світ пізнаваний і що багато чого вже відомо.
Найважливішим є те, щовсі навколишні тіла складаються з атомів . Атоми єцеглинками світобудови, вони знаходяться у безперервному русі, притягаються навеликих відстанях, але відштовхуються, коли їх нама-гатися наблизити один доодного. Розміри атомів приблизно 10–10 м.
Чи можна побачити атом?Можна – у тунельний мікроскоп (1981 р.) . Дивлячись утакий мікроскоп, можна перерахувати атоми поштучно (рис.1).
/>
Рис. 1. Тунельний мікроскоп.Тунельний струм залежить від відстані між голкою й поверхнею
Чи єкористь від того, що світ складається з атомів? Користь дуже велика. Лише вцьому випадку можна зрозуміти чому існують тверді, рідкі й газоподібні тіла; зякою швидкістю поширюється звук; чому летить літак; що таке температура ібагато іншого.
А зчого складаються атоми? Атоми складаються з позитивно зарядженого ядра йнегативно заряджених електронів, які рухаються навколо нього.
/>
Рис.2.Структура атома
Розміриелектронів до цьго часу не піддаються вимірюванню. Відомо лише, що радіус електронаменший 10–18 м. Розмір ядра набагато більший, і має порядок 10–4÷ 10–5 Å або 10–14÷ 10–15 м. У свою чергу, ядраскладаються із протонів і нейтронів.
/>
Рис.3. Структура ядра
Усямаса атома зосереджена в ядрі. Електрон майже в 2000 разів легший від протона йнейтрона:
mp≈mn ≈ 1,67· 10–27 кг.                    (1)
Можна поставити ще й такезапитання “А з чого складаються протони й нейтрони?” Відповідь відома. Вонискладаються з кварків. А електрон? Сам по собі він ні з чого не складається.Однак зупинимося поки що на цьому, інакше можна досить швидко підійти до межінезвіданого.
Атом порожній. Якщо ядроатома збільшити до розмірів яблука, то відстань від ядра до електронів буде порядку1 км. Якби електрони і ядра не мали заряду, атоми спокійно проходили бодин крізь інший, зовсім не заважаючи один одному.
Де все це знаходиться? Дерозігруються всі явища природи? Весь цей простір називається Всесвітом.Розміри Всесвіту мають порядок 1030 м або приблизно 1010 світловихроків . Для порівняння, відстань від Землі до Сонця дорівнює1,5· 1015 м (150 млн. км.), а радіус Землідорівнює 6,4· 106 м (6400 км). Загальне числопротонів і нейтронів у Всесвіті дорівнює 1080 (1078÷ 1082).До складу Сонця входять близько 1057 протонів і нейтронів, ускладі Землі їх — 4· 1051. Число зірок із масою порядку масиСонця приблизно дорівнює 1023 . Зірка має масу від 0,01 до 100мас Сонця.
Усе в природі складаєтьсяз атомів, у тому числі і люди. Життя – це найбільш складне явище уВсесвіті. Людина, як одна з найбільш складних живих істот, складається з ≈ 1016клітин. Клітина є елементарним фізіологічним осередком, який містить 1012 ÷ 1014 атомів.У будь-яку клітину будь-якого живого організму входить хоча б одна довгамолекулярна нитка ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти). У молекулі ДНК 108÷ 1010 атомів,точне розташування яких може змінюватися від індивідууму до індивідууму. Можнасказати, що молекула ДНК є носієм генетичної інформації.
Невіддільним від атомів єпоняття взаємодії. Як атоми скріплюються між собою у твердому тілі? ЧомуЗемля рухається навколо Сонця по коловій орбіті, а не летить від нього?Нарешті, чому протони в ядрі, маючи позитивний заряд, не відштовхуються одинвід одного і не розлітаються? Що тримає їх разом?
У даний час у природівиявлено чотири основних види взаємодії: електромагнітна, гравітаційна, сильна йслабка.
Перший вид взаємодіївідбувається між зарядженими частинками. Коли пальцем намагатися натиснути настіл, то будемо мати справу з взаємодією електромагнітної природи. Є притяганняі є відштовхування.
Гравітаційна взаємодія,основним проявом якої є закон всесвітнього тяжіння, проявляється завжди увигляді притягання (гравітаційне відштовхування поки що не виявлене).Свідченням цього є ті ж яблука, які завжди падають на Землю. Притягання міжЗемлею й Сонцем змушує Землю рухатися по коловій орбіті навколо Сонця. Силатяжіння – це та сила, яка змушує світитись зірки. Вона надає ядрам атомівнеобхідну для зближення кінетичну енергію (для подолання сили електpичноговідштовхування), щоб змогла розпочатися реакція термоядерного синтезу -основного джерела енергії більшості зірок у Всесвіті.
Сильна взаємодія, навідміну від перших двох, є дуже короткодію-чою. Радіус дії сильної взаємодії неперевищує радіуса ядра і має порядок 10–14÷ 10–15 м.Ця взаємодія проявляється між нуклонами, тобто протонами й нейтронами, і завждимає характер притягання.
Нарешті, останнявзаємодія – це слабка взаємодія. За допомогою слабкої взаємодіїпоглинається речовиною така невловима частинка як нейтрино. Прикладом процесу,у якому відбувається слабка взаємодія, є так званий β-розпаднейтрона. З урахуванням слабкої взаємодії вільний нейтрон нестабільний ірозпадається на протон, електрон і антинейтрино приблизно через 15 хвилин:
/>                       (2)
Останнім часом завдяки зусиллямтеоретиків вдалося об’єднати електромагнітну й слабку взаємодії в одну, щозменшує число основних взаємодій до трьох. Порівняльна сила цих взаємодій така:якщо вважати, що відносна величина взаємодії нуклонів (протонів і нейтронів) уядрі дорівнює одиниці, то наступною за величиною буде електромагнітна взаємодія- 10–2, потім слабка — 10–5. Найслабшою в цьому випадку єгравітаційна взаємодія ~ 10–40.
Природа сильної взаємодіїусе ще залишається не повністю зрозумілою. Точніше, її теорія усе ще недобудована.Проте, людство вже навчилося використовувати ядерні сили, створивши атомнубомбу. Природа давно навчилася використовувати ці сили. Термоядерна реакція наСонці – джерело тепла на Землі, причина свічення зірок у нічному небі,завдяки чому ми бачимо зірки, що знаходяться від нас на відстані в тисячі ймільйони світлових років.
Одним із найважливішихпонять, введених у сучасну фізику, є поняття поля. Простір, у якомунемає частинок і тому його можна назвати «порожнім», насправді не є таким. У«порожньому» (від частинок) просторі можуть існувати різні поля, прикладом якихє електромагнітне поле. Ці поля можуть існувати цілком самостійно, незалежновід частинок, які їх породжують. Ця форма існування — тепер добре відоміелектромагнітні хвилі. Електромагнітні хвилі ввійшли в наше повсякденне життя.Радіо й телебачення здаються нам настільки ж природними як і автомобіль.
Гравітаційні хвилі покищо не виявлені експериментально, але їх існування впевнено пророкує загальнатеорія відносності Ейнштейна. І, очевидно, їх виявлення не за горами. Уже теперє реальним створення надчутливих детекторів гравітаційних хвиль, які здатнізареєструвати вибух наднових зірок у Галактиці, віддаленої від нас на відстаньу мільйони світлових років. І тоді одночасно зі спалахом світла до нас дійдегравітаційна хвиля, яка теж поширюється зі швидкістю світла. Збіг у часі цихподій буде переконливим доказом існування гравітаційних хвиль.
Основною рушійною силоюмайже всіх процесів, які відбуваються на Землі, є електромагнітні сили і явища,що ними породжені. Знання цих сил є основою для розуміння хімічних реакцій,біологічних процесів, а значить і життя, руху повітря, води і навітьземлетрусів. І все це ховається в такій малесенькій часточці, як атом, щоскладається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, якірухаються навколо нього.
Але чому електрони непадають на ядро, адже вони до нього майже доторкаються? Можна було б думати, щопричина та ж, що і при обертанні Землі навколо Сонця. Земля обертається і не падає.Але тут є одна проблема. Річ у тому, що електрично заряджена частинка,рухаючись із прискоренням, випромінює електромагнітні хвилі. Ці хвилі несуть ізсобою енергію. У результаті електрон повинен, зрештою, впасти на ядро, а цьогоне відбувається – атом відносно стійкий (наше з вами існування – томудоказ). У чому ж причина стабільності атома? Справа в тім, що закони, якікерують рухом електрона навколо ядра атома, – це не ті закони класичноїмеханіки, завдяки яким Земля рухається навколо Сонця. В атомі діють закониквантової механіки.
Квантова механіка, або квантова фізика -одне з найбільших наукових досягнень двадцятого століття. Вона описує законируху частинок у мікросвіті, тобто рух частинок малої маси ( або електроніватома) у малих ділянках простору. Квантова механіка – це більш загальнанаука, яка включає в себе класичну механіку як окремий випадок. До чого жзводиться основне твердження квантової механіки? Воно зводиться до того, щочастинки не можуть мати одночасно визначені значення координат й імпульсу,тобто у квантовій механіці не існує поняття траєкторії частинки. Якщо Δ x -це невизначеність координати частинки, а Δ p -невизначеність її імпульсу, то ці величини в квантовій механіці обмеженінерівністю
Δ x Δ p ≥ ħ.                          (3)
де ħ -постійна Планка (ħ = 1,054· 10–34 Дж·с).
Цеспіввідношення, називається співвідношенням невизначеності Гейзенберга.Суть цього співвідношення полягає в тому, що якби електрон упав на ядро (а вонодуже маленьке), то його координата визначалася б із точністю Δ x = 0.Але в цьому випадку невизначеність імпульсу Δ p будедорівнювати безмежності і електрон з такою енергією вилетів би з ядра знову,переборовши сили притягання. Неможливість локалізації електрона на ядрі є востаточному підсумку наслідком того, що насправді електрон – не частинка,а хвиля, довжина якої
/>                             (4)
де p —імпульс електрона.
А, як відомо, хвилю не можналокалізувати в просторі з розмірами, меншими за довжину хвилі. З цих міркуваньможна оцінити розмір атома.
Скористаємосяспіввідношенням невизначеності Δ r Δ p≈ ħ, де Δ r — невизначеністькоординати електрона, а Δ p — невизначеність йогоімпульсу. Будемо  вважати, що величини Δ r ≈ rі Δ p ≈ p, де r – характернавідстань електрона від ядра (тобто розмір атома), а p – значенняімпульсу електрона на цій відстані. При русі електрона в кулонівському поліядра, потенціальна енергія буде такого ж порядку, що й кінетична енергія. Томумаємо два співвідношення для визначення p і r:
/>                      (6)
/>.
Зпершої умови одержуємо, що />Підставившицей вираз у друге рівняння, знайдемо радіус атома
/>                         (7)
Приблизно ħ ≈ 10–34 Дж·с,m ≈ 10–31 кг і q ≈ 1,6· 10–19 Кл.Підставля-ючи ці величини у формулу (7), одержуємо 0,4 Å.
Таким чином, атом єдосить стійким завдяки існуванню принципу невизначеності. Квантова механіканеобхідна для розуміння хімічних і біологічних процесів, а значить длярозуміння того, як ми улаштовані. Однак, унаслідок її відносної складності,починають вивчати фізику з більш простих речей – із класичної механіки.