Структурные уровни материи
презентация к уроку по естествознанию по теме

Современные концепции физики Структурные уровни организации материиСтруктура мегамираСтруктура макромираСтруктура микромира Материя Живая природа Белки, ДНККлеткаОрганы и тканиОрганизмПопуляцияБиоценозыЖивое вещество планеты Неживая природаЭлементарные частицыАтомыМолекулыПоляМакроскопические телаПланеты и планетные системыЗвезды и звездные системыГалактикиМетагалактики и Вселенная в целом Уровни материи: Микромир- область предельно малых, непосредственно не наблюдаемых материальных объектов.Макромир – мир материальных объектов, соизмеримый по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей Структура мегамира Планеты — несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. Звезды — светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации Характеристика звезд Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга.Звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики.Число звезд в Галактике — порядка триллиона.Самые многочисленные из них — карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. Стадии эволюции звезд Белый карлик — это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность — 10 т/см3, т.е. в сотни раз больше земной плотности. Стадии эволюции звезд Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. Нейтронные звезды также называют пульсарами. Стадии эволюции звезд Черные дыры — это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (1015 г) и аномально сильным гравитационным полем. Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными». Звездные системы (звездные скопления) — группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Галактики — совокупности звездных скоплений Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин (от греч. «молоко, молочный») был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную Млечным Путем. Типы галактик по внешнему виду К первому (около 80%) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17%) включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3%) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Характеристика галактик Галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга. Характеристика галактики Млечный Путь относится к разряду гигантских галактик - не менее 100 млрд. звезд .Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр составляет около 100 тыс., а толщина — 10 тыс. световых лет.Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды. Метагалактика — система галактик, включающая все известные космические объекты 1) световой год — расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/с, т.е. световой год составляет 10 трлн км;2) астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;3) парсек — единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк — 206 265 а.е., т.е. приблизительно равен 30 трлн. км, или 3,3 световым годам Структура макромира Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя Центральным понятием макромира является понятие веществаОно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами — удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий Структура микромира На рубеже XIX—XX вв. в естественно-научной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили: 1) выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;2) подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;3) доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию концепции элементарных частиц. Основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей. История открытия фундаментальных частиц началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу — электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц включает два этапа Первый этап приходится на 30—50-е гг. XX в. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. — нейтрон, а спустя четыре года — первая античастица — позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений. Второй этап приходится на 1960-е гг., когда общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. В 1970-80-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик. Общие свойства элементарных частиц корпускулярно-волновой дуализм, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире Классификация элементарных частиц составными (протон, нейтрон)несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называют фундаментальными. Характеристики элементарных частиц положенные в основу их классификации Масса элементарной частицы — это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно подразделить на несколько групп: • частицы, не имеющие массы покоя. (фотоны, движущиеся со скоростью света)• лептоны (от «лептос» — легкий) — легкие частицы (электрон и нейтрино);• мезоны (от «мезос» — средний, промежуточный) — средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;• барионы (от «барос» — тяжелый) — тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы). Барионы (тяжелые)ПротонНейтронАнтипротонАнтинейтронЛамда-гиперонСигма –гиперонКси-гиперон
Мезоны (средние)Пи-мезонКа-мезонЭта-мезон
Лептоны (легкие)Электроны
Фотоны (масса покоя равна нулю)
Кварки
Классификация «элементарных частиц» (по массе) Второй важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд Отрицательный ПоложительныйНулевой Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом — кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы. 1) адроны (от «андрос» — крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;2) лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;частицы — переносчики взаимодействий. фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия глюоны — переносчики сильного взаимодействия тяжелые векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Четвертая характеристика элементарных частиц - время их жизни Стабильные- не распадаются длительное время могут существовать от бесконечности до 10-10 с (фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон)Квазистабильные (резонансы) -распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий от 10-24 до 10-26 с.Нестабильные -10-10— 10-24 с, т.е. несколько микросекунд. Важнейшей характеристикой частиц является спин — собственный момент количества движения (импульса) частицы. Фермионы — это не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы(электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен Ѕ)Бозоны — это кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, однако в классическом пределе выступают как поля (фотон, спин которого равен 1, и мезон, спин которого равен 0, возможно, существуют частицы со спином 2 — гравитоны)