WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ Новосибирск, 2009 г. 2 Федеральное агенство по образованию Российская Федерация Новосибирский государственный Архитектурно-строительный университет (СИБСТРИН) ...»

-- [ Страница 1 ] --

1

Л.Н. Мазалов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Новосибирск, 2009 г.

2

Федеральное агенство по образованию

Российская Федерация

Новосибирский государственный

Архитектурно-строительный университет

(СИБСТРИН)

Сибирское отделение Российской академии наук

Институт неорганической химии имени А.В. Николаева Л.Н. Мазалов Физические основы измерения Часть II Учебное пособие Новосибирск, 2009 г.

3 Физические основы измерений Введение I. Иерархия физических объектов и пространственно-временных масштабов Литература II. Современная космологическая картина мира.

Литература III. Пространство, Время, Движение Литература IV. Пространственно-временные преобразования Литература V. Симметрия в природе Литература VI. Квантовый мир и его описание Литература VII. Физические величины и их измерения Литература Введение Для получения информации об окружающем мире необходимы измерения.

Собранная информация позволяет иметь более обширные знания об окружающем мире и о взаимосвязях, существующих между характеристиками, состояниями и явлениями нашего мира. Эта информация позволяет строить модели мира (или его частей) и формулировать законы и теоремы. Далее снова с помощью измерений можно проверить дают ли эти модели, гипотезы, законы верное представление о мире.

Построенные модели, сформулированные законы используются для того, чтобы видоизменить окружающий мир. В этом плане цель измерений состоит в том, чтобы прямо или косвенно осуществлять, контролировать, управлять процессами в окружающем мире.

В этом и заключается значение моделей и знание законов о нашем мире для прикладных целей.

Настоящее пособие посвящено физическим основам измерений. Согласно ГОС на ОФД 05 специалист в области управления на основе качества должен обладать современными знаниями о современной физической картине мира, способах идентификации и описания основных физических явлений, протекающих в окружающем мире.

В настоящем пособии рассмотрены иерархия материальных объектов окружающего мира, свойства пространства и времени, пространственно-временные измерения, принципы симметрии, квантовые представления и закономерности их проявления в измерениях, природа фундаментальных констант, системы физических величин и их измерение.

На основе концептуальных понятий современной физики рассмотрены особенности процессов измерения различных физических величин, которые необходимо знать и учитывать при проведении конкретных измерений.

I. ИЕРАРХИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ МАСШТАБОВ МИРА

1.1. Структурные уровни материи

1.2. Иерархия объектов в природе.

1.3. Иерархия пространственно-временных масштабов мира

Литература

I. ИЕРАРХИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ МАСШТАБОВ МИРА

1.1. Структурные уровни материи Материя – бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны человеку в его ощущениях. Окружающий мир – это движущаяся материя в бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе, материя делится на два больших класса материальных систем: неживую и живую природы. В системе неживой природы структурные элементы – элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, мегагалактики и Вселенная в целом [1]. В живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка и одноклеточные организмы, многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биогенез, живое вещество планеты.

Обе сферы материи включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура – совокупность связей между элементами систем. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являются горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями – вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основными классификационными признаками являются размер объекта и его масса, а также их соотношение с физическими параметрами человека. На основе этого критерия выделяются следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир – область предельно малых, непосредственно не наблюдаемых материальных микрообъектов, размер которых вычисляется в диапазоне от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по масштабам с человеком. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах, километрах, а время – в секундах, минутах, часах, днях, годах. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности.

Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами (1 а.е. = 8,3 свет. мин), световыми годами (1 свет. год = 10 трлн.км) и парсеками (1 Пк = 30 трлн. км), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: планеты и их системы, звезды, галактики и их скопления, образующие мегагалактики.

Хотя микро-, макро- и мегамир тесно взаимосвязаны и составляют единое целое, тем не менее на каждом из этих структурных уровней действуют свои специфические законы: в микромире – законы квантовой физики, в макромире – законы классической физики ( механики, термодинамики, электродинамики). В макромире, наряду с вышеперечисленными выше законами большую роль играют законы общей теории относительности [2].

Реальный мир представляет собой иерархию структур различного масштаба и разного уровня сложности. Структуры микро-, макро- и мега мира, расположенные в порядке уменьшения их масштаба, образуют структурно-масштабную иерархию.

Человек и все окружающие его в повседневной жизни предметы – это макроскопические тела. Размеры макроскопических тел – от долей миллиметра до сотен метров. Тот мир, который человек воспринимает непосредственно (т.е. с помощью органов чувств), есть макроскопический мир. Следует подчеркнуть, что органы чувств человека дают чрезвычайно малый диапазон восприятия. Например, воспринимая зрительно электромагнитное излучение в видимом диапазоне, мы не воспринимаем излучений никаких других частот (гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое, инфракрасное и радиоизлучение). Также исключительно узкими являются диапазоны восприятия размеров времени, масс и энергий [3].

Рассмотренная выше иерархия объектов природы может быть рассмотрена с более общей точки зрения – теории систем. В теории систем мир рассматривается как совокупность различных систем, которые, в свою очередь, формируют более сложные системы 1. Более сложные системы формируют еще более сложные и т.д. Возникает иерархия систем, в которой системы высоких уровней организации материи базируется на системах более низких уровней организации материи.

Система, являющаяся элементом данной системы, называется подсистемой данной системы.

Например, молекула является надсистемой для электронов и ядер, подсистема молекул – электроны, их взаимодействие приводит к появлению у молекулы таких свойств, которые отсутствуют у отдельных атомов, входящих в состав молекулы.

На рис. 1.1 приведен пример иерархической модели мировых систем, причем указаны науки, изучающие системы того или иного уровня [4]. Эта схема, в частности, показывает, что системная организация мира нелинейна. Так, вышележащая система состоит не только из систем предыдущего уровня – она вбирает в себя и многие системы более низких уровней. Так, например, сложные молекулы химических соединений состоят из разнообразных атомов, которые можно рассматривать как подсистемы. В свою очередь атомы состоят из электронов и ядер, протонов, нейтронов, элементарных частиц, которые входят в состав химического соединения, как подсистемы более низких уровней.

Законы организации систем низшего уровня в системы высшего уровня едины для любого перехода. В этой связи теория развития системы – это наука о правилах перехода с уровня на уровень. В то же время, различные естественные науки поставляют информацию о характере системы своего уровня.

Таким образом, здание естественных наук включает в себя отдельные этажи – частные науки, а также лестницы, связующие эти этажи. Вместе они образуют теорию систем.

Интегративное свойство оказывается очень удобным для определения различных объектов изучения естественных наук. Иерархичны все системы. Компоненты любой системы сами по себе системы. Принципиально то, что законы низкоорганизованных систем определяют законы высокоорганизованных, а не наоборот.

Редукционизм. Описания материи (процессы исследования материи), как правило, идут по пути разделения ее на все более мелкие составные части, при этом на каждом уровне описание поведения материи рассматривается с помощью известного поведения ее на нижележащем уровне.

Так, кинетическая теория теплоты, которая объясняет термодинамическое поведение макроскопических тел на основе исследования механического движения их молекул; квантовая теория объясняет сходным образом химические свойства вещества с помощью движения электронов внутри атомов и молекул вещества. Излучение звезд объясняется с помощью реакций, происходящих с ядрами атомов вещества этих звезд.

Поскольку различные формы материи изучают разные науки, в результате такого рода построений сокращается число наук. Так, в приведенных выше примерах теория теплоты заменяется механикой, химия – атомной физикой, а астрономия частично заменяется ядерной физикой. Но такая замена больше кажущаяся, так как, хотя понятия науки более высокого уровня В книге Д.М. Жилина [4] понятие системы определено следующим образом: «Свойство совокупности, которое не является суммой или средневзвешенным свойством отдельных компонентов совокупности называется интегративным (эмерджентным) свойством. Совокупность, обладающая интергративным свойством, называется системой».

можно анализировать с позиций более фундаментальной науки, но первые нельзя отбросить без потери понимания, достигнутого наукой более высокого уровня. Тем не менее, можно представить себе ступени анализа, в которых социология сводится к психологии, психология – к физиологии, физиология – к биологии, биология – к химии, химия – к физике! Такой взгляд на науку называется «редукционизмом».

Имеется и другое направление анализа материи, которое применяется к ее поведению на рассматриваемом уровне и имеет целью представить поведение материи как комбинацию определенных типов поведения. Цель всегда состоит в сокращении числа независимых законов природы; для этого необходимо показать, что-либо некоторые законы можно свести к другим, либо два данных закона можно объединить, т.е. показать, что оба они являются разными аспектами одного и того же скрытого явления.

Такого рода объединение законов произошло, когда Фарадей и Максвелл показали, что электрические и магнитные силы взаимосвязаны, пример сведения одного закона к другому – объяснение Максвеллом световых явлений с помощью объединенного электромагнитного взаимодействия.

Слово «иерархия» применительно к рассматриваемому множеству существующих в микро-, макро- и мегамирах объектах отображает некоторую лестницу объектов, качественно отличающихся или характеризующихся степенью сложности. В окружающем нас мире можно построить следующую иерархию объектов: элементарные частицы, – ядра, – атомы, – молекулы, – макротела (кристаллы, жидкости, газы, плазма), – планеты, – звезды, – галактики, – Вселенная [5].

Соответствующие ступени этой иерархической лестницы, различающихся разной степенью сложности, можно отнести соответственно к микромиру ( элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы); макромиру (кристаллы, жидкости, газы, плазма), мегамиру (планеты, звезды, галактики, Вселенная).

Человек имеет дело с макротелами, каким и сам является. Обычно человек пытается исследовать природу в её двух крайних проявлениях: в очень малом (микромир), в очень большом (мегамир). Зная свойства отдельных ступеней, можно прогнозировать свойства объектов на более высоких ступенях. Каждое звено цепи макротело – молекула – атом – ядра – электронные частицы отражают исторические вехи в исследованиях. Кратко остановимся на основных характеристиках объектов этой иерархии. Элементарными частицами обычно называют частицы, которые принято считать, не состоят из более простых частиц. На сегодняшний день считается, что эти образования являются исходными, простейшими в смысле их структуры. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее глубокие физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.

Все элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. В свою очередь, адронная группа состоит из барионов и мезонов:

Адроны Группа лептонов представлена следующими частицами:

Лептоны Кроме того, в группе адронов существуют два больших семейства, так называемых, резонансных частиц: барионные и мезонные резонансы [5]. Отнесение указанных выше тех или иных частиц к элементарным может со временем не подтверждаться. Так, в настоящее время считается, что адроны состоят из кварков – частиц с дробным электрическим зарядом. Всего имеется шесть сортов кварков (или, как принято называть «ароматов»), обозначаемых первыми буквами соответствующих английских слов: u (up), d (down), c (charm), s (strange), t (top), b (beanyty). Например, барионы состоят из трех кварков: протон – (p = und), нейтрон (n = ddn).

Все известные адроны можно построить, постулировав существование только трех типов кварков. Лептоны, как и кварки, рассматриваются как бесструктурные точечные частицы. Кварки и лептоны ныне могут претендовать на роль истинно элементарных частиц.

В свободном состоянии кварки до сих пор не наблюдаются. Само понятие кварков было введено первоначально как математически структурные элементы, открывающие возможность удобного описания адронов. В дальнейшем были поставлены эксперименты по рассеянию электронов высоких энергий нуклонами, которые выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований: их естественно отождествили с кварками. Выделить кварки в свободном состоянии пока не удалось. Они прочно удерживаются внутри адронов. Во всех известных до настоящего времени экспериментах по столкновению частиц высоких энергий рождались не кварки, а новые протоны и другие частицы.

Для объяснения причин прочного удержания кварков внутри адронов были введены новые элементарные объекты – струны. Под струнами в физике понимают некоторые протяженные одномерные структуры с натяжением, когда энергия струны растет с ее длиной. Таковы, например, музыкальные струны. Струны, которые рассматриваются в теории строения адронов, связывают кварки друг с другом. В образовании струн участвуют глюоны, которые являются носителями поля, посредством которого взаимодействуют кварки. Глюоны сильно притягиваются друг к другу. В результате происходит сжатие силовых линий, отвечающих полю [7].

Стабильными, т.е. живущими в свободном состоянии неограниченно долго являются протон, электрон, фотон и, по-видимому, нейтрино всех типов. Самыми короткоживущими образованиями являются частицы резонансы со временем жизни порядка 10-23с. «Рекордным долгожителем» в микромире является нейтрон, время жизни которого в свободном состоянии около 103с. Массы стабильных элементарных частиц распределяются следующим образом: у протона mp ~ 1,6710- кг, у электрона me ~ 0,9110-30 кг. Масса фотона равна нулю.

Элементарным электрическим зарядом является заряд электрона е = 1,610-19 кл. Почти все элементарные частицы обладают электрическим зарядом –е или +е. Частицы с дробным электрическим зарядом в настоящее время не обнаружены. Кварки, которым приписывается заряд е, не могут существовать вне своей тяжелой частицы (адронов), структуру которых они образуют.

Всего в настоящее время насчитывается ~ 450 известных частиц [6].

Еще в 1928 г. английским физиком П.Дираком, одним из создателей квантовой механики было предсказано существование частицы с массой электрона, но с положительным зарядом. Такая частица была обнаружена экспериментально в 1932 г. и ее назвали позитроном.

В 1955 г. был обнаружен антипротон, а в 1956 г – антинейтрон, т.е. античастицы по отношению к протону и нейтрону. Согласно квантовой механике, частицы и античастицы имеют одинаковые массы, одинаковые времена жизни, одинаковые спины, а также остальные квантовые характеристики, приписываемые элементарным частицам. В квантовой теории сформулирован принцип зарядового сопряжения, согласно которому для каждой элементарной частицы должна существовать античастица.

Однако античастиц в нашей Вселенной по абсолютному значению несоизмеримо меньше (по крайней мере, в нашей части Вселенной) [7]. При взаимодействии частица–античастица аннигилируют. Так, при столкновении электрона е-1 и позитрона е+1 они претерпевают процесс аннигиляции («уничтожения»), порождая два фотона (рис. 1.2). [8]. Аннигилируют и любые другие элементарные частицы при столкновении со своими античастицами.

Возможен и процесс, обратный аннигиляции – рождение пар. Например, -квант с энергией большей или равной 2meс2 может превратиться в электрон и позитрон Протону, нейтрону, электрону и другим элементарным частицам и системам, образованным из этих частиц (ядрам, атомам и т.д.), приписывается определенный механический момент импульса или спин (spin – веретено).

Спин имеет квантовую природу и является внутренним свойством частицы, таким же как ее заряд или масса. Спин измеряется в единицах постоянной Планка ( = h/2). Частицы, имеющие полуцелый спин (1/2h, 3/2h, 5/2h…) относят к фермионам (электрон, протон, нейтрон). Частицы с нулевым спином или целочисленным (0, 1, 2…) называют бозонами. Спиновые свойства частиц играют огромную роль при рассмотрении свойств коллективов частиц и их взаимодействий.

Ядра. Атомные ядра представляют собой связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных нуклонов, составляющих ядро.

Соответствующая разность масс (дефект массы) определяет энергию связи.

Электрические заряды ядер строго равны сумме зарядов, входящих в ядро протонов. В настоящее время известны ядра с зарядом от +1е до +109е. Общее число протонов и нейтронов (нуклонов) изменяется от 1 до примерно 260. Наибольшей устойчивостью обладают ядра с числом протонов 2, 8, 20, 28, 50, 80, 126, получивших название магических.

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границ ядра. Эмпирическая формула для радиуса R = R0А-1/3, где R0(1,3/1,7)10-15 м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов (А) в нем. Радиусы ядер изменяются от 210-15 м (ядро гелия) до 710-15 м (ядро урана). Ядра имеют форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида. Отклонение распределения электрического заряда протонов по ядру от сферически симметричного приводит к появлению у ядер квадрупольного электрического момента.

Так как атом нейтрален, то заряд ядра (+Zе) определяет и число электронов в атоме. От числа электронов зависит их распределение по состояниям в атоме, с которым, в свою очередь, связаны химические свойства атомов. Следовательно, заряд ядра определяет и специфику химического элемента.

Ядра с одинаковым Z, но разным массовым числом А (число нуклонов в ядре), т.е. с разным числом нейтронов (N = A–Z) называют изотопами. Ядра с одинаковыми А, но разными Z – изобарами. Например, водород (Z=1) имеет три изотопа 11H(Z=1, N=0) –протий; 21H(Z=1, N=1) – дейтерий; 31H(Z=1, N=2) – тритий.

Многие элементы имеют изотопы. Так, олово имеет 10 изотопов. Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек, поэтому у изотопов данного элемента одинаковы все химические свойства. Энергия связи нуклонов ядре определяется соотношением где mp, mn, mя – соответственно массы протона, нейтрона и ядра. Измерения масс ядра показывают, что масса ядра меньше суммы масс его составляющих. Величина называется дефектом массы.

Уменьшение суммарной массы нуклонов при образовании из них ядра объясняется выделением энергии связи. Большое значение в физике ядра имеет понятие удельной энергии связи – энергии связи, отнесенной к одному нуклону где А – число нуклонов в ядре.

Удельная энергия связи характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер: чем больше Есв, тем устойчивее ядро. Наиболее устойчивы ядра средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны следующие процессы:

1) деление тяжелых ядер на более легкие;

2) слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые.

В обоих процессах выделяется огромное количество энергии. Реакция деления используется в современных ядерных реакторах с целью получения энергии. Реакции синтеза (термоядерные реакции) служат источниками энергии Солнца и Звезд.

Ядро, как квантовая система, может находиться в различных возбужденных квантовых состояниях. В основном состоянии ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными.

Время, за которое из любого макроскопического количества нестабильных ядер распадается половина, называется периодом полураспада. Периоды полураспада известных нам элементов изменяются в пределах от 1018 лет до 10-10 с. Выше отмечалось, что свободные нейтроны – нестабильные частицы, распадающиеся на протон р, электрон е-1 и электронное нейтрино е Нейтроны, входящие в состав стабильных атомных ядер, устойчивы. В нестабильных же ядрах нейтроны могут испытывать указанные выше превращения. Самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер естественных химических элементов в ядра других элементов сопровождается испусканием ядерного излучения различного типа. Известно четыре типа самопроизвольных ядерных превращений: альфа-распад, бета-распад, электронный захват и спонтанное деление тяжелых ядер – урана, тория и трансурановых искусственных элементов.

Радиоактивный распад – явление статистической природы, обусловленное внутренней неустойчивостью ядер, имеющих избыток или недостаток нейтронов, по сравнению со стабильными изотопами этих элементов [9]. При -распаде ядро теряет заряд 2е и массу, приблизительную 4 ат.ед. массы (вылетает ядро – атом 2Не4). В результате получается новое ядро с зарядом Z, уменьшенным на 2 единицы и массовым числом, уменьшенным на 4 единицы.

Например, при распаде 92U238 9Th234 + 2He4 происходит превращение элемента урана в элемент торий.

При -распаде (излучение электрона) получается ядро, имеющее на единицу больший заряд т.е. изотоп кобальта(60) превращается в изотоп никеля(60) с испусканием электрона.

Получающийся при этом изотоп Ni60 имеет избыток энергии, которая уносится -квантами т.е. превращение Со в Ni сопровождается и и -излучением [10].

В природе существуют устойчивые (стабильные) атомные ядра и неустойчивые, которые самопроизвольно превращаются в другие. Соответствующие процессы, происходящие с ядрами, принято относить к радиоактивным превращениям (распаду). Распадающееся ядро называется материнским, а ядро продукта распада – дочерним.

Радиоактивные распады с течением времени уменьшают число нераспавшихся материнских ядер. Радиоактивный распад описывается зависимостью N = N0e-t (закон радиоактивного распада).

В законе N0 – первоначальное число радиоактивных ядер, которое существовало в момент, принятый за начало отсчета времени, т.е. при t = 0, N – число радиоактивных ядер в момент времени t, - постоянная распада, характеризующая долю ядер, распадающихся за единицу времени, т.е. определяет скорость радиоактивного распада. Лямбда () не зависит от внешних условий, определяется лишь внутренними свойствами ядер и имеет размерность []= Т-1.

Атомы. В атомах и молекулах положительные ядра окружены роем отрицательного заряженных частиц – электронами. Число электронов в атоме равно порядковому номеру Z элемента в таблице Менделеева и совпадает с числом протонов в ядре данного атома. В многоэлектронных атомах каждый электрон взаимодействует не только с ядром, но и с остальными электронами, число которых будет Z-1. Состояние одного электрона в атоме характеризуется четверкой квантовых чисел n, l, m, ms. Состояние электрона c l=0 называют s-состоянием, состояние с l=1 – p-состояниями, состояние с l=2 – d-состояниями, состояние с l=3 – f-состояниями. Значения главного квантового числа n указывается перед символом состояния. С учетом того, что для данного n число l принимает значения 0, 1 … n-1, возможны состояния электрона в атоме: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f… Совокупность электронов с одинаковыми n и l называются электронной оболочной, а совокупность оболочек с одним и тем же значением числа n – электронным слоем. Состояния электрона с фиксированным значением n отличаются значениями квантовых чисел l, m и ms. При заданном значении l число m может принимать любое из 2l+1 значений –l ….0 …l. С учетом того, что спиновое число ms принимает два значения ±1/2, число gn-состояний с фиксированными n и l, т.е. число состояний в оболочке будет Число gn различных состояний, соответствующих данному значению l, т.е. число состояний в nслое будет т.е. gn определяется членами геометрической прогрессии.

Распределение электронов в атоме по состояниям определяется принципом Паули, в силу которого в атоме не может быть двух электронов, находящихся в одном и том же квантовом состоянии, т.е.

имеющих одинаковые все четыре квантовых числа.

Основным состоянием атома называют состояние, в котором энергия атома принимает наименьшее значение. Описать состояние атома – это указать число электронов в каждом состоянии. Распределение электронов по состояниям называют конфигурацией. Например, электронная конфигурация атома никеля в основном состоянии Ni(Z=28) – 1s22s22p63s23p63d84s2.

Электроны, находящиеся во внешнем слое атома (для никеля это 4s2 и 3d8 – электроны) слабее связаны, чем внутренние электроны 1s2 и 2s2 и т.д.

Именно внешние электроны определяют химические свойства атома, поэтому внешние электроны называют валентными. Если не учитывать взаимодействие электронов, то энергию одного электрона в атоме приближенно можно оценить по формуле где R - постоянная Ридберга. Знание электронных конфигураций атомов дает возможность объяснить химические свойства атомов и их расположение в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева [11].

Для отрыва электрона от атома с превращением последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию, которая называется потенциалом ионизации. Потенциалы ионизации имеют наибольшие значения у элементов начинающихся периодов, т.е. у водорода и щелочных элементов и наименьшее – у элементов, заканчивающих период, т.е. у инертных газов.

Присоединение электрона к атому сопровождается выделением энергии. Величина этой энергии называется энергией электронного сродства.

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Основное значение теории строения атомов заключается в раскрытии физического смысла периодического закона Д.И.Менделеева.

Менделеев расположил элементы, обладающие сходными химическими свойствами друг под другом, ничего не зная о квантовых законах заполнения атомных состояний. Так, в одной колонке оказались элементы Li, Na, K, Rb, Cs, в другой – F, Cl, Br, J. В результате в таблице имеется таких колонок-столбцов, которые называются группами. Причина сходства элементов в группе – сходство орбиталей самой внешней оболочки. Так, у всех элементов первой группы по одному sэлектрону во внешней оболочке, а у всех элементов восьмой группы (инертные газы) – полностью заполненные s и p-орбитали.

Количеством электронов во внешней оболочке определяется валентность в химических соединениях, способность образовывать положительные или отрицательные ионы.

Квантовая механика позволила связать зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек. Выяснение строения электронных оболочек атомов оказало влияние на саму структуру периодической системы. Наряду со столбцами в периодической системе существуют «горизонтальные» ряды элементов – периоды. Каждый новый период начинается с того элемента, в атоме которого впервые появляется новый слой в виде одного валентного электрона (водород 1s), щелочные металлы Li(2s), Na(3s)… и заканчиваться тем элементом, в котором этот слой имеет восемь электронов, образующих очень прочную электронную структуру, свойственную инертным газам.

Молекулы. Атомы взаимодействуют друг с другом, образуя молекулы, а затем и макроскопические вещества. Молекулы состоят из одинаковых или различных атомов, соединенных между собой химическими связями. Устойчивость молекул свидетельствует о том, что химические связи обусловлены силами взаимодействия, связывающими атомы в молекулу.

Силы межатомного взаимодействия возникают между внешними электронами атомов. Потенциалы ионизации этих электронов значительно меньше, чем у электронов, находящихся на внутренних энергетических уровнях.

Нахождение конкретных формул химических соединений значительно упрощается, если воспользоваться понятием валентности элементов, т.е. свойством его атомов присоединять к себе или замещать определенное число атомов другого элемента. Согласно современной теории химической связи при образовании молекул атомы химических элементов приобретают устойчивые электронные оболочки атомов инертных газов. Устойчивость эта достигается не полным переходом электронов от одних атомов к другим, а обобщением электронов, которые становятся общими для взаимодействующих атомов, т.е. входят в состав электронных оболочек всех атомов, образующих молекулу. Электроны в молекулах находятся на молекулярных орбиталях, подобно тому, как в атомах электроны располагаются на атомных орбиталях.

Движение электронов по молекулярным орбиталям подчиняется также принципу Паули – на одной молекулярной орбитали не может находиться больше двух электронов с противоположными спинами. Образование молекулярных орбиталей с точки зрения квантовой механики является следствием «перекрывания» атомных орбит. В результате наибольшая электронная плотность на молекулярной орбитали локализована между ядрами молекулы, где как бы образуется область с повышенной отрицательной электронной плотностью, способствующая сближению ядер. Чем сильнее перекрываются орбиты при образовании молекулярных орбит, тем прочнее связь [12].

К модели атома Резерфорда. Обычный водород 1Н является самым распространенным элементом во Вселенной. Ядро легчайшего водородного атома содержит один протон, а оболочка – один электрон. В одном грамме водорода содержится 61023 атомов. Следовательно, масса протона составляет примерно 1,710-24 г. Масса электрона примерно в 2000 раз меньше. Радиус протона порядка 10-13 см. Что касается размеров электрона, то они до сих пор не поддаются измерению.

Известно только, что радиус электрона заведомо меньше 10-16 см. Поэтому обычно об электронах говорят как о точечных частицах.

Иногда электроны в атомах сравнивают с планетами Солнечной системы. Это сравнение очень неточное в целом ряде отношений. Уместно отметить здесь целый ряд чисто количественных различий, разрушающих подобие между атомными электронами и планетами. Так, например, отношение радиуса электронной орбиты к радиусу электрона гораздо больше, чем отношение радиуса земной орбиты к собственному радиусу Земли.

Электрон в атоме водорода движется со скоростью порядка одной сотой скорости света (более точно отношение скорости электрона в атоме водорода к скорости света составляет примерно 1/137) и за одну секунду успевает совершить около 1018 оборотов. Это примерно в миллион раз больше, чем число оборотов, которое успела совершить Земля вокруг Солнца за время своего существования.

Электроны на внутренних оболочках тяжелых атомов движутся еще быстрее: их скорости достигают двух третей скорости света.

Фотон. Роль фотонов в механизме Вселенной не менее значительна, чем роль электронов и нуклонов. В зависимости от того, какова энергия фотоны, он выступает в различных видах:

радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновского излучения, так называемых ядерных -квантов.

Основным отличием световых фотонов от всех других частиц являются то, что они очень легко рождаются и легко уничтожаются. Достаточно чиркнуть спичкой, чтобы родить миллиарды фотонов, поставить на пути видимого света листок черной бумаги – и фотоны поглотятся в нем.

При очень высоких энергиях различие между фотонами и другими частицами, пожалуй, не больше, чем различие этих частиц между собой. Во всяком случае, и родить и поглотить фотоны высоких энергий совсем не просто. Но чем меньшей энергией обладает фотон, чем он «мягче», тем легче его родить и уничтожить.

Одной из замечательных особенностей фотонов, определяющей в значительной степени их удивительные свойства, является то, что их масса равна нулю. Для массивной частицы известно:

чем меньше ее энергия, тем медленнее она движется. Фотон же, как бы ни была мала его энергия, все равно движется со скоростью с.

Спин. Когда объект вращается, точки, расположенные на оси вращения остаются неподвижными. Но, если объект является действительно точечным, у него нет «других точек», которые не находились бы на оси вращения. В результате может показаться, что такого понятия, как вращение точечного объекта, попросту не существует [13].

В 1925 г. голландские физики Джордж Уленбек и Сэмюэль Гоудсмит установили, что электрон обладает некоторыми весьма специфическими магнитными свойствами. Вопреки положениям классической физики Уленбек и Гоудсмит провозгласили, что электрон, подобно Земле, может кружить по орбите и одновременно вращаться вокруг собственной оси.

Считали ли Уленбек и Гоудсмит, что электрон действительно вращается вокруг своей оси?

И да, и нет. На самом деле их работа показала, что существует квантово-механическое понятие спина, которое в определенной степени напоминает вращение объекта вокруг собственной оси, но которое, по сути, представляет квантово-механическое явление. Это одно из тех свойств микромира, которое не имеет аналога в классической физике и является экспериментально подтверждаемой квантовой особенностью.

В классике вращение можно ускорить или замедлить, например, фигурист с прижатыми и разведенными руками. Рано или поздно, в зависимости от того, с какой энергией он начал свое вращение, его движения замедлятся, и он остановится.

Но не так обстоят дела со спином. Согласно работе Уленбена и Гоудсмита, каждый электрон во Вселенной всегда вращается с постоянной и никогда не меняющейся скоростью. Спин электрона не является промежуточным состоянием движения, которое мы наблюдаем в случае более привычных объектов, по тем или иным причинам пришедших во вращение. Напротив, спин электрона является внутренним, присущим электрону свойством, похожим в этом отношении на массу или электрический заряд.

Понятие спина, значение которого определяется постоянной Планка, свойственно всем микрочастицам. Оно является для них столь же фундаментальным, как и понятие массы и заряда, и его следует воспринимать как исходное, внутреннее присущее им качество, не связанное с какимлибо «вращением» вокруг оси.

Наличие спина можно наглядно представить, как будто с электроном связана «магнитная стрелка». В отсутствии магнитного поля способность ее к ориентации ни в чем себя не проявляет.

Однако при наличии магнитного поля она ориентируется только двумя способами – либо по магнитному полю, либо против него, что и позволяет различать два спиновых состояния электрона.

В теории струн спин, так же как и масса и константы других взаимодействий, связан с модой колебания струны. Как и в случае с точечными частицами, было бы не совсем правильно думать, что спин, который несет струна, возникает из-за того, что она действительно вращается в пространстве, однако эта картина дает хороший образ для представления.

В повседневной жизни почти не приходится иметь дело с атомами. Окружающий нас мир построен из объектов, образованных из гигантского числа атомов (~1023) в виде твердых тел, жидкостей и газов. При определенных условиях однотипные атомы или молекулы могут собираться в огромные совокупности – макроскопические тела (вещество).

В кристаллах атомы и молекулы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Их движение, в основном, сводится к колебаниям вблизи узлов решетки. Геометрия кристаллического состояния вещества при обычных давлениях и температурах отличается большим разнообразием, хотя число типов решеток и ограничено. Свойства веществ определяются как типом атомов и молекул их образующих, так и их взаимным расположением.

Жидкое состояние вещества является промежуточным между газообразным, где молекулы почти не связаны друг с другом и движутся хаотически, и кристаллическим, в котором межмолекулярные силы велики, и свободное перемещение молекул исключено. Каждая молекула жидкости некоторое время совершает интенсивные колебания около положения равновесия, а затем скачком перемещаются на расстояние с размером, соизмеримым с самой молекулой и начинает колебаться около нового положения равновесия.

Внутреннее строение жидкостей характеризуется ближним порядком. В этом случае ближнее окружение молекул упорядочено, но на значительном расстоянии, порядок в расположении частиц нарушается, т.е. не существует дальний порядок, характерный для кристаллов. Некоторые вещества, например, стекло, по внешним признакам могут быть отнесены к твердым телам, однако их внутреннее строение подобно строению жидкостей. Такие вещества называются некристаллическими (аморфными) или стеклообразными.

Таким образом, все твердые вещества можно исчерпывающим образом подразделить на кристаллические и аморфные, в зависимости от того, образуют или не образуют фиксированные места расположения атомов или молекул регулярный строй. Такой регулярный строй называется кристаллической структурой и представляет собой повторяющееся упорядоченное расположение точек в трехмерном пространстве. Соответствующую структуру можно описать математически как систему точек, три декартовы координаты, каждой из которых является целыми числами, кратными расстояниям между отдельными атомами.

Обычно все металлы и их соли, а также большинство минералов являются кристаллическими, в то время как стекло, пластмассы, резина и т.п. обычно аморфны. Большинство кристаллических материалов в действительности являются поликристаллическими, в которых имеются небольшие области, в которых вещество имеет кристаллическое строение, однако на границах зерен ориентация кристаллической структуры меняется. С другой стороны, довольно большие монокристаллы многих веществ можно найти в природе или получить искусственным путем (алмаз, различные драгоценные камни, монокристаллы кварца и т.д.).

Газовое состояние вещества. Газ – это агрегатное состояние вещества, в котором кинетическая энергия движения частиц значительно больше энергии их взаимодействия. Атомы и молекулы в газах находятся на значительном расстоянии друг от друга и хаотически сталкиваются между собой. Расстояния между атомами и молекулами в газе столь велики по сравнению с их размерами и времена сближения частиц столь малы, что все газы ведут себя одинаково, т.е. ни природа частиц, ни их размер не сказываются на их поведении.

В этой связи для описания основных физических свойств газов широко применяется модель идеального газа, согласно которой газ рассматривается как совокупность частиц размеры которых пренебрежимо малы, они свободно двигаются и сталкиваются по законам упругого удара.

Физические параметры, описывающие газ – это давление Р, объем V, температура T, масса газа m, молекулярный вес. Все эти параметры связаны уравнением Клайперона-Менделеева R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 дж (мольk).

Согласно закону Авогадро, моли любых газов при одинаковых температуре и давлении занимают одинаковый объем. При нормальных условиях 1 моль газа занимает объем 22,4 л = 22,410-3 м3.

Уравнение Клайперона-Менделеева называется уравнением состояния для идеального газа.

Уравнение носит универсальный характер, это связано с тем, что силы взаимодействия на расстояниях, превышающих 10-9 м быстро убывают и ими можно пренебречь. В случае жидкостей и твердых тел взаимодействие между частицами меняется в широких пределах и сильно зависят от природы частиц, поэтому получить универсальное уравнение состояния для этих состояний вещества трудно.

Модель реального газа. Учет объема молекул и их взаимодействия между собой приводит к уравнению Ван-дер-Ваальса. Наличие взаимодействия (электростатические, дипольные, квадрупольные) приводит к притяжению молекул, что, в свою очередь, приводит к уменьшению фактора давления в уравнении Клайперона-Менделеева. Учет собственного объема молекулы приводит к необходимости уменьшить объемный фактор в уравнении состояния идеального газа.

В процесс хаотического движения микропараметры молекулы (скорость, энергия) в результате их постоянного столкновения друг с другом будет изменяться, принимая самые разнообразные значения, в силу чего они не могут характеризовать газ в целом. Поэтому для описания состояния газа используют понятия средней скорости и средней кинетической энергии молекул газа. В процессе хаотического движения средние микропараметры газа остаются постоянными.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы газа в состоянии теплового равновесия одинакова для всех молекул газов, находящихся в тепловом контакте и для различных молекул газовой смеси. Средняя кинетическая энергия молекулы определяется соотношением Екин.ср. = 3/2 kT (k- постоянная Больцмана).

Таким образом, Екин.ср. может характеризовать температуру системы [14].

Нановещество. Объекты нановещества занимают промежуточную область между миром отдельных атомов и макромиром, основные материальные объекты которого были рассмотрены выше. Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной или двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба (1 нм = 10-9м = 10-6 мм = 10-3 мкм) возникает новое качество или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования относят к нановеществам. Нанометровый масштаб материи открывает и новые свойства вещества.

Как следует из названия, номинально наномир представлен объектами и структурами, характерные размеры которых измеряются нанометрами. Сама десятичная приставка «НАНО»

происходит от греческого слова «» = «карлик» и означает одну миллиардную часть чеголибо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров от атомных (~0,1 нм) до нескольких десятков нанометров. В ней все свойства материалов и изделий (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические) могут радикально отличаться от макроскопических.

Нанообъекты и наноструктуры могут быть синтезированы искусственно или найдены в готовом виде и отобраны из природных объектов (главным образом, биологических). Отнесение того или иного объекта к наномасштабным весьма условно. Нанообласти в структурной иерархии можно выделить практически в любом объемном, пленочном и волокнистом объекте (примесные кластеры, границы зерен, ядра дислокаций в кристаллах, области упорядочения молекул в полимерах, глобулярные белки, мембраны и мицеллы в биоматериалах) [15]. Для наноструктуированных веществ и материалов меняются параметры кристаллической решетки, теплоемкость, температура плавления, электропроводность, многие механические и физикохимические характеристики.

Природа собирает системы по принципу от «малого к большому» или «снизу вверх», создавая все многообразие трехмерного мира. «Само существование живых организмов, чьи формы, функционирование и эволюция определяются взаимодействием наноразмерных структур, является убедительным свидетельством успеха этого технологического процесса» [16].

Искусственная молекулярная нанотехнология работает «сверху вниз» от трехмерных к двуи одномерным наноструктурам, которые, как оказалось, могут выполнять различные технологические функции в виде, например, электронных, магнитных и оптоэлектронных базовых элементов интегральных схем. Благодаря быстрому развитию нанотехнологии такие термины, как квантовые точки, квантовые диполи, нанотрубки, фуллерены стали обычными объектами материального мира [17].

Подавляющее большинство новых физических явлений на наномасштабах проистекает из волновой природы частиц (электронов и т.д.), поведение которых подчиняется законам квантовой механики. Когда по одной или нескольким координатам размеры становятся порядка и меньше длины волны де-Бройля носителей заряда электронов энергетический спектр становится дискретным, что обуславливает специфические свойства нанообъектов.

Плазма. Когда газ сильно ионизован и его поведение определяется электромагнитными силами взаимодействия между частицами, свойства такой среды существенно отличаются от свойств газа нейтральных частиц. Такой сильно ионизованный газ был назван И. Лэнгмюром ( г.) плазмой. В плазме основную роль играют взаимодействия между заряженными частицами, т.е.

взаимодействие электрон-электрон, электрон-ион, ион-ион. В некотором смысле плазма представляет нормальное существование вещества. Только в очень нетипичных областях Вселенной, таких как, например, Земля, преобладают твердые, жидкие состояния и состояния нейтральных газов.

Большая часть вещества во Вселенной находится в плазменном состоянии – т.е. либо сильно нагрето (звезды) или достаточно разряжено (вещество в межзвездном пространстве), что приводит к сильной ионизации (звезды и межзвездная среда).

Внешний слой земной атмосферы (ионосфера) представляет собой ионизованный газ. За ионосферой следует область, которую называют магнитосферой. Эта область представляет собой плазму частиц высоких энергий, захваченных полем Земли.

Следующая ступень в иерархии объектов природы включает в себя макротела астрономического масштаба – планеты, далее звезды, галактики, мегагалактики, Вселенную… Планеты. В нашей Солнечной системе имеется девять больших планет с их спутниками (которых сейчас насчитывается более 60), несколько тысяч малых планет – астероидов (более 5000), несколько сотен наблюдавшихся комет и бесчисленное количество метеорных тел.

Большие планеты подразделяются на две основные группы: планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты юпитерианской группы, или планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Плутон относят в настоящее время к ледяным спутникам планетгигантов.

Различие планет по физическим свойствам обусловлено тем, что планеты земной группы формировались ближе к Солнцу, а планеты-гиганты – на очень холодной периферии Солнечной системы. Планеты земной группы сравнительно малы и имеют большую плотность. Основными составляющими этих планет являются соединения кремния (силикаты) и железа. У планет-гигантов нет твердой поверхности – они образованы преимущественно из водорода и гелия. Атмосферы этих планет постепенно уплотняются и плавно переходят в жидкое состояние. Так как на Солнце приходится 99,87% всей массы Солнечной системы, то солнечное тяготение управляет движением всех остальных тел системы. Все планеты по форме близки к шаровым. Орбиты планет эллиптические. Масса Солнца MS=21030кГ. По сравнению с солнечной массой масса Земли чрезвычайно мала МЗ=61024 кГ.

Звезды. Наиболее близкой к нам звездой является наше Солнце. Расстояние Солнца от Земли 149.500.000 км. Масса Солнца 21033 г. Температура Солнца сильно варьируется: от 5800 К на поверхности до 2,3107 К в центре, где идут термоядерные реакции. В центре Солнца при больших давлениях не могут существовать ни молекулы, ни атомы. В центре Солнца вещество находится в плазменном состоянии – это газ электронов, легких атомных ядер, в основном водорода и гелия, небольшого количества тяжелых элементов.

Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции, идущие при больших давлениях и температурах в центре Солнца. Эти ядерные реакции связаны с превращением водорода в гелий.

В обычном (стационарном) состоянии звезды представляют собой раскаленные газовые (плазменные) шарообразные небесные тела, находящиеся в гидродинамическом и тепловом равновесии. Гидродинамическое равновесие обеспечивается равенством сил тяготения и сил внутреннего давления, действующих на каждый элемент звезды. Тепловое равновесие обуславливается равенством энергии, выделяемой из недр звезды, и энергии, излучаемой с ее поверхности.

Основная видимая характеристика звезды – ее блеск, который определяется мощностью излучения (светимостью) звезды и расстоянием до нее. Основные параметры состояния звезды – светимость L, масс M и радиус R. Их численные значения принято обозначать в солнечных единицах. Для нашего Солнца L0 = 3,861033 эрг/с, M0 = 1,991033 г, R0 = 6,961010 см. Значения масс звезд в этих единицах лежат в пределах 0,03–60 М0, светимость в интервале от 10-4 до 105 L0, радиусы от 10 км (нейтронные звезды) до 105 R0 (сверхгиганты).

Общая картина эволюции звезд следующая: звезды возникают в результате конденсации межзвездной пыли и газа, богатого водородом. Затем следует период термоядерных реакций превращения водорода в гелий в центре звезды. Когда водород в центре звезды исчерпан, ядро сжимается и нагревается, оболочка звезды сильно расширяется, температура поверхности падает – звезда становится красным гигантом. После этого в ядре звезды становится возможным термоядерное возгорание гелия. В зависимости от начальной массы возможны различные пути дальнейшей эволюции звезд.

Галактики и мегагалактики. Солнце является одной из звезд, образующих единую стационарную гравитационно связанную систему – Галактику, которая нам известна как Млечный путь.

Наша Галактика является плоским образованием. Диаметр галактического диска превышает 100000 световых лет, а толщина составляет около 1000 световых лет. По внешнему виду наша Галактика напоминает чечевичное зерно с утолщением посередине. Наша Галактик содержит не менее 100 млрд (1011) звезд. Общая масс Галактики ~1011 М0.

Кроме звезд Галактика содержит межзвездное вещество Mм ~ 0,005Мз, Мз – общая масса звезд. Наше Солнце находится на расстоянии R ~ 3,11020 м = 3,11017 км от центра Галактики.

Основными химическими элементами в нашей Галактике является водород (75%) и гелий (~25%). По сравнению с ними, другие элементы присутствуют в небольшом количестве. В среднем химический состав звезд и межзвездного газа почти такой же, как и Солнца.

Звезды могут входить в состав звездных скоплений или ассоциаций. Галактика является таким скоплением звезд. Но Галактики редко наблюдаются одиночными. Более 90% ярких галактик входят в скопление, которых насчитывается многие тысячи сверхскоплений. Вся известная современной науке совокупность Галактик составляет Мегагалактику. Ближайшая к нам Галактика это Магеллановы Облака. Расстояние до них иссчитывается величиной в 150000 световых лет.

Туманность Андромеды более чем в вдесятеро дальше от нас, чем Магеллановы Облака.

Расстояние до нее около 2 млн световых лет [2].

Массу Вселенной можно оценить по формуле где Всел 10 кГ/м – средняя плотность материи во Вселенной, а RВсел ~ радиус Вселенной. Для приближенной оценки радиуса Вселенной можно использовать величину RВсел сТВсел. Здесь сскорость света, а Т 15 млрд лет 51017 с – время жизни Вселенной, т.е. время, прошедшее с момента, когда материя Вселенной находилась в сверхплотном состоянии. Таким образом, получаем RВсел 1026 м. Подтсавляя это значение в уравнение для МВсел, получаем Это составляет почти триллион галактик! [18].

Темная материя. В настоящее время считается, что наша Вселенная состоит в основном не из галактик, звезд, газа и пыли, как полагали раньше, а совсем из другой, невидимой материи.

Гипотеза о присутствии в космическом пространстве темной (или скрытой) материи была выдвинута швейцарским астрономом Ф. Цвинки в 1933 г., который обнаружил, что для объяснения наблюдаемых скоростей галактик необходима масса, в десятки раз превышающая суммы индивидуальных масс галактик. Одним из доказательств наличия «темной материи» послужило изучение вращения звезд и газопылевых облаков вокруг центра галактики. Естественно было предположить, что это вращение осуществляется по орбитам, близким к круговым. В соответствии с законами Кеплера только гравитация управляет этим движением.

Устойчивость кеплеровских орбит выполняется при равенстве центростремительной силы и силы гравитационного притяжения:

где m и V – масса и скорость движения звезды, G – гравитационная постоянная, M – масса центральной части Галактики. Отсюда следует, что скорость вращения галактических объектов вокруг центра галактики должна убывать с расстоянием от центра по закону Астрофизические наблюдения свидетельствуют о том, что этот закон практически всегда нарушается. Почти для всех галактик, в том числе и для нашей Галактики – Млечного пути, наблюдаемая скорость вращения звезд и других объектов галактического населения убывает гораздо медленнее с расстоянием, чем по закону r 1/ 2. Для объяснения этих наблюдений было предположено, что распределение звезд, газа и пыли в галактиках сильно отличается от действительного распределения гравитационной массы в них, т.е. гравитационное поле, управляющее движением объектов в галактиках, создается не только видимой материей (звездами, газом, пылью), но в основном и некой иной субстанцией.

Таким образом, светящаяся масса каждой галактики погружена в невидимую в электромагнитном диапазоне темную материю, размеры которой немного превосходят обычные оптические размеры галактик.

Темная материя образует вокруг звездного диска Млечного пути и вокруг дисков других галактик протяженную невидимую корону – гало, которая своим гравитационным полем создает отклонения от кепплеровских законов в движении галактических объектов. Существует и ряд других факторов, подтверждающих существование темной материи [20].

В настоящее время рассматривается ряд гипотез и предположения о компонентах темной материи. Носителями скрытой массы на сегодняшний день считают два различных по физической природе класса объектов [20].

1. Барионная форма материи, или сокращенно МАСНО (Massive Astrophysical Compact Halo Objects – массивные астрофизические компактные объекты галогалактик) – это маломассивные слабосветящиеся коричневые карлики, белые карлики, массивные планеты, нейтронные звезды.

2. Небарионная форма материи, представленные WIMP-частицами (Weakly Interation Massive Particles – Слабосвязанные массивные частицы): аксионами, нейтралино, некомпактными объектами, состоящими из элементарных частиц.

В настоящее время ведутся интенсивные экспериментальные и теоретические исследования по поиску этих частиц.

1.3. Иерархия пространственно-временных масштабов мира С точки зрения науки важным принципом разделения материального мира на уровни является структура деления по пространственным признакам – размерам. В науку вошли деления по размерам и масштабы большого и малого.

Современные науки работают в очень большом диапазоне линейных размеров. Наименьшие расстояния, которые можно изучить 10-17 м, а наибольшие составляют 1026 м – это радиус наблюдаемого участка Вселенной.

Объекты, которые расположены по порядку своего размера вдоль всего указанного диапазона попадают во взаимосвязь и образуют структурную иерархию, то есть меньший объект входит в больший, а тот еще в больший и т.д. Это можно представить себе так: Вселенная состоит из галактик, галактики из звезд, звезды и планеты из веществ в различном состоянии, вещество из молекул, молекулы из атомов, атомы из электронов и атомных ядер, ядра из протонов и нейтронов и т.д.

Особенностью разделения диапазонов линейных размеров является классификация измерений. Большой интерес представляют краевые явления мега- и микромира. Невозможно представить такие большие или малые размеры, если не перевести их в масштабы обозримого макромира. Все приборы: телескопы, микроскопы, ускорители частиц и другие предназначены для того, чтобы перевести размеры и процессы в ощутимый диапазон человеческих восприятий.

Поэтому задача создателей приборов – свести последний этап измерений к обычному эксперименту с макроскопическими объектами, т.е. не большими и не малыми по объему, масштабу, скорости и другим характеристикам.

Основную роль играет соизмеримый с человеческими возможностями линейный масштаб.

Понятия мега-, макро- и микромира на данном этапе развития естествознания являются относительными и удобными для понимания окружающего мира. Эти понятия со временем, вероятно, могут видоизменяться, так как они еще мало изучены [21].

Размеры познанного мира огромны. При движении в глубь микромира мы сталкиваемся с непознанными законами, когда пытаемся понять структуру нуклонов. При этом нуклоны имеют размер ~10-13 см, который в 100 тысяч раз меньше атома. При изучении мегамира мы анализируем сигналы, которые приходят к нам из баснословно удаленных областей пространства. Эти сигналы движутся от момента зарождения до момента попадания в прибор 1010 и более лет. На рис. 1. изображены интервалы длины и времени, поддающиеся физическому измерению [22]. Обе шкалы охватывают около 40 порядков величины. Человек, обладая ростом порядка 102 см и продолжительностью жизни 109 сек, находится в нижней половине шкалы длин, но в верхней четверти шкалы времени. Поэтому можно сказать, что по вселенским масштабам размеры человека малы, но время его жизни велико.

Наряду с диаграммами Кемпфера в настоящее время широко используется сравнительная диаграмма Пенроуза-Глэшоу для масштабов наиболее известных объектов и процессов, рис. 1.4..

На основе этой диаграммы авторы обращают внимание на центральное место человека в картине Вселенной [20].

В верхней части рисунка показан максимальный, а в нижней – минимальный масштаб времени, которые известны в настоящее время. Все времена представлены в логарифмическом масштабе. Наименьший масштаб времени, который имеет понятный физический смысл, называется планковским временем или хроном. Он намного короче продолжительности всех известных процессов, включая время жизни самых нестабильных и короткоживущих частиц. В настоящее время это время используется для квантования времени.

Далее указаны длительности некоторых других процессов: от времени распада субатомных частиц до периода обращения Земли вокруг Солнца, продолжительность жизни человека, время жизни звезд и предполагаемого возраста Вселенной.

На рис. 1.5 показан максимальный и минимальный масштаб расстояний, которые известны в настоящее время. Расстояния также представлены в логарифмической шкале. Наименьший масштаб расстояния, который имеет понятный физический смысл, называется планковской длиной (или длиной Планка). Она намного короче всех известных объектов, включая самые малые субатомные частицы. Планковская длина соответствует планковскому времени.

В любом варианте универсальной теории мира планковская длина и время должны играть роль фундаментальных единиц измерения. Далее на диаграмме указаны размеры некоторых других известных физических объектов от размеров субатомных частиц до размера Земли и наблюдаемого размера Вселенной.

На шкале размеров человек находится практически посередине, а на шкале времени – гораздо ближе к возрасту Вселенной, чем к планковскому времени. Такое положение человека на временной шкале «вовсе не является жалким и ничтожным». На пространственной шкале человек находится приблизительно посередине. Именно это не дает человеку воспринимать в своих ощущениях ни очень большие, ни очень малые объекты окружающего нас мира.

При описании физических процессов на самых малых и самых больших объектах физика сталкивается с проблемой определения «границ мира». Соответствующая проблема, называемая проблемой «фундаментальной» длины и времени. До последнего времени в физике обычно использовали искусственное «обрезание масштаба длины» до 10-19 м и времени до 10-27 с. (Если «длину» 10-19 м разделить на скорость света 31010 м/с, то получим для «времени» в этом масштабе ~ 10-27 с).

На основании этих оценок в современной физике рассматривается возможность существования «фундаментальной» длины и времени, которые должны соответствовать новым представлениям о дискретности пространства-времени. Наряду с понятием «фундаментальной»

длины и времени в современной физике рассматриваются еще несколько новых «фундаментальных» понятий: планковская энергия, планковская масса.

Планковская длина (10-35 м) определяется как некоторый масштаб, на котором становится необходимым учитывать квантовые флюктуации и на котором нарушаются все известные нам физические законы.

Прежнее «обрезание длины» (10-19 м) в 1016 раз больше планковской длины и у современной физики нет основания отказываться от предположения об отсутствии фундаментальной длины в промежутке от 10-19 до 10-35 м.

Не меньший интерес вызывает и проблема оценки верхних пределов нашего мира, а именно, его возраста и размеров, а точнее, нашей Вселенной. Верхний предельный уровень линейной шкалы в настоящее время оценивается на основании использования времени существования Вселенной. С представлением о возрасте Вселенной связано понятие космологического горизонта, отделяющего доступную для наблюдения область пространства от недоступной. За время, прошедшее с момента возникновения (12-20 млрд лет) Вселенной свет мог пройти конечное расстояние, которое оценивается величиной 6000 Мпк.

Мы наблюдаем только ту часть мира, которая находится в пределах этого радиуса, поскольку от более удаленных областей пространства свет еще не успел до нас дойти. Кроме того, удаленные области пространства мы видим такими, какими они были миллиарды лет назад.

Космологический горизонт растет пропорционально времени, с каждым днем область доступной для наблюдения Вселенной увеличивается. Представление о развитии Вселенной привело к постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти).

Вселенная развивается из исходного (сингулярного) состояния, радиус которого бесконечно мал, а плотность материи бесконечно велика, проходит различные этапы своего развития, затем умирает.

Состояние сингулярности можно трактовать как обрыв времени в прошлом. По-видимому, такой обрыв времени следует предположить и в будущем. Момент «начала» времени называется Большим Взрывом. Момент «конца» времени был назван Великим Стоком (Ф. Теплер) [23].

Согласно современным представлениям радиус Вселенной в начальный момент оценивается величиной 10-50 см. Это значительно меньше радиуса атомного ядра 10-15 см. Первоначальное состояние Вселенной – физический вакуум, особая форма материи. Вакуум как бы «кипит», в нем постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные элементарные частицы. В процессе рождения и уничтожения виртуальных частиц возникает огромная сила космического отталкивания, которая приводит к раздуванию «пузырей» – зародышей вселенных. Каждый из пузырей – отдельная Вселенная, характеризуемая собственным значением фундаментальных физических констант.

Наша Вселенная – один из этих «пузырей» Раздувание или быстрое расширение такого «пузыря» названо инфляцией. На фоне инфляции примерно в промежутке времени с 10-43 до 10-34 с формировались пространственно-временные характеристики нашей Вселенной. Во время фазы инфляции Вселенная «раздулась» до размера 101000000 см, что намного превосходит размер наблюдаемой сейчас мегагалактики (1028 см).

Через 10-34 с с начала расширения неустойчивый вакуум распадается и сила космического отталкивания исчезает. Во Вселенной начинает действовать сила гравитационного притяжения. На этом этапе Вселенная пуста, в ней нет ни излучения, ни вещества. Однако энергия, которая высвободилась при распаде первоначального вакуума идет на мгновенный нагрев Вселенной до температуры ~1027 К. Энергия, мгновенно разогревшая Вселенную, сейчас понимается как суперсила, которая объединила все известные четыре типа фундаментальных взаимодействий:

гравитационное, сильное, слабое, электромагнитное. На этом этапе заканчивается инфляция и начинается эволюция горячей Вселенной, описываемая моделью Большого Взрыва. Описанная модель образования Вселенной (инфляция, Большой Взрыв) в настоящее время является основой современной космологии. Однако, тем не менее, в рамках этой модели существует множество теоретических проблем, которые требуют дальнейших исследований.

Наименьшее расстояние или размер, который мы можем различать, приблизительно равно одной десятой миллиметра. Это толщина волоса. Следующая характерная величина – это размеры нашего собственного тела, например, расстояние от глаза до конца руки (кончиков пальцев) около одного метра, что в 10000 раз больше толщины волоса. Расстояние до ясно видимых гор на горизонте ~10 км, а диаметр Земли – 12000 км. Расстояние от Земли до Солнца 150 миллионов километров, что в 1000 раз больше размеров Земли. Расстояние до ближайших звезд ~1014км или световых лет, что в 10 тысяч раз больше размеров Галактики.

В книге В. Вайсконфа [24] приведена «Лестница расстояний», которая позволяет сопоставить характерные размеры нашего мира и их отношения.

Наименьшее различимое расстояние Размеры тела человека Расстояние до горизонта Диаметр Земли Расстояние Земля-Солнце Расстояние Солнце-Сириус Размер Галактики Расстояние до Ближайшей Галактики Размер Вселенной Измерение размеров молекул и атомов. Линейная величина разрешающей способности человеческого глаза ограничена размерами в 0,1 мм. Изобретенные в XIII веке в Италии стеклянные линзы использовались только для коррекции зрения. В период 1590-1610 гг. Г. Янсен изобрел двухлинзовый микроскоп, а в 1673 г. Антонии Ливенчук сообщил, что с помощью изготовленного простого однолинзового микроскопа с 300-кратным увеличением он открыл неведомый ранее мир микроскопических организмов. Усовершенствованные оптические микроскопы позволили различать элементы с расстояниями между ними ~0,2 мкм. Эта граница является предельной для оптического микроскопа. Предельное разрешение оптического микроскопа, определяемая соотношением ~/А, где – длина световой волны, а А – апертура прибора, предельное значение, которой оценивается величиной А = 1,4. Естественной преградой для дальнейшего усовершенствования оптических микросхем стали трудности, обусловленные волновыми свойствами света.

После открытия волновых свойств электрона (волны де Бройля = h/meve) появилась возможность преодолеть оптический предел в 0,2 мкм, так как де-бройлевская волна электрона может быть уменьшена по сравнению с оптической длиной волны в тысячи раз [25] за счет увеличения скорости электрона.

В 1931 г. М. Кнолем и Е. Руской был создан первый просвечивающий электронный микроскоп, а в 1938 г. М. фон Ардене и в 1942 г. В.К. Зворыкин (США) создали первые растровые электронные микроскопы. Предел разрешения просвечивающих электронных микроскопов с высоким разрешением 0,15-0,3 нм, растровых электронных микроскопов 0,1-3 нм, просвечивающих растровых электронных микроскопов 0,2-0,3 нм. В настоящее время созданы принципиально новые микроскопы – силовые.

Более тяжелыми частицами, чем электрон, являются ионы, для которых де-бройлевская волна в (M/me)1/2 меньше, чем для электронов, поэтому теоретически большей разрешающей способностью обладают ионные микроскопы, которые позволяют различать отдельные атомы в кристаллической решетке.

Рассмотрим некоторые «пионерские» измерения размеров объектов микромира. Впервые «измерить» атом удалось Лошмидту в 1865 г. Он основывался на следующих рассуждениях [25]. На основании закона Авагадро, согласно которому при одинаковых температурах и давлении в одинаковых объемах идеальных газов содержится одинаковое количество молекул, что позволило вывести понятие моля газа и измерить его массу М. Согласно формуле Клаузиса средняя скорость v 2 и температура Т связаны соотношением молекулы Далее по формуле Максвелла для коэффициента вязкости газа где - плотность газа, можно определить длину свободного пробега молекулы. Последняя величина связана с диаметром молекулы d соотношением где n –число молекул в единице объема. Лошмид выразил диаметр молекул через макроскопические параметры T,, *, R и М где * - плотность сжиженного газа.

Оценка по вышеприведенным формулам дает d ~ 10-10 м. Современные измерения размеров атомов дают для всех атомов периодической системы Менделеева значения примерно одинаковые (0,6м.

Измерение размеров ядра. Физические измерения размеров ядра и элементарных частиц основаны на изучении процессов рассеяния частиц.

В своем классическом опыте по выяснению внутренней структуры атома, выполненном в 1911 г. по предложению Э. Резерфорда, Гейгер и Марсден использовали быстрые -частицы, спонтанно испускаемые некоторыми радиоактивными ядрами. -Частицы – это атомы гелия, потерявшие два электрона и имеющие заряд +2е. Гейгер и Марден тонкий пучок -частиц направляли на тонкую золотую фольгу и регистрировали отклонение -частиц от первоначального направления поле их прохождения фольги. Результаты опытов показали, что имеются частицы, рассеянные на значительные углы, вплоть до рассеянных в обратном направлении. В этом случае приравнивая кинетическую энергию -частицы потенциальной энергии электростатического отталкивания между-частицей и ядром, можно оценить размер ядра где q – заряд ядра, q – заряд -частицы, Т- кинетическая энергия -частицы, которая лежит в интервале 1,83 Т 11,65 МэВ. Из этих экспериментов следовало, что размер ядра составляет приблизительно 10-14-10-15 м.

В этой связи Резерфордом и была предложена знаменитая модель атома (модель атома Резерфорда), согласно которой почти вся масса атома сосредоточена в очень малом положительно заряженном ядре, а электроны расположены вокруг ядра в виде некоторого облака.

Исходя из своей модели атома, Резерфорд вывел формулу, описывающую рассеяние -частиц.

Вывод этой формулы на основании основных законов физики ввел в физику такие новые понятия, как сечение взаимодействия, прицельный параметр b, угол рассеяния. Резерфорд сделал допущение, что -частицы и ядра, с которыми они взаимодействуют, очень малы и положительно заряжены, между ними действуют электростатические силы отталкивания, изменяющиеся по закону Кулона 1/r2 (r – расстояние между -частицей и ядром в каждый момент времени). В этом случае траектория -частицы будет параболой, во внешнем фокусе которой расположено ядро.

Прицельным параметром b называется минимальное расстояние, на которое -частица подошла бы к ядру, если между ними не действовали бы силы отталкивания, углом рассеяния называется угол между асимптотами к траекториям приближения и удаления. Соответствующие величины связаны соотношением [26] здесь Т – кинетическая энергия -частицы.

Приведенная формула не может быть проверена непосредственно на опыте, так как нельзя измерить параметр b, соответствующий отдельному наблюдаемому углу рассеяния. Однако было замечено, что все -частицы, подлетающие к ядру с прицельными параметрами от 0 до некоторого b, должны рассеиваться на угол (параметр b) и большие углы (значения прицельных параметров меньше, чем b). Это означает, что -частица, попадающая в площадь b2 вокруг ядра, рассеивается на угол, равный или больший. Площадь b2 называется сечением взаимодействия. Сечение обычно обозначается символом Налетающая частица в действительности рассеивается до того, как она достигнет непосредственной близости ядра, и, следовательно, она на самом деле не пролетает на расстоянии b от ядра.

С помощью резерфордовского рассеяния можно оценить верхний предел размеров ядер. Для этого надо вычислить минимальное расстояние r0, на которое приближается к ядру наиболее энергичные -частицы. Расстояние r0 минимально при прицельном параметре b = 0, что соответствует лобовому соударению и последующему рассеянию на 180°. На минимальном расстоянии от ядра начальная кинетическая энергия частицы Т целиком переходит в потенциальную электростатическую энергию, следовательно, в этот момент Т = (1/4)(2Ze2/r0).

Так как заряд ядра q = Ze, заряд -частицы q = 2e, откуда r0 = 2Ze2/40T.

Максимальная кинетическая энергия Т -частицы природного происхождения составляет 7,7 МэВ, что соответствует 7,7106 эВ 1,610-19 дж/эВ = 1,210-12 дж, т.к. 1/40 = 9109 нм2/к2, то Следовательно, радиус ядра золота 310-14 м. Приведенные выше средние оценки размеров атомов в периодической таблице дают значения размеров ~(0,6-26)10-10 м. Таким образом, радиус ядра золота меньше радиуса всего атома в 10-4 раз.

Ядра атомов занимают некоторый конечный объем в пространстве, и нуклоны в ядре располагаются на некоторых конечных расстояниях друг от друга. Это значит, что, начиная с некоторого расстояния между нуклонами, сила притяжения между ними заменяется силой отталкивания.

В ядерной физике вводится особая единица длины – Ферми (фемтометр):

1Ф (1 ферми) – 10-15 м =10-13 см, подобную тому, как в атомной физике расстояния принято измерять в единицах первого Боровского радиуса в атоме водорода (r1 = 2/me2 = 0,5310-8 см) [26].

При расстоянии между нуклонами всего в 2,210-15 м = 2,2 Ф ядерные силы уже пренебрежимо малы. Длину 2,2 Ф принято называть радиусом действия ядерных сил. Ранние измерения размеров ядер, основанные на опытах Резерфорда по рассеянию -частиц, зависят не только от свойств самого ядра, но и от энергии бомбардирующей его -частицы. Определенный таким методом размер ядра обусловлен кулоновскими силами, имеющими гораздо больший радиус действия, чем специфические ядерные силы.

Под собственным линейным размером ядра нужно понимать его размер, обусловленный ядерными силами взаимодействия его нуклонов. При определении размеров ядра нужно учесть, что ядро является системой частиц, подчиняющихся квантовой механике и, следовательно, соотношению неопределенной Гейзенберга. Вследствие этого размеры области, в которой находятся ядерные частицы, могут быть заданы лишь с точностью, допускаемой этим соотношениям. Таким образом, границы области, называемой размерами ядра, размыты. Это в полной мере относится также к оценке области пространства, занимаемой электронами в атоме, т.е.

к определению размеров атома в целом.

Размеры атома. Несмотря на то, что уже к концу XIX века было установлено, что химические элементы состоят из атомов, фактически ничего не было известно о самих атомах. В 1898 г. Дж.Дж. Томсон высказал предположение о том, что атомы представляют собой однородные шары из положительно заряженного вещества, в котором находятся электроны (модель пудинга с изюмом). В 1911 г. на основе экспериментов по рассеянию -частиц веществом Э. Резерфордом была предложена известная планетарная модель атома, согласно которой в центре атома находится тяжелое положительно заряженное ядро, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные электроны (подобно планетам вокруг Солнца). Соответствующая модель позволяет оценить и размеры самого атома [27]. Если электроны движутся вокруг ядра, то возможно существование динамически устойчивых орбит, подобных орбитам солнечной системы. Рассмотрим простейший атом – атом водорода. С точки зрения классической динамики, если орбита электрона круговая, то центробежная сила, удерживающая электрон около ядра на орбите радиуса r, уравновешивается электростатической силой, действующей со стороны ядра, т.е.

Таким образом, скорость электрона можно определить из соотношения Полная энергия Е электрона в атоме водорода равна сумме его кинетической энергии Т = mv2/2 и его потенциальной энергии v = -e2/40r, т.е.

Если подставить в эту формулу значение V, то получим Полная энергия атомного электрона отрицательна – это энергия связи электрона с ядром. Согласно опытным данным, для того, чтобы разорвать связь электрона с ядром в атом водорода, необходима энергия ~13,6 эВ. Таким образом, зная значение Е, можно оценить и величину r, т.е. значение радиуса орбиты атома водорода.

r = -e2(80Е) = (1,610-19к)2/88,8510-12/m(-2,210-16 дж), = 5,310-11 м, где Е – энергия связи (-13,6 эВ = 2,210-18 дж), что согласуется с оценками на основе формул молекулярно-кинетической теории.

Измерение расстояний до космических объектов. Измерение расстояний до небесных тел основано на том же принципе, что и измерение расстояний до недоступных земных предметов:

именно, на определении направлений, по которым виден предмет из двух различных точек. Угол между направлениями на один и тот же предмет, наблюдаемый из разных точек, называется параллактическим смещением. Измеряя это смещение в градусах и зная длину базиса, можно вычислить расстояние до объекта от концов базиса [28].

Из множества направлений на светило из разных точек Земли основным считается направление из центра Земли. Оно дает так называемое геоцентрическое положение светила. Угол p между направлением на светило из какой-нибудь точки земной поверхности и направлением из центра Земли называется параллаксом, рис. 6. Параллакс изменяется с изменением высоты светила над горизонтом. Когда светило находится в зените, параллакс равен нулю; наибольшей величины p он достигает, когда светило находится на горизонте. Тогда он называется горизонтальным параллаксом.

Если обозначить радиус Земли через R, расстояние до светила через D и горизонтальный параллакс через p0, то из прямоугольного треугольника ОАМ (рис. 1.6) получаем Для далеких светил обычно параллаксы так малы, что формулу можно упростить, считая, что синусы малых дуг равны самим дугам: p0 sinp0. Тогда Рассмотренная формула позволяет определять расстояние до планет солнечной системы.

Так параллакс Солнца p0 = 8,790 ± 0,001, что соответствует среднему расстоянию Земли от Солнца 149674000 ± 17000 км.

Звезды несравненно дальше планет. Поэтому они не обнаруживают ни малейшего параллактического смещения при передвижении наблюдателя по земной поверхности. Даже годичное движение Земли вокруг Солнца не вызывает в положении большинства звезд заметной перемены.

В течение годичного обращения Земли по окружности abcd звезда для земного наблюдателя за год описывает круг abcd (рис. 1.7). Радиус этого круга равен годичному параллаксу звезды: у разных звезд он имеет различную величину: чем дальше звезда, тем радиус меньше.

Звезды расположенные не в полосе эклиптики, описывают за год эллипсы, большие оси которых параллельны эклиптике. Если удается измерить параллакс звезды, то расстояние до звезды D получится по формуле где а – среднее расстояние от Земли до Солнца.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 


Похожие работы:

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ 24/6/15 Одобрено кафедрой Здания и сооружения на транспорте АРХИТЕКТУРА ГРАЖДАНСКИХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ Методические указания к курсовому проектированию для студентов IV и V курсов специальности 270102 (290300) ПРОМЫШЛЕННОЕ И ГРАЖДАНСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО (ПГС) Москва – 2005 С о с т а в и т е л ь — канд. архитектуры, доц. И.Т. Привалов Р е ц е н з е н т — д р техн. наук, проф. В.А. Фисун © Российский...»

«Министерство образования и науки Российской федерации Северный (Арктический) федеральный университет ГЕНЕТИКА Учебное пособие Архангельск 2010 Рецензенты: В.В. Беляев, проф., Поморского гос. ун-та им. М.В. Ломоносова д-р с.-х. наук; М.В.Сурсо, ст. науч. сотр. Института экологических проблем Севера УрОРАН, канд. биол. наук (участник исследований Чернобыльских лесов) УДК 634.0.165.3 БАРАБИН А.И. Генетика: учеб. пособие - Архангельск: Северный (Арктиче­ ский) федеральный университет, 2010. - 116...»

«Министерство сельского хозяйства РФ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет Кафедра маркетинга, коммерции и товароведения ТОВАРОВЕДЕНИЕ И ЭКСПЕРТИЗА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Рекомендовано УМО по товароведению и экспертизе товаров (область применения: товароведная оценка качества товаров на этапах товародвижения, хранения и реализации) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных...»

«Н.А. МАШКИН О.А. ИГНАТОВА СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КРАТКИЙ КУРС НОВОСИБИРСК 2012 3 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (СИБСТРИН) Н.А. Машкин, О.А. Игнатова СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КРАТКИЙ КУРС Рекомендовано Новосибирским региональным отделением УМО вузов Российской Федерации по образованию в области строительства в качестве учебного пособия для студентов заочной формы обучения и второго высшего образования по...»

«ДЕПАРТАМЕНТ ТРУДА И СОЦИАЛЬНОЙ ПОДДЕРЖКИ НАСЕЛЕНИЯ ЯРОСЛАВСКОЙ ОБЛАСТИ Реализация областной целевой программы Доступная среда. Организация работы органов социальной защиты населения и учреждений социального обслуживания населения Ярославской области по социальной реабилитации инвалидов СБОРНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ И МЕТОДИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Ярославль 2011 Реализация областной целевой программы Доступная среда. Организация работы органов социальной защиты населения и учреждений социального обслуживания...»

«Минский институт управления Методические указания по написанию и оформлению курсовых работ по дисциплине Анализ хозяйственной деятельности в промышленности Минск, 2012 1 Общие рекомендации по написанию и оформлению курсовых работ Курсовая работа является самостоятельным практическим исследованием по выбранной теме. При выборе темы исследования нужно обязательно учитывать специфику деятельности анализируемого объекта. Предлагаемая тематика применима для производящих продукцию и оказывающих...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра экономики и управления в городском хозяйстве Управление строительством Методические указания для подготовки к контрольным работам КАЗАНЬ 2012 Составитель: Павлов В.П. Рецензент: Начальник отдела разработки инвестиционных замыслов ООО Базовые инвестиции, к.э.н. Юнусов И.И. Управление строительством. Методические указания для подготовки к контрольным работам студентов...»

«В.Б. Пономарев А.Е. Замураев АСПИРАЦИЯ И ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ И СБРОСОВ Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет–УПИ В.Б. Пономарев А.Е. Замураев АСПИРАЦИЯ И ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ И СБРОСОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО КУРСУ МАШИНЫ И АГРЕГАТЫ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Научный редактор – проф., канд. техн. наук В.Я.Дзюзер Екатеринбург УДК 666.9.001.575 (042.4) ББК 35.41в П Рецензенты: Пономарев В.Б. П56 Аспирация и...»

«Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования Пугачевский гидромелиоративный техникум им. В.И. Чапаева ГЕОДЕЗИЯ С ОСНОВАМИ КАРТОГРАФИИ Методические указания и контрольные задания для студентов заочного отделения средних специальных учебных заведений по специальности 120301 Землеустройство 2011г. Рассмотрены и одобрены Методической комиссией мелиоративных и землеустроительных дисциплин ФГОУ СПО Пугачевский...»

«Е.В.ФЕДОТОВ ОСНОВЫ СОЦИАЛЬНО-ПСИХОЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Учебное пособие Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию_ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет Е.В. ФЕДОТОВ Основы социально-психологического управления Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Нижний Новгород ННГАСУ ББК Ф. Рецензенты:...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ Факультет дистанционных форм обучения (заочное отделение) АВАКЯН В.В. ЛЕКЦИИ ПО ПРИКЛАДНОЙ ГЕОДЕЗИИ ЧАСТЬ 2 Москва 2014 г. 1 УДК 528.(075.8) Автор: Авакян Вячеслав Вениаминович, профессор кафедры Прикладной геодезии. Лекции по прикладной геодезии. Часть 2. Геодезическое обеспечение гражданского строительства. Учебное пособие для студентов МИИГАиК. Электронная книга. 152 стр. формата А4. Курс лекций...»

«Дальневосточный федеральный университет Школа естественных наук ОЦЕНКА ГОДОВОГО СТОКА И ЕГО ВНУТРИГОДОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ Учебно-методическое пособие Составитель И.А. Лисина Владивосток Дальневосточный федеральный университет 2013 1 УДК 26.23 ББК 551.5 О-93 Оценка годового стока и его внутригодовое распределение О-93 [Электронный ресурс] : учебно-методич. пособие / сост. И.А. Лисина. – Владивосток : Дальневост. федерал. ун-т, 2013. – Режим доступа: http://www.dvfu.ru/meteo/book. Данное...»

«Постановление Госстроя РФ от 27 сентября 2003 г. N 170 Об утверждении Правил и норм технической эксплуатации жилищного фонда Государственный комитет Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу постановляет: 1. Утвердить прилагаемые Правила и нормы технической эксплуатации жилищного фонда. 2. Не применять на территории Российской Федерации приказ Министерства жилищно-коммунального хозяйства РСФСР от 5 января 1989 г. N 8 Об утверждении Правил и норм технической...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УТВЕРЖДЕНО на заседании кафедры экономики и управления в строительстве 26 января 2010г. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению научно-исследовательской работы для студентов, магистрантов и аспирантов экономических специальностей и направлений Ростов-на-Дону, УДК 69.003(07)...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет Архитектура Учебно-методическое пособие по дипломному проектированию Красноярск СФУ 2012 УДК 692 ББК 38.4 А878 Составители: доцент кафедры проектирования зданий и экспертизы недвижимости, к.т.н., Е.М. Сергуничева, ст.преподаватель кафедры проектирования зданий и экспертизы недвижимости Е.В. Казакова, ст. преподаватель кафедры проектирования зданий и экспертизы недвижимости И.А. Говорова А878 Архитектура:...»














 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.