WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 |

«Лебедев Ю.А. Лекция 1 1 Лекция №1 Химия как раздел естествознания, значение химии для науки и технологии. Вещество и его строение. Понятие о квантовомеханической модели ...»

-- [ Страница 1 ] --

Лебедев Ю.А. Лекция 1 1

Лекция №1

Химия как раздел естествознания, значение химии для науки и

технологии. Вещество и его строение. Понятие о квантовомеханической модели атома водорода. Вероятностный

характер процессов в микромире: принцип неопределенности

Гейзенберга, волна де-Бройля, волновое уравнение

Шредингера. Квантовые числа. Атомная орбиталь. Формы

орбиталей. Строение многоэлектронных атомов. Принцип минимальной энергии. Принцип Паули. Правила Хунда и Клечковского. Электронные конфигурации атомов.

Энергетические характеристики атомов: энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность.

Химия как раздел естествознания, значение химии для науки и технологии.

Представлять химию студентам бауманского Университета предоставим возможность М.В.Ломоносову, который, по характеристике А.С.Пушкина, сам есть «наш первый Университет».

После 6 (17) сентября 1751 года, когда М.В.Ломоносов в публичном собрании Императорской Академии Наук произнес свое знаменитое «Слово о пользе химии», у всех нас на слуху его провидческие слова: «Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие, слушатели. Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются пред очами нашими успехи ея прилежания».

В результате отмеченного Ломоносовым «прилежания» современная химия превратилась в одну из важнейших ветвей естествознания и сегодня ее можно определить так: Химия – это область естествознания о химических соединениях и химических веществах, их свойствах и превращениях, а также о явлениях, сопровождающих эти превращения. Химические соединения – это атомные группировки определенного состава и структуры. Химические вещества – это макротела, состоящие из химических соединений. Например, химическое соединение H2O может образовывать несколько химических веществ – жидкая вода и 10 кристаллических веществ, имеющих общее название «лед». Химия возникла на заре цивилизации как область экспериментального знания. И во многом остается таковой и сегодня. Но сегодня эксперимент в химии базируется на фундаментальных химических теориях о структуре и свойствах вещества.

Лебедев Ю.А. Лекция 1 Роль химии в современной науке, технологии и жизни общества в целом переоценить нельзя. Химия лежит в основе процессов получения всех конструкционных материалов – металлов, полупроводников, полимеров, керамики, композитов. Она же обеспечивает защиту этих материалов от разрушающего воздействия окружающей среды – коррозии.

Химические превращения – основной источник энергии как в технологических процессах самих машино- и приборостроения, так и необходимой для функционирования их продукции. (Доля атомной энергетики в общемировом энергетическом балансе составляет только 7% ). Но химия сегодня – это не только «скелет и мускулы» современных машин и приборов. Без помощи химии невозможно себе представить создания ни робототехники (сенсорные элементы для ориентации в окружающей среде), ни «интеллектуализации» нового поколения машин и приборов (носители памяти и процессоры).

На уровне технологий назревает прорыв в нано-область. Сегодня мы начинаем структурировать и функционально использовать пространство с линейными размерами 10-8 – 10-9 метра! Учтем при этом, что в механике, этой основе конструкторской деятельности, при уменьшении размеров детали резко возрастает ее механическая прочность – вес уменьшается пропорционально кубу размера, а площади сечений – только квадрату! И в раз меньшая деталь оказывается в 10 раз прочнее. Это крайне важное обстоятельство делает перспективными сложнейшие конструкторские решения в области космического машиностроения. Парадокс заключается в том, что чем меньше и сложнее конструкция, тем она надежнее в работе!

Вот, например, как может выглядеть редуктор, построенный всего из 15342 атомов (анимацию см. http://kbogdanov1.narod.ru/nanotechnology/Drexler.htm ):

А такие размеры – это области протекания элементарных актов химических реакций. И без учета химических факторов освоение этой области совершенно невозможно. Огромную роль играет химия в решении экологических проблем, накопившихся в современном социуме. Борьба с загрязнением окружающей среды, решение проблемы «парникового эффекта» и неконтролируемого Лебедев Ю.А. Лекция 1 изменения климата, создание эффективных средств борьбы с раком и СПИДом – все это сегодня однозначно связано с химией.

Однако все, о чем здесь было сказано, относится к компетенции именно химии и должно разрабатываться профессионалами-химиками.

Каковы же требования к химической компетенции инженера-механика, который профессионально должен конструировать создавать и эксплуатировать различные машины и приборы?

Инженер-механик должен уметь осознать химический характер вставшей перед ним проблемы, сформулировать ее на химическом языке перед специалистом-химиком, и понять смысл решений и рекомендаций, полученных от специалиста-химика. Поэтому в курсе будет уделяться большое внимание терминологии и определениям химических понятий.

Вещество и его строение.

Понятие «вещество» имеет разное значение в разных областях знания.

Вещество в физике – это форма материи, обладающая массой покоя. Вещество в биологии – это материя, образующая ткани организмов.

Вещество в химии – это физическая субстанция со специфическим составом.

Вещество состоит из частиц, среди которых чаще всего встречаются электроны, протоны и нейтроны. Последние два сорта частиц образуют атомные ядра (нуклиды), а все вместе - нуклидо-электронные системы атомов, молекул и ионов (атомное вещество). Именно нуклидо-электронные системы и образуют физические субстанции.



Каждому веществу присущ набор специфических свойств – объективных характеристик, которые определяют индивидуальность конкретного вещества и, тем самым, позволяют отличить его от всех других веществ. К наиболее характерным физико-химическим свойствам относятся константы – плотность, температуры плавления и кипения, термодинамические характеристики, параметры кристаллической структуры и т.д. К основным характеристикам вещества принадлежат и его химические свойства – кислотноосновные, окислительно-восстановительные, способность к комплексообразованию и др.

Согласно современным представлениям физические субстанции – это разновидность материи, которая содержит число частиц химических соединений от 1015 и более. Именно к такому количеству частиц можно применять понятия агрегатного состояния, упорядоченности структуры (кристаллы), термодинамических характеристик и других характеристических констант.

Теоретическим фундаментом описания свойств вещества является квантовая механика.

Вероятностный характер процессов в микромире: принцип неопределенности Гейзенберга, волна де-Бройля, волновое Квантовая механика – фундаментальный раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и законы их движения.

В основе понятия квантовой системы лежит представление о том, что некоторые физические величины могут принимать только определенные значения (говорят, что физическая величина квантуется). В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения, которое и называют квантом.

Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать явления на уровне атомов, молекул, электронов и фотонов. Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение нуклидо-электронных систем.

Принципиальным отличием классической и квантовой механики является описание движения материальных тел.

В классической механике движение описывается как перемещение по определенной траектории – от точки к точке через ближайшие окрестности.

Изучаемый в классической физике тип движения описывает движение центра масс физического тела. Квантово-механическое движение описывает поведение конкретных материальных частиц.

Оказалось, что при квантово-механическом движении отсутствуют понятия траектории и орбиты. Электрон при своем движении в поле ядра НЕ перемещается в пространстве из данной области в соседнюю, а как бы «хаотически прыгает» из одной в другую с определенной вероятностью.

Таким образом, все процессы в квантовых системах имеют принципиально вероятностный характер.

Представление о движении, разрывном в каждой точке, ввел и последовательно развивает российский физик В.Л.Янчилин.

Хаотичность такого движения, однако, во многом только кажущаяся.

Движение электрона в поле ядра подчинено особым квантовым законам, которые «удерживают» эту хаотичность в определенных рамках. В результате оказывается, что квантовое движение электрона проявляется в некоторой области пространства.

Область пространства вокруг ядра, в которой по законам квантовой механики движется электрон с заданной энергией, получила название орбиталь.

Иными словами орбиталь – это область ярко выраженного квантово-механического движения электрона.

Основные понятия и законы квантовой механики, необходимые нам для понимания химического поведения атомов, подробно будут представлены в курсе физики. Здесь же мы рассмотрим только наиболее существенные для химии.

Как стало ясно после завершения формального описания квантовомеханического движения в работах Нильса Бора,5 Луи Де Бройля,6 Вернера Гейзенберга,7 Эрвина Шредингера,8 Поля Дирака,9 Макса Борна 10 и многих других физиков, каждый физический объект имеет в нашем пространстве генеральную характеристику, которая определяет все его наблюдаемые физические свойства.

Эта характеристика называется волновой функцией (или пси-функцией ). Зная вид волновой функции частицы, можно определить ВЕРОЯТНОСТЬ того, что она находится в данной области пространства и имеет определенную энергию, импульс, магнитный момент и другие физические характеристики.

Эта вероятность просто пропорциональна квадрату модуля волновой фунуции - | | 2. Как было сказано выше, принципиально новым в этом типе движения является не плавное перемещение частицы от точки к точке, а скачкообразное изменение её положения в пространстве.

Почему же мы не ощущаем таких скачков при движении в нашем, «классическом» мире? Оказалось, что квантово-механическое движение явственно проявляется при условии, что область движения имеет размер L меньший, чем некоторый характерный для данной частицы. Этот характерный размер носит название длины волны Де Бройля ( b ) и для одиночной частицы в лабораторной системе координат может быть рассчитан так:

Где h- постоянная Планка, равная 6,63х10-34 Дж с m – масса частицы (для электрона 9,1х10-31 кг) Для типичного электрона, входящего в состав атома, величина оказывается порядка нанометра, т.е. примерно в 10 раз большей, чем размер атома водорода. И движение электрона в атоме должно подчиняться законам квантово-механического движения.

А для макротел, имеющих массы во многие квитиллионы раз большие, чем масса электрона, и величина оказывается меньше размеров атомного ядра. Вот почему мы и не наблюдаем в окружающем нас мире такого «скачкообразного» движения ни футбольных мячей, ни автомобилей на дорогах.

Нужно пояснить появление слова «волна» в теории Де Бройля. Дело в том, что Де Бройль обобщил особенности движения светового кванта – фотона – на движение любых частиц, обладающих массой. А свет во времена Де Бройля считался только электромагнитной волной.

Так возникло понятие корпускулярно-волнового дуализма. Оно означает, что полное описание движения частиц требует привлечения уравнений, в классической механике используемых для описания волновых движений.

Сегодня существует несколько трактовок физического смысла корпускулярно-волнового дуализма, совместимых с экспериментальными данными. Это – свидетельство и залог неизбежности дальнейшего развития квантовой механики.



Pages:     || 2 | 3 |
 



Похожие работы:

«Кафедра математического анализа МЕТРИЧЕСКИЕ И ЛИНЕЙНЫЕ НОРМИРОВАННЫЕ ПРОСТРАНСТВА Задачи к лабораторным занятиям по курсу Функциональный анализ и интегральные уравнения КАЗАНЬ – 1998 Печатается по решению Редакционно-издательского совета механико-математического факультета Казанского государственного университета Составитель С. Р. Насыров Настоящее пособие предназначено для практических занятий студентов, обучающихся по специальности Математикаи направлению Математика. В связи с тем, что в...»

«Под общей редакцией профессора В.Н. Сидорцова Минск ТетраСистемс 2006 УДК 930.2(075.8) ПРЕДИСЛОВИЕ ББК 63я73 M 54 Современная наука вступила в новый этап развития, который Авторский коллектив: обозначается как постнеклассический. Парадигмальные сдвиги в сторону постнеклассики обнаруживаются в различных отраслях доктор исторических наук, профессор В.Н. Сидорцов; доктор исторических наук, профессор А.Н. Нечухрии; доктор философских наук, профессор научного знания. При этом постнеклассические...»

«ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ ИНСТИТУТА ПЕДАГОГИКИ И ПСИХОЛОГИИ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РАО ЗА 2012 ГОД Ф.Ш.Мухаметзянова, Г.И.Ибрагимов В статье раскрываются важнейшие научные достижения Института на трех уровнях: методологическом, теоретическом и научно-методическом. Конкретные результаты исследований представлены в рамках 14 тем, выполнявшихся в лабораториях Института. Ключевые слова: научные исследования, достижения, ИПППО РАО. В 2012 году исследования проводились по 14...»

«Г.Г. Кулиев Институт геологии НАН Азербайджана AZ1143, Баку, просп. Г.Джавида, 29А Согласно парадигме вечного круговорота материи (ВКМ), ее агрегатные состояния – энергия и вещество – ведут между собой вечную борьбу для достижения вида свободной энергии и формы тела с минимальной потенциальной энергией соответственно (Кулиев, 2002a; Кулиев, 2012б). Эта нескончаемая борьба олицетворяет стремление материи к свободе. В этом процессе ее сущностные структурные составляющие – физические,...»

«ejection 3. The Humanites Г. А. Айтпаева, доктор филологических наук, руководитель направления Культурная антропология и археология1' Феномен мазаров в Кыргызстане (постановка проблемы и гипотеза) Введение Данная статья носит вводный характер. Главная ее задача - обозначить проблему, представить гипотезу и некоторые эмпирические наблюдения. В Кыргызстане священное место обычно называют мазаром. Мазар - слово араб­ ского происхождения, изначально означавшее место, которое посещают - объект...»

«В издании Сборник трудов I Международной научно-практической конференции Sensorica – 2013 публикуются работы, представленные в рамках I Международной научно-практический конференции Sensorica, которая состоялась 28–13 октября 2013 года в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики ISBN 978-5-7577-0446-3 В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов...»

«ЧАСТЬ 1 Информационная парадигма Информация - это данные, которые важны для понимания и действия в окружающей нас реальности. Чтобы сделать нечто, бывает необходимо или полезно иметь некоторый набор сведений, касающийся предмета. Важно не только что сообщается, но и когда сообщается: получать сведения надо в нужный момент, чтобы они могли повлиять на принятие решения. Социалист-кибернетик Стаффорд Бир говорил: Информация - это данные, которые меняют нас. Научные открытия ХХ века, приведшие к...»

«Аннотация..3 Анализ социально-экономического положения района.4 Социально-демографическая ситуация.4 Экономический потенциал..7 Социальная инфраструктура..13 Инженерная инфраструктура..21 Структура местного бюджета, основные показатели его исполнения.23 Ключевые проблемы социально-экономического развития района.28 Ресурсный потенциал муниципального района.28 Задачи социально-экономического развития района.29 Ожидаемые результаты социально-экономического развития района.31 3 Аннотация Доклад...»

«Асимптотики решений сильно нелинейных систем дифференциальных уравнений Издание второе, исправленное и дополненное Москва Ижевск 2009 УДК 517.928 ББК 22.161.61 K 592 Интернет-магазин • физика ¦ • математика • биология • нефтегазовые технологии http://shop.rcd.ru Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту №09-01-07118. Козлов В. В., Фурта С. Д. Асимптотики решений сильно нелинейных систем дифференциальных уравнений. — М.–Ижевск: НИЦ...»

«КНИГА ПЯТАЯ: УЧИТЕЛЬ И ЕГО ОТВЕРЖЕНИЕ (1955 — 1960) Оуэн Джоргенсен 1 Эта книга отличается от всех прочитанных вами книг. — Билл, я надеюсь, что ты знаешь, что делаешь, — сказала Меда. — Ну, я думаю. Закончить предложение он не успел. Происходило нечто странное. Вместо того, чтобы смотреть на свою жену, Билл наблюдал, как два грязных мальчика, без рубашек, шли к нему по грунтовой дороге. Их босые ноги подняли облако пыли, которая оседала на их изодранные штаны. У них обоих были всклоченные...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.