Корпускулярно-волновой дуализм материи

2. Корпускулярно-волновой дуализм материи.

 

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи.

Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Частица с энергией E и импульсом, абсолютная величина которого равна p, может быть сопоставлена с волной, дебройлевская длина волны которой

Согласно гипотезе де Бройля, условие квантования орбит в атоме водорода mvr = nh/(2 p ) при разных n означает, что (в простейшем случае) на длине окружности орбиты укладывается целое число дебройлевских волн. В этом случае атом водорода находится в стационарном состоянии с определенной энергией.

Если гипотеза де Бройля верна, то частицы вещества должны при определенных условиях проявлять свойства, характерные только для волн, например, демонстрировать интерференцию и дифракцию на препятствии.

Ввиду достаточно большой величины импульса электрона в атоме, соответствующая длина волны де Бройля для электронов очень мала. Так, для электрона на первой боровской орбите l  = 0,4 нм, т.е. порядка величины расстояния между атомами в кристаллической решетке. Волновые свойства электрона, если они действительно есть, могут наблюдаться только в случае, когда размеры препятствий сравнимы с длиной волны.

В то же время для макроскопического тела (допустим, теннисного мяча, летящего со скоростью 25 м/с) длина волны де Бройля ничтожно мала, ~ 10 ^-34  м, что на 24 порядка меньше размера атома! Таким образом, волновые свойства макроскопических тел наблюдаться не могут.

Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. Они убедительно подтвердили волновую природу электронов. Пучок электронов ускорялся в электрическом поле, проходя разность потенциалов U. При этом электроны приобретали кинетическую энергию mv ² /2 = eU, т.е. импульс p = mv = (2meU) ^1/2 .

Затем пучок электронов направлялся на мишень, состоявшую из сравнительно крупных кристаллов никеля. Подвижный детектор измерял количество электронов, рассеянных под разными углами. Возникшая картина полностью соответствовала картине рассеяния рентгеновских лучей на кристалле. Пользуясь условием Брэгга, Дэвиссон и Джермер определили длину волны электронов l  = h/p и сравнили с вычислениями, основанными на гипотезе де Бройля, получив прекрасное согласие.

Вывод: при определенных условиях электрон и другие микрочастицы проявляют волновые свойства.

Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления.

 

3. Строение Земли.

Недра Земли разбивают на три основные области: земную кору, мантию и ядро.

Схеме внутреннего строения Земли

Ядро расположено в центре Земли, радиус – 3470 км. Различают наружную и внутреннюю часть ядра. Внутренне ядро имеет радиус 1250 км, находится в твердом состоянии и состоит из железоникелевого сплава (20% никеля и 80% железа), находится под колоссальным давлением. Наружная часть ядра жидкая и состоит из смеси серы (12%) и железа (88%). Температура, давление и плотность возрастают с глубиной. Температура ядра достигает 10 000 К (больше, чем температура внешних слоёв Солнца), а его плотность 13 г/см³ (вода – 1 г/см³). Возраст самых древних пород коры не менее 4,5 млрд. лет, её плотность примерно в два раза меньше, чем средняя плотность Земли – 3 г/см³.

Мантия – внутриземная геосфера, окружает ядро и составляет 83% от объема Земли; нижняя граница – на глубине 2900 км разделяется на менее плотную и пластичную верхнюю мантию (800-900 км), в которой образуется магма (смесь химических элементов и соединений, в том числе газов, в особом полужидком состоянии), и кристаллическую нижнюю мантию.

геосфера	глубина в км	состояние
кора	10-70	твёрдое
мантия верхняя	до 1000	полужидкое
мантия нижняя	1000-2900	твёрдое
ядро внешнее	2900-5270	жидкое
ядро внутреннее	5270-6370	твёрдое

Земная кора и верхняя (твердая) часть мантии образуют литосферу. Земная кора – внешняя оболочка литосферы. Состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев. Отличают океаническую и материковую земную кору. В составе первой отсутствует гранитный слой. Максимальная толщина земной коры около 70 км – под горными системами, 30-40 км – под равнинами, наиболее тонкая земная кора – под океанами, всего 5-10 км.

Литосфера разбита на блоки — литосферные плиты. Литосферные плиты - это крупные жесткие блоки земной коры, которые двигаются по относительно пластичной астеносфере. Литосфера под океанами и континентами значительно различается.

Литосфера под океанами претерпела множество этапов частичного плавления в результате образования океанической коры, она сильно обеднена легкоплавкими редкими элементами и в основном состоит из дунитов и гарцбургитов.

Литосфера под континентами значительно холоднее, мощнее и, видимо, разнообразнее. Она не участвует в процессе мантийной конвекции, и претерпела меньше циклов частичного плавления. В целом она богаче несовместимыми редкими элементами. В её составе значительную роль играют лерцолиты, верлиты и другие богатые редкими элементами породы.

Литосфера расколота примерно на 10 больших плит, самые крупные – Евразийская, Африканская, Индо-Австралийская, Американская, Тихоокеанская, Антарктическая. Литосферные плиты движутся с возвышающейся на них сушей. В основе теории движения литосферных плит – гипотеза А. Вегенера о дрейфе континентов.

Движение литосферных плит обусловлено перемещением вещества в верхней мантии. В рифтовых зонах оно разрывает земную кору и расталкивает плиты. Большинство рифтов находится на дне океанов, где земная кора тоньше. На суше крупнейшие рифты расположены в районе Великих Африканских озер и озера Байкал. Скорость движения литосферных плит – 1-6 см в год.

При столкновении литосферных плит на их границах образуются: горные системы, если в зоне столкновения обе плиты несут материковую кору (Гималаи), и глубоководные желоба, если одна из плит несет океаническую кору (Перуанский желоб). С этой теорией согласуется предположение о существовании древних материков: южного – Гондваны и северного – Лавразии.

Границы литосферных плит – это подвижные области, где происходят горообразование, сосредоточены области землетрясений и большинство действующих вулканов (сейсмические пояса). Самые обширные сейсмические пояса – Тихоокеанский и Средиземноморского-Трансазиатский.

Тихоокеанский охватывает кольцом акваторию океана, с ним связано 80% всех землетрясений. Землетрясения начинаются от глубинного очага (гипоцентра) на глубине от 5 до 700 км из-за напряжения вдоль линии взаимодействия плит.

Толчки в эпицентре – месте, расположенном непосредственно над гипоцентром, и вокруг него вызываются поперечными и продольными (наиболее разрушительными) сейсмическими волнами. Продолжительность землетрясения – несколько секунд. Внешние проявления оцениваются по 12-бальной шкале Меркалли: 1 балл регистрируется только приборами; 8-10 баллов – разрушаются здания и раскалывается земная поверхность (Ашхабадское 1948 г., Армянское 1988 г.); 11-12 баллов – смещаются земные блоки и разрушается все вокруг.

Землетрясения с эпицентром в океане вызывают гигантские разрушительные морские волны – цунами. Предсказания землетрясений – важнейшая научно-практическая задача сейсмологии.

Вулкан – это гора с кратером на вершине, из которого через жерло постоянно или временами выбрасываются горячие газы, лава, обломки пород. Вулканическая гора сложена продуктами извержений. Потухшим вулканами считается, если извержения не зарегистрированы в историческое время (Эльбрус).

Извержения вулкана в населенных районах носят катастрофический характер. Все живое и постройки могут быть уничтожены лавовыми или селевыми потоками, засыпаны пеплом. Извержения вулканов – мощный фактор, оказывающий влияние на современный газовый состав и состояние атмосферы.

В мире около 600 вулканов, самый высокий – Котопахи (5896 м, Южная Америка - Эквадор), на втором месте – Ключевская сопка (4750 м, Евразия - Россия). Большинство действующих вулканов расположено на дне океана по средино-океаническим хребтам. Некоторые из них за тысячелетия извержений сформировали острова (Гавайские, Исландия).

 К сейсмическим поясам приурочены также гейзеры и фумаролы. Они образуются в местах, где подземные воды перегреваются близко расположенной магмой. Под давлением водяного пара происходят выбросы воды и пара. Наиболее известны своими гейзерами Камчатка и Исландия.

Подвижные, сильно расчлененные участки земной коры с разнообразным по интенсивности и направленности тектоническими движениями называют геосинклиналями. Первый период развития геосинклинали характеризуется погружением и морским режимом. В это время накапливается толща осадочных пород, происходит внедрение магмы, излияние лав и метаморфизм, идет складкообразование.

Второй (более короткий) период – интенсивное поднятие. Которое связывают с движением литосферных плит. Происходит формирование материковой земной коры в результате деформации горных пород, процессов магматизма и метаморфизма. Море отступает, образуется обширная горная страна.

Наиболее устойчивые блоки земной коры - это платформы. Различают океанические континентальные платформы. Им соответствуют равнинные типы рельефа, как на суше, так и на дне океана. Материковые платформы состоят из фундамента, сформировавшегося в геосинклинальный период. Он состоит из смятых в складки и пронизанных застывшей магмой метаморфических пород, разбит разломами на блоки. Поверхность платформы образована мощной толщей горизонтально залегающих пород – осадочным чехлом.

Участки платформ, перекрытые осадочным чехлом называются плитами, а лишенные его – щитами. Возраст платформы определяется по фундаменту: у древних платформ он сформировался в докембрийское время, у молодых – в палеозое. Древние платформы: Северно-Американская, Восточно-Европейская и Сибирская – северные; Южно-Американская, Африкано-Аравийская, Индостанская, Австралийская и Антарктическая – южные.

Молодые платформы: Западно-Сибирская, Северо-Казахстанская и другие. Платформы разделены пятью геосинклинальными поясами возникшими в докембрийское время. Три из них – Северно-Атлантический, Арктический и Урало-Охотский завершили свое развитие в палеозое, Альпийского-Гимилайский и Тихоокеанский продолжают свое развитие до сих пор.

В пределах геосинклинального пояса на суше выделяют области складчатости, завершившейся в разное время: байкальская – конец протерозоя - начало палеозоя, 1000- 550 млн лет назад; каледонская – ранний палеолеозой, 400-210 млн лет; мезозойская – 210-100 млн лет; кайнозойская, или альпийская, - 100 млн лет до настоящего времени.

Горные породы – основное вещество, слагающее земную кору, По происхождению различают магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы образовались при остывании лавы и делятся на интрузивные (застывшие в толще земной коры). Например гранит, и эффузивные (излившиеся на поверхность), например базальт, По содержанию кремнезема магматические горные породы делятся на кислые (руды золота, вольфрама), основные (руды железа и титана) и ультраосновные (руды никеля, хрома, платины).

Осадочные горные породы образуются разными способами. При разрушении прежних горных пород образуются обломочные. По размеру частиц среди них различают глину (мельче 0,001 мм), алеврит (до 0,1 мм), песок (до 2 мм), гравий (до 10 мм), щебень (до 100мм), валуны (крупнее 100 мм). Частицы могут быть окатанными (галька 10-100мм, гравий 1-10). При отмирании живых существ образуются органогенные осадочные горные породы (известняк нефть). При накоплении солей в толщах донных отложений – химические (каменная соль).

Метаморфические горные породы возникают при воздействии на слои осадочных пород высоких температур или давления при возобновлении горообразовательных процессов (мрамор сланцы).

Часть горных пород, используемая в хозяйстве, называется полезными ископаемыми по физическому состоянию различают твердые (руды, уголь, каменная соль), жидкие (нефть, минеральные воды), газообразные (горючий газ) полезные ископаемые.

По происхождению полезные ископаемые делятся на эндогенные (образовавшиеся в процессе осадконакопления), метаморфические (возникшие при образовании осадочных горных пород).

Различаются полезные ископаемые по составу и особенностям современного использования: горючие (уголь, торф, сланцы, нефть, природный газ), металлические (руды черных, цветных и драгоценных металлов), неметаллические (фосфориты, каменная соль).

 Геологическое летоисчисление, или геохронология, - термин, принятый для обозначения времени и последовательности образования горных пород. При ненарушенном залегании горных пород верхние слои моложе нижних. По органическим останкам, обнаруженным в горных породах, определяют время, в течение которого они накапливались. Оно названо эрой. Название эры отражает ее относительный возраст: архейская (древнейшая), протерозойская (ранняя), палеозойская (древняя), мезозойская (средняя), кайнозойская (новая).

Эры делятся на периоды. По возрасту горные породы можно определить время, прошедшее с того или иного события на Земле. Возраст горных пород определяют по соотношению в них радиоактивных элементов и продуктов их распада.

Для отражения последовательности событий в прошлом используют геохронологические таблицы. Обязательное содержание геохронологической таблицы – эры и периоды, их продолжительность. В горных породах может быть отражено время образования тех или иных горных систем, полезных ископаемых, возникновения жизни или исчезновения отдельных ее форм.

По геохронологической таблице трудно судить о месте, где развивались те или иные события. Поэтому составляют геологические и тектонические карты. На карте строения земной коры показаны возраст различных ее участков, размещение срединно-океанических хребтов, зон разломов, кристаллических щитов, границы литосферных плит, сейсмические пояса.

Список используемой литературы.

1.  Грушевицкая Т.С., Сахохина А.П. Концепции современного естествознания. М.: Высш. Шк., 1997. 382 с.

2.   Концепции современного естествознания: учеб. пособие / В.О. Голубинцев и др.; под общ. ред. С.И. Самыгина. – Изд. 7-е, доп. и перераб. - Ростов-н/Д.: Феникс, 2005- 413 с.

3.