Структурные уровни организации материи

Современное
научное знание основано на структурности материи и системном подходе. Система — это
определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к
другим объектам или условиям. В понятие системы входит совокупность элементов и
связей между ними. Под элементом системы понимается
компонент системы, который далее, внутри данной

системы,
рассматривается как неделимый, под структурной организацией материи — ее иерархическое строение — любой объект от
микрочастиц до организмов, планет и галактик является частью более сложного
образования и сам может считаться таковым, т. е. состоящим из неких составных
частей. Доступная для наблюдения часть мира
простирается в пространстве от 10^-17 до 10²⁶ м, а во
времени — до 2 • 10¹⁰ лет.

Молекула — наименьшая частица
вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы состоят из атомов,
соединенных химическими связями. Молекула
инертных газов — это просто атомы, а у других газов она состоит из двух
или более атомов. Молекулы, состоящие из многих повторяющихся групп атомов,
называют макромолекулами.
Но свойства веществ определяются не только составом молекул, но и их структурой. В молекуле
выделили структурные блоки, каждый из которых обладает своей уникальной
реакционной способностью. Теория химического строения молекул была создана
А.М.Бутлеровым, а позже подтверждена кван-тово-механическими
расчетами. Под молекулярной структурой понимается
сочетание атомов, которые имеют закономерное расположение в пространстве и
связаны между собой химической связью с помощью валентных электронов.

Атом — составная часть молекулы.
Существование структуры атома было доказано открытием в 1897 г. Дж.Дж.Томсоном
электрона, называемого атомом электричества. Заряд электрона Томсон определил
уже в 1898 г., а через 5 лет предложил модель строения атома. В 1903 г. Э.
Резерфорд нашел посредством опытов с отклонением а-лучей, что отношение заряда
к массе по знаку и величине соответствует дважды ионизированным атомам гелия.
Опыты показали, что в атомах существуют положительно заряженные частицы — ядра,
в которых сосредоточена почти вся масса атома и которые имеют размеры 10^-14
м, тогда как размеры самого атома порядка 10^-10 м. Была предложена
«планетарная» модель атома. Исследования многих ученых позволили сделать вывод,
что место элемента в Периодической системе, его атомный номер определяются
числом элементарных зарядов ядра атома. Периодичность же свойств элементов
объяснила только квантовая механика.

Вслед
за электроном были открыты элементарные
частицы: протон, нейтрон и другие (сейчас их известно более
трехсот) и соответствующие им античастицы. Для упорядочения их группируют по
времени жизни, участию в разных типах фундаментальных взаимодействий и другим
признакам.

Кварковая
модель строения элементарных частиц существует с 1964 г. (Г.Цвейг, М.Гелл-Ман).
Сначала кварки рассматривались как
гипотетические структурные элементы с дробным электрическим зарядом, но они
заняли в квантовой хромодинамике роль

69

основных
частиц. Открытие возможности превращений одних элементарных частиц в другие
показывает, что они тоже имеют сложную внутреннюю структуру. Ее описывают с
помощью так называемых «виртуальных» частиц, так как эту внутреннюю структуру
невозможно описать через другие частицы.

Микромир —
мир очень малых микрообъектов, размеры которых от 10^-10 до 10^-18 м,
а время жизни может быть до 10^-24 с. Испускание и поглощение света
происходит порциями, квантами, получившими название фотонов. Это мир — от атомов до элементарных частиц. При
этом для микромира свойственен корпускулярно-волновой дуализм, т.е. любой
микрообъект обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Описание
микромира опирается на принцип дополнительности Н. Бора и соотношения неопределенности Гейзенберга. Мир элементарных
частиц, которые долго считали
элементарными «кирпичиками», подчиняется законам квантовой механики,
квантовой электродинамики, квантовой хромоди-намики. Квантовое поле носит
дискретный характер.

Макромир — это мир объектов, соизмеримых с
человеческим опытом. Размеры макрообъектов измеряются от долей миллиметра до
сотен километров, а времена — от секунд до лет. Поведение же макроскопических
тел, состоящих из микрочастиц, описывается классической механикой и
электродинамикой. Материя может пребывать как в виде вещества, так и в виде
поля, причем вещество дискретно, а поле — непрерывно. Скорости распространения
поля равны скорости света, максимальной из возможных скоростей, а скорости движения частиц вещества всегда меньше
скорости света.

Мегамир — мир объектов космического масштаба:
планеты, звезды, галактики, Метагалактика. Кроме них во Вселенной присутствуют
материя в виде излучения и диффузная материя. Последняя может занимать огромные
пространства в виде гигантских облаков газа
и пыли — газо-пылевых туманностей. В звездах сосредоточено 97 % вещества
нашей Галактики — Млечный Путь. В других галактиках распределение
материи примерно такое же. В Галактике почти все звезды являются двойными, а
всего их более 120 млрд. Диаметр Галактики порядка 100 тыс. св. лет; наше
Солнце — рядовая звезда типа «желтый карлик», находится на краю утолщенного
диска, в 5 пк от края. Но имеются звездные системы, состоящие из 3 — 5 звезд,
часто окруженные диффузной материей. Звездные скопления могут состоять из
нескольких сотен отдельных звезд, а шаровые скопления — из сотен тысяч.
Галактики (их до 10 млрд), наблюдаемые с Земли как туманные пятнышки, имеют
разную форму: спиральную, неправильную, эллиптическую. Они образуют скопления
из нескольких тысяч отдельных систем. Систему галактик называют Метагалактикой.
Мегамир описывается законами классической механики с поправками, которые были
внесены теорией относительности.