«Что изучает физика. Физические явления. Наблюдения и

Главная

›

Новости

Опубликовано: 30.09.2018

СИЛА ТЯЖЕСТИ вес тела ФИЗИКА 7 класс | Романов

1. Физические тела. Физические явления » ГДЗ (решебник) по физике 7-11 классов

1. Укажите, что относится к понятию «физическое тело», а что к понятию «вещество»: самолет, космический корабль, медь, авторучка, фарфор, вода, автомобиль.Физическое тело — самолет, космический корабль, авторучка.Вещество — медь, фарфор, вода.

ПЛОТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА физика 7 класс | Романов

2. Приведите примеры следующих физических тел: а) состоящих из одного и того же вещества; б) состоящих из различных веществ одинакового названия и назначения. а) Из одного вещества: стол, карандаш, стул — из дерева,б) Из различных веществ: пластиковая и стеклянная бутылка.

3. Назовите физические тела, которые могут быть сделаны из стекла, резины, древесины, стали, пластмассы.Стекло: колба лампы, бутылка.Резина: покрышка, воздушный шарик.Древесина: дверь, паркет.Сталь: резец, лезвие ножа.Пластмасса: корпус шариковой ручки, калькулятора.

4. Укажите вещества, из которых состоят следующие тела: ножницы, стакан, футбольная камера, лопата, карандаш.Ножницы — сталь; стакан — стекло; футбольная камера — резина; лопата — сталь; карандаш — дерево.

5. Начертите в тетради таблицу и распределите в ней следующие слова: свинец, гром, рельсы, пурга, алюминий, рассвет, буран, Луна, спирт, ножницы, ртуть, снегопад, стол, медь, вертолет, нефть, кипение, метель, выстрел, наводнение.

6. Приведите примеры механических явлений.Механические явления: падение тела, колебание маятника.

7. Приведите примеры тепловых явлений.Тепловые явления: таяние снега, кипение воды.

8. Приведите примеры звуковых явлений.Звуковые явления: гром, свист милиционера.

9. Приведите примеры электрических явлений.Электрические явления: молния, искра свечи зажигания.

10. Приведите примеры магнитных явлений.Магнитные явления: взаимодействие двух магнитов, вращение стрелки компаса.

11. Приведите примеры световых явлений.Световые явления: свет лампочки, северное сияние.

12. Предлагаемую ниже таблицу начертите в тетради и впишите слова, относящиеся к механическим, звуковым, тепловым, электрическим, световым явлениям: шар катится, свинец плавится, холодает, слышны раскаты грома, снег тает, звезды мерцают, вода кипит, наступает рассвет, эхо, плывет бревно, маятник часов колеблется, облака движутся, гроза, летит голубь, сверкает молния, шелестит листва, горит электрическая лампа.

13. Назовите два-три физических явления, которые наблюдаются при выстреле из пушки.Полет снаряда, звук выстрела и взрыв пороха.

kupuk.net

«Что изучает физика.

Физические явления. Наблюдения и опыты». 7-й класс

Разделы: Физика

Цели урока:

Дать понятие о предмете физики.
Создать представление о первичных понятиях в физике (тело, вещество, явление).
Сформулировать цели изучения явлений природы.
Выявить источники физических знаний, определить круг изучаемых явлений, пояснить связь физики с другими науками и техникой.
Ознакомить учащихся с методами исследования физических явлений.
Пробудить у детей интерес к изучению физики и развить любознательность.

Оборудование: три линейки из разного материала, наклонный желоб, стальной шарик, штатив; пружина, набор грузов; электрическая лампочка на подставке электрофорная машина, электрический звонок, зеркало, детская машинка.

Ход урока

Организационный момент

Объяснение нового материала

Мы приступаем с вами к изучению основ очень интересной и полезной науки – физики. Садясь в поезд, такси, трамвай, нажимая на кнопку электрического звонка, просматривая кинофильм или наблюдая, как комбайн убирает урожай, вы едва ли задумывались над тем, какой путь прошло каждое из этих больших и маленьких достижений техники, сколько труда вложено в каждое из них. К технике мы привыкли, она стала нашим спутником.

А ведь не очень давно люди ездили в тарантасах, запряженных лошадьми, жали рожь и пшеницу серпами, сидели при свете горящих лучин в длинные зимние вечера и только в сказках мечтали о различных волшебствах. Гусли-самогуды, ковер-самолет, топор-саморуб ? вот предметы сказочных мечтаний. Вспомните, в сказке А.С.Пушкина звездочет и мудрец, подаривший царю Додону чудесного петушка, заверял его:

Петушок мой золотой Будет верный сторож твой: Коль кругом все будет мирно, Так сидеть он будет смирно; Но лишь чуть со стороны Ожидать тебе войны, Иль набега силы бранной, Иль другой беды незваной, Вмиг тогда мой петушок Приподымет гребешок, Закричит и встрепенется И в то место обернется.

И вот мечта сбылась. Современные радиолокационные установки куда лучше золотого петушка. Они позволяют мгновенно и точно обнаружить в небе самолеты, ракеты и другие объекты.

Как о чуде говорится в сказке Ершова “Конек-горбунок” о холодном свете:

Огонек горит светлее, Горбунок бежит скорее. Вот уж он перед огнем. Светит поле словно днем. Чудный свет кругом струится, Но не греет, не дымится. Диву дался тут Иван, “Что, — сказал он, — за шайтан! Шапок с пять найдется свету, А тепла и дыму нету. Эко чудо-огонек…”

И вот чудо-огонек в виде ламп дневного света проник в наш быт. Он радует людей на улицах, в магазинах, в учреждениях, в метро, в школах, на предприятиях.

Да, сказки становятся былью: гусли-самогуды воплотились в магнитофон. Электропилы за несколько секунд валят вековые деревья лучше сказочных топоров-саморубов. Не ковры, а самолеты стали широко распространенным средством транспорта. Наши ракеты выводят на орбиты искусственные спутники Земли и космические корабли с космонавтами на борту. Все это стало возможным не по милости волшебника, а на основе умелого применения достижений науки.

Трудно было человеку миллионы лет назад, Он совсем не знал природы, Слепо верил в чудеса, Он всего, всего боялся. И не знал, как объяснить Бурю, гром, землетрясенье, Трудно было ему жить.

И решил он, что ж бояться, Лучше просто все узнать. Самому во все вмешаться, Людям правду рассказать. Создал он земли науку, Кратко «физикой» назвал. Под названьем тем коротким Он природу распознал.

«Физика» – это греческое слово и в переводе означает, как вы поняли, «природа».

Одной из древнейших наук, которая позволяет познать силы природы и поставить их на службу человеку, которая дает возможность понять современную технику и развивать ее дальше, является физика. Знания физики необходимы не только ученым и изобретателям. Без них не может обойтись ни агроном, ни рабочий, ни врач. Каждому из вас они тоже потребуются не раз, а многим, может быть, доведется сделать новые открытия и изобретения. То, что сделано трудом многих ученых и изобретателей – великолепно. Имена многих из них вы уже слышали: Аристотель, М. Ломоносов, Н. Коперник и многие другие. Но впереди еще много нерешенных задач: надо поставить на службу человеку тепло и свет Солнца, научиться безошибочно предсказывать погоду, предсказывать стихийные бедствия, надо проникнуть на огромные океанские и земные глубины, надо разведать и освоить другие планеты и звездные миры и многое другое, чего нет даже в сказках.

Но для этого надо прежде всего усвоить то, что добыто, в частности, овладеть знаниями по физике. Физика – интереснейшая наука. Ее надо изучать с большим вниманием, доходить до самой сути. Однако не рассчитывайте на легкий успех. Наука – не развлечение, не все будет весело и занимательно. Она требует настойчивого труда.

Получив некие знания, человек сформулировал закон, использовал в своей жизнедеятельности изученное явление, создал приборы и машины, прочие вспомогательные орудия, с помощью которых он может успешнее и совершеннее изучать и глубже описывать другие явления. Процесс изучения физики можно сравнить с движением по лестнице всегда вверх.

Сегодня на уроке нам предстоит понять и усвоить основные физические термины: физическое тело, вещество, физические явления, понять, что является предметом изучения физики и как она изучает природу.

Физика имеет дело с физическими телами. Что бы вы назвали физическим телом? (Учащиеся выдвигают свои предположения, которые я записываю на правой половине доски. Обобщая высказывания, приходим к выводу, что физическое тело – это любой предмет подлежащий рассмотрению в физике.

Назовите тела, которые вас окружают. (Приводят примеры.)

Чем отличаются друг от друга три линейки, которые у меня в руках?

Класс. Сделаны из разного материала: дерево, пластмасса, металл.

Учитель. Какой можно сделать вывод?

Класс. Тела могут различаться веществом.

Учитель. Что такое вещество?

Класс. Это то, из чего состоит физическое тело.

Учитель. Приведите примеры веществ, которые имеются у вас на столах. (Дети отвечают.)

Вещество – это один из видов материи.

Материя – это все то, что существует во Вселенной, независимо от нашего сознания.

Материя – вещество, поле.

Любой материальный предмет состоит из вещества. Мы можем его потрогать и увидеть. Сложнее с полем – мы можем констатировать последствия его действия на нас, но не можем увидеть. Например существует гравитационное поле, которое мы не ощущаем, но благодаря которому мы ходим по земле и не улетаем с нее, несмотря на то, что она вращается со скоростью 30 км/с, измерить его мы пока не можем. А вот электромагнитное поле человека не только можно ощущать по последствиям его воздействия, но и изменять.

В природе с телами происходят различные изменения. Они называются явлениями. Физическими явлениями называется. различные изменения, происходящие с физическими телами.

Какие физические явления вы наблюдали? (Учащиеся приводят примеры.)

Все явления делятся на несколько видов: механические, тепловые, звуковые, электрические, магнитные, световые. Рассмотрим их на конкретных примерах и опытах. (Демонстрируются некоторые виды явлений.)

Механические явления	Оптические явления	Электрические явления	Тепловые явления
Движение автомобиля, полет парашютиста, морская зыбь, работа пресса	Мираж: в пустыне, мерцание звезд, затмение Солнца, образование тени, радуга, игра цветов тонкой пленки, солнечный зайчик	Молнии при грозе, иллюминация, “путешествие” телеграммы из города в город, горение эл. лампы	Утренний туман, таяние снега, замерзание воды, выпаривание соли, нагревание ладоней при трении

А сейчас подумаем вместе над таким вопросами:“Как изучают физику? Какими методами пользуются для этого?”

– Можно наблюдать за явлением, что мы и делали на уроке.

– Можно самим проводить опыты и эксперименты. При этом физики используют свое главное “оружие” – физические приборы. Назовем некоторые из них: часы, линейка, вольтметр,

– Можно применять математические знания

– Обязательно нужно делать обобщения

Закрепление материала

Задача 1. Разделите на три группы понятий следующие слова: стул, древесина, дождь, железо, звезда, воздух, кислород, ветер, молния, землетрясение, масло, компас.

Задача 2. Вы случайно спрятали в карман шоколадку, и она там растаяла. Можно ли случившееся назвать явлением? (Да.)

Задача 3. Вам во сне явился добрый волшебник, подарил много мороженого, и Вы угостили им всех своих друзей. Жаль только, что это был сон. Можно ли считать появление доброго волшебника физическим явлением? (Нет.)

Задача 4. Коля ловил девчонок, окунал их в лужу и старательно измерял глубину погружения каждой девочки. Толя только стоял рядышком и смотрел, как девчонки барахтаются. Чем отличаются Колины действия от Толиных, и как такие действия называют физики? (И физики и другие ученые назовут действия хулиганством. Но с точки зрения бесстрастной науки Толя производил наблюдения, а Коля ставил опыты).

Запись домашнего задания § 1 ? 3. Ответить на вопросы.

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

ФИЗИЧЕСКИЕ ТЕЛА И ВЕЩЕСТВА. МАТЕРИАЛЫ — НАЧАЛЬНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ Химия 7 класс Ярошенко О.Г. — Сиция 2015 год

Тема 1 ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ

В этой теме вы узнаете о:

• физические тела и вещества, из чего состоят вещества

• многообразие веществ

• физические и химические свойства веществ

• атом, его состав

• химические элементы, их названия и символы

• периодическую систему химических элементов Д. И. Менделеева, ее структура

• относительные атомные массы химических элементов и относительные молекулярные массы веществ

• химические формулы веществ, вычисления с ними относительных молекулярных масс и массовой доли элемента в сложном веществе

• валентность химических элементов

• связь между размещением элемента в периодической системе и его валентностью

• физические и химические явления

§ 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ТЕЛА И ВЕЩЕСТВА. МАТЕРИАЛЫ

Изучение параграфа поможет вам:

· различать физические тела, вещества, материалы;

· приводить примеры физических тел, веществ, материалов

ФИЗИЧЕСКИЕ ТЕЛА И ВЕЩЕСТВА. Как вам известно из природоведения, тела, или физические тела — это все живое и неживое, что создали природа и человек на Земле. Для лучшего осознания этого понятия учтите следующее определение.

Физическое тело всегда имеет форму, ограниченную определенной, свойственной ему поверхностью, и массу.

Твердые тела, которые человек производит для своих нужд, имеют название предметов. На кухне такими предметами е тарелки, ложки, вилки, кастрюли, сковородки и много других. Гостиную обустраивают столом, стульями, телевизором, ковром и тому подобное. То есть предметов очень много, они разнообразны, их используют для создания комфортных бытовых условий.

Ледяная сосулька, капля росы на листьях, снежинка, снеговик, ледяная скульптура (рис. 19) — это примеры физических тел. Они интересны тем, что созданы из одного вещества — воды.

Восстановите в памяти

Приведите примеры небесных тел. Опишите форму, охарактеризуйте размеры и массу одного из них по сравнению с Землей.

Рис 19. Физические тела, состоящие из воды

Рис. 20. Налив воды из делительной воронки в химический стакан

Но, согласитесь, у каждого тела — свои, присущие только ему, форма и размеры.

На рис. 20 изображен налива воды из делительной воронки в химический стакан. Будет неправильно назвать воду в этом случае физическим телом. А все потому, что она не имеет формы, которая бы хранила, как это мы видели на предыдущем рисунке. В данном случае вода — вещество, одна порция которой содержится в воронке, другая— в стакане. В каждом сосуде это вещество приобрела форму сосуда. Не проводя измерений, взглянув на рисунок, видим, что масса и объем этого вещества в воронке и стакане разные.

— Понятие вещества не связывают с конкретной формой и размерами. Веществами называют то, из чего образованы физические тела.

На примере с ледяной сосулькой, снежинкой, снеговиком видим, как из одного вещества образовалось несколько тел. Таких примеров достаточно много, и вы их можете привести самостоятельно.

Такие вещества, как кислород, углекислый газ, йод, глюкоза, етанова (уксусная) и лимонная кислоты, поваренная соль, пищевая сода, вам уже известны. В целом, веществ, которые существуют в природе и созданы человеком, очень много — более 10 млн.

Восстановите в памяти

Что вам известно об использовании названных веществ?

— Из одной и той же вещества могут образоваться или быть изготовлены различные физические тела.

Случается наоборот — предметы одного назначения изготовляют из разных веществ. Так, скрепки бывают стальными и пластмассовыми, пакеты — полиэтиленовыми и бумажными, ложки — стальными, серебряными, деревянными.

Следует помнить, что тела живой природы (растения, грибы, животные и другие) независимо от того, они одноклеточные или многоклеточные, никогда не образуются из одного вещества.

МАТЕРИАЛЫ 1. Довольно часто к веществ или их смесей, из которых изготавливают тела, применяют название материалы.

Восстановите в памяти

Вспомните и приведите примеры одноклеточного и багатоклітинного организмов.

— Материалами называют вещества или смеси веществ, которые образовались в природе или были получены человеком и предназначенные для изготовления тел.

Вы видите примеры тел, изготовленных человеком из различных материалов (рис. 21). Так, карандаш изготовлен по меньшей мере из 4-х материалов — графита, древесины, резины, краски (нанесена на его поверхность). Кухонные ножи имеют стальные лезвия и пластмассовые или деревянные ручки. Деревья созданы природой, а деревянные изделия изготовила человек из их стволов, применив дополнительно клей, железные гвозди, краску и т. п (рис. 22).

СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. Сначала человек использовал природные материалы (камень, дерево, волокнистую часть стеблей льна или конопли), а со временем сама начала создавать нужные ей вещества и материалы.

Познавая вещества, человек находил им то или иное применение. В первых водопроводах вода двигалась деревянными желобами, со временем их заменили металлические трубы. На сегодня массовым является изготовление водопроводных труб из полиэтилена. Этот материал, в отличие от предыдущих, легкий и долговечный, не подвергается разрушительному воздействию внешней среды.

Сперва построенные человеком дома были без окон или имели узкие отверстия, которые закрывались на зиму. И только с изобретением способов изготовления материала под названием стекло дневное освещение домов стало привычным явлением. Сейчас впечатляющей является количество веществ, которые не существуют в природе, а изготовленные человеком искусственно. И в этом заслуга химической науки.

В повседневной жизни нас окружают различные материалы, что является веществами или смесями веществ, в основном созданными человеком благодаря достижениям химической науки. На рис. 23 изображены хорошо известные вам предметы, изготовленные из материалов, которых нет в природе. Если бы прекратилось производство этих веществ, мы лишились бы многих предметов, без которых уже не представляем своего быта.

Или еще такой пример. Материал, без которого невозможно производство покрышек для велосипедных, мотоциклетных, тракторных, автомобильных колес, называется резина. В его состав входят такие вещества, как каучук, сера, углерод.

Рис. 21. Тела, изготовленные из различных материалов

Рис. 22. Древесина — распространенный природный материал

Рис. 23. Изделия из созданных человеком материалов

Довольно часто в названии предметов звучат названия и предмета и материала, из которого он изготовлен. Например: серебряная ложка, железный гвоздь, резиновый мяч и тому подобное.

— Химические знания сделали возможным создание веществ и материалов, которых не существует в природе. Благодаря этому человек имеет возможность изготавливать множество разнообразных физических тел, или предметов.

Как видите, современная химия изучает не только вещества, что существуют в природе, но и занимается созданием новых веществ и материалов. В этих исследованиях ученые довольно часто руководствуются желанными, то есть заранее запланированными свойствами, которые отсутствуют у природных веществ.

Что же понимают под свойствами веществ? Об этом речь пойдет в следующем параграфе.

Копилка эрудита

Среди материалов большое значение приобрели сплавы. Такое название имеют твердые смеси нескольких металлов или металлов с неметаллами. Сплав бронза известный людям с III тыс. к н. е. Сейчас его тоже широко используют. В столице нашего государства (Киеве) из этого сплава построен памятник Богдану Хмельницкому (рис. 24).

Сплавы на основе алюминия появились значительно позднее бронзу. Да и сам алюминий добыли в чистом виде только в 1825 г. В XIX ст. металл был настолько дорогим. что стоил дороже золота. В настоящее время алюминий занимает второе место после железа по добыче и стоимость его умеренная. В Украине первый алюминиевый завод был построен в 1933 г. вблизи м. Запорожье.

Сплавы алюминия легкие, прочные, устойчивые к негативному воздействию окружающей среды. Такие их свойства незаменимы в самолето — и ракетостроении. Недаром алюминий называют «крылатым металлом» (рис. 25).

Рис. 24. Памятник Богдану Хмельницкому в Киеве

Рис. 25. Корпус самолета изготавливают из сплавов алюминия

?

1. Сформулируйте определения понятий: физическое тело, предмет, вещество, материал. Что характерно для тел, но отсутствует у веществ?

2. Приведите примеры современных материалов и изделий из них.

3. Изменится форма железных гвоздей, если высыпать их в ведро? Это дало основания отнести их к: а) тел; б) веществ.

4. Запишите примеры тел, изготовленных из одного вещества.

5. Заполните колонки таблицы, воспользовавшись перечнем: ложка, чашка, резина, вода, снежинка, железо, железный гвоздь, стеклянная палочка, алюминиевая проволока, сахар:

6. Дополните предложения записью двух-трех собственных примеров:

а) из полиэтилена изготовлены тела:_______

б) из стекла производят:________________

7. Составьте перечень веществ, названия которых содержатся в тексте параграфа, и перечень лабораторного оборудования, на рис. 20.

8. Подумайте, чего есть больше — тел или веществ. Свой ответ обоснуйте и подтвердите примерами.

9. Расширьте свои знания о тела и вещества. Для этого поинтересуйтесь у взрослых членов вашей семьи, из каких веществ или материалов изготовлены различные предметы ежедневного обихода, инструменты их профессиональной деятельности. О несколько новых примеров, которые станут вам известны, сделайте сообщение в классе.

schooled.ru

Сублимация (физика) — это… Что такое Сублимация (физика)?

У этого термина существуют и другие значения, см. Сублимация.

Сублимационная кривая водяного льда — равновесный участок «твердое тело — газ» на фазовой диаграмме воды

Сублимация (возго́нка) — переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое. Поскольку при возгонке изменяется удельный объём вещества и поглощается энергия (теплота сублимации), возгонка является фазовым переходом первого рода.

Обратным процессом является десублимация. Примером десублимации являются такие атмосферные явления, как иней на поверхности земли и изморозь на ветвях деревьев и проводах.

Примеры возгонки

Сублимация иода

Возгонка характерна, например, для элементарного иода I₂, который при нормальных условиях не имеет жидкой фазы: чёрные с голубым отливом кристаллы сразу превращаются (сублимируются) в газообразный молекулярный иод (медицинский «йод» представляет собой спиртовой раствор).

Сублимация льда

Хорошо поддается возгонке лёд, что определило широкое применение данного процесса как одного из способов сушки. При промышленной возгонке сначала производят заморозку исходного тела, а затем помещают его в вакуумную или заполненную инертными газами камеру. Физически процесс возгонки продолжается до тех пор, пока концентрация водяных паров в камере не достигнет нормального для данной температуры уровня, в связи с чем избыточные водяные пары постоянно откачивают. Возгонка применяется в химической промышленности, в частности, на производствах взрывоопасных или взрывчатых веществ, получаемых осаждением из водных растворов.

Применение процесса

Простой сублимационный аппарат. Очищаемое вещество конденсируется из газовой фазы на «пальце»-холодильнике, охлаждаемом водой.
1 Вход холодной воды
2 Выход холодной воды
3 Вакуум/газ линия
4 Сублимационная камера
5 Сублимируемый продукт
6 Сырой материал
7 Внешний нагрев

Применение сублимации в лабораторной технике

На эффекте возгонки основан один из способов очистки твердых веществ. При определенной температуре одно из веществ в смеси возгоняется с более высокой скоростью, чем другое. Пары очищаемого вещества конденсируют на охлаждаемой поверхности. Прибор, применяемый для этого способа очистки, называется сублиматор.

Сублимационная сушка

Основная статья: Сублимационная сушка

Сублимационная сушка (иначе лиофилизация; лиофильная сушка) (англ. freeze drying или lyophilization) — процесс удаления растворителя из замороженных растворов, гелей, суспензий и биологических объектов, основанный на сублимации затвердевшего растворителя (льда) без образования макроколичеств жидкой фазы^[1].

Возгонка также используется в пищевой промышленности: так, например, сублимированный кофе получают из замороженного кофейного экстракта через обезвоживание вакуумом. Фрукты после сублимирования весят в несколько раз меньше, а восстанавливаются в воде. Сублимированные продукты значительно превосходят сушеные по пищевой ценности, так как возгонке поддаётся только вода, а при термическом испарении теряются многие полезные вещества. Перед сублимацией пищевых продуктов используется быстрое замораживание (от −100 до −190 °C), что приводит к образованию мелких кристаллов, не разрушающих клеточные мембраны.

См. также

Примечания

Ссылки

Примеры лабораторных работ

Конспекты лекций

Конспект лекций 2020 (Лубенченко О.И.)

Лекционные демонстрации

Скачать (Яндекс Диск)

Программы курса

Программа подготовки к экзамену для 1го курса ЭТФ

Программа курса «Специальные вопросы физики»

Материалы по разделу «Механика и молекулярная физика» (1 семестр) для студентов 1 курса (1 семестр) АВТИ, ИРЭ, ИЭТ, ИЭЭ, ИнЭИ (ИБ)

Сборник задач «Механика и молекулярная физика»
Описания лабораторных работ

Материалы по разделу «Электричество и магнетизм» (2 семестр) для студентов 1 курса (2 семестр) АВТИ, ИРЭ, ИЭТ, ИЭЭ, ИнЭИ (ИБ)

Описания лабораторных работ (издание 2018 г. ) — для студентов очной формы обучения

Сборник задач «Электричество и магнетизм»


Описания лабораторных работ №№ 1 – 25, 30 (издание 2005 г.)


Описания лабораторных работ №№ 26 – 29, 31, 32 (издание 2013 г.)

Материалы по разделу «Оптика и атомная физика» (3 семестр) для студентов 2 курса (3 семестр) АВТИ, ИРЭ, ИЭТ, ИЭЭ и 3 курса (5 семестр) ИнЭИ (ИБ)

Программа курса общей физики ЭТФ III сем.
Сборник задач «Оптика и атомная физика»
Сборник задач по оптике с решениями
Описания лабораторных работ №№ 1 – 14
Описания лабораторных работ №№ 15 – 25
Приложение к лабораторным работам №№15-25

Материалы 4 семестр

Гармонический осциллятор

Перечень лабораторных работ по общему курсу физики
Механика и молекулярная физика
1. Погрешности при физических измерениях. Измерение объема цилиндра.
2. Определение плотности вещества и моментов инерции цилиндра и кольца.
3. Изучение законов сохранения при соударении шаров.
4. Изучение закона сохранения импульса.
5. Определение скорости пули методом физического маятника.
6. Определение средней силы сопротивления грунта и изучение неупругого соударения груза и сваи на модели копра.
7. Изучение динамики вращательного движения твердого тела и определение момента инерции маятника Обербека.
8. Изучение динамики плоского движения маятника Максвелла.
9. Определение момента инерции маховика.
10. Определение момента инерции трубы и изучение теоремы Штейнера.
11. Изучение динамики поступательного и вращательного движения с помощью прибора Атвуда.
12. Определение момента инерции плоского физического маятника.
13. Определение удельной теплоты кристаллизации и изменения энтропии при охлаждении сплава олова.
14. Определение молярной массы воздуха.
15. Определение отношения теплоемкостей Сp/Cv газов.
16. Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха.
17. Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса.
Электричество и магнетизм
1. Исследование электрического поля с помощью электролитической ванны.
2. Определение электрической емкости конденсатора баллистическим гальванометром.
3. Весы напряжения.
4. Определение емкости коаксиального кабеля и плоского конденсатора.
5. Изучение диэлектрических свойств жидкостей.
6 Определение диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика.
7. Изучение электродвижущей силы методом компенсации.
8 Определение индукции магнитного поля измерительным генератором.
9. Измерение индуктивности системы катушек.
10. Изучение переходных процессов в цепи с индуктивностью.
11. Измерение взаимной индуктивности.
12. Изучение кривой намагничивания железа по методу Столетова.
13. Ознакомление с осциллографом и изучение петли гистерезиса.
14. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона.
Волновая и квантовая оптика
1. Измерение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля.
2. Определение длины волны света методом колец Ньютона.
3. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки.
4. Изучение дифракции в параллельных лучах.
5. Изучение линейной дисперсии спектрального прибора.
6. Изучение дифракции Фраунгофера на одной и двух щелях.
7. Экспериментальная проверка закона Малю.
8. Исследование линейных спектров испускания.
9 Изучение свойств лазерного излучения.
10 Определение потенциала возбуждения атомов по методу Франка и Герца.
11. Определение ширины запрещенной зоны кремния по красной границе внутреннего фотоэффекта.
12 Определение красной границы фотоэффекта и работы выхода электрона из металла.
13. Измерение температуры спирали лампы с помощью оптического пирометра.

Хроматографические методы анализа: качественный и количественный анализ, история возникновения

Главная
/ Статьи / Хроматографические методы анализа

Хроматография применяется для анализа сложных многокомпонентных смесей. Хроматографические методы определяют качественный и количественный состав органических веществ, включая летучие углеводороды и биологические жидкости. Фармацевтика, медицина, нефтеперерабатывающий комплекс, химическое производство и другие промышленные отрасли используют хроматографы для контроля качества сырья и готовой продукции, а также обеспечивают с их помощью соблюдение норм экологической безопасности.

Широкое распространение хроматографических методов анализа обусловлено их разнообразием и спецификой, которые раскрываются в данной статье:

Общие сведения о хроматографии

Хроматографические методы анализа основаны на цикличных актах сорбции‑десорбции, происходящих между подвижной фазой (элюентом) с растворенной пробой и неподвижным сорбентом. Компоненты сложных смесей имеют различную сорбируемость, и проходя вдоль неподвижной фазы, поглощаются с неодинаковой скоростью и в разном количестве. Последующее изучение результатов и их сравнение с эталоном позволяет установить точный состав реактива.

В традиционном методе в качестве неподвижной фазы используется материал с развитой поверхностью, а элюентом выступает поток инертного газа или жидкости. Фильтрация элюента через слой сорбента запускает многократное повторение сорбции и десорбции, что и отличает хроматографические методы анализа от других аналитических методик и обуславливает их эффективность.

Качественный и количественный анализ

Хроматографические методы анализа устанавливают качественный и количественный состав вещества. При качественных испытаниях пробу идентифицируют по ее хроматограмме, сравнивая полученные параметры с эталонными значениями, хранящимися в библиотеке данных.

Количественный метод анализа строится на измерении пиков, формирующихся в зависимости от концентрации примесей. Лаборант изучает хроматограмму одним из следующих методов:

• Метод абсолютной градуировки. Зависимость параметров пика от концентрации разных веществ определяется экспериментально. Затем составляются графики и таблицы, с которыми в последующем и сравнивается хроматограмма. Благодаря простоте и высокой точности, метод является основным для выявления микропримесей.
• Метод внутренней нормализации. Сумма выбранных пиковых параметров (например, их высота или площадь) принимается за 100%. Далее рассчитывается отношение высоты отдельного изучаемого пика к суммарному значению, благодаря чему определяется массовая доля конкретного компонента в пробе.
• Метод внутреннего стандарта. В смесь вводится стандартное вещество, для которого заранее известен калибровочный график. Затем пики изучаемых компонентов сравниваются с пиками «стандарта». Метод применяют в случае исследования составов с переменным, но известным количеством анализируемых компонентов.

Методы постоянно дорабатываются и совершенствуются, что позволяет получать более точные данные при анализе сложных смесей и нивелировать шумы на хроматограммах.

История возникновения метода

Впервые хроматография была описана русским ученым Михаилом Цветом, изучавшим строение хлорофилла. Ботаник предположил, что зеленый пигмент состоит из нескольких отдельных компонентов и нуждался в методе, который позволил бы разделить вещество на составляющие. Для этого он пропустил экстракт хлорофилла через стеклянную колонку, заполненную толченым мелом. Промыв сорбент эфиром, ученый получил несколько зон разного цвета, что позволило подтвердить многокомпонентный состав пробы. Разработанный метод был назван хроматографией.

Цвет описывал принцип хроматографии следующим образом: вещество в подвижной фазе постоянно реагирует с новыми участками адсорбента и частично впитывается, но при этом адсорбированные компоненты «вымываются» свежими порциями поступающего элюента. То есть, ученый открыл только один метод взаимодействия разделяемых компонентов: молекулярную адсорбцию.

Из‑за этого ботаник ошибочно предположил, что основным условием для осуществления хроматографического анализа является разница в адсорбируемости отдельных компонентов. Однако в современной хроматографии помимо молекулярной адсорбции для изучения сложных смесей используются и другие физико‑химические явления. В результате появилось множество хроматографических методов, и для их разграничения была разработана общепринятая классификация.

Классификация хроматографических методов анализа

Хроматографические методы разделяются на несколько групп в зависимости от сравниваемых параметров. По агрегатному состоянию фаз хроматографические методы анализа делятся на:

• Газожидкостные. Подвижной фазой служит поток инертного газа, который проходит через жидкий сорбент.
• Газоадсорбционные. Проба в газообразном состоянии пропускается через твердое вещество, на поверхности которого осуществляется адсорбция.
• Жидкостно‑жидкостные. В качестве элюента и неподвижной фазы используются жидкие среды.
• Жидкостно‑адсорбционные. Реагент подается вместе с растворителем и проходит через твердый пористый материал.
• Жидкостно‑гелевые. В этом методе неподвижная фаза представлена гелеобразным веществом.

Вторая классификация касается конструкции хроматографического оборудования. В большинстве методов применяется колоночный хроматограф: адсорбция осуществляется в колонках, заполненных неподвижной фазой. Но иногда используется плоскостная хроматография, в которой используется тонкий срез сорбента или специальная бумага. Также в последнее время получили распространение капиллярный хроматографический метод, при котором разделение происходит в пленке жидкости, и хроматография в полях, требующая для проведения анализа создания дополнительных магнитных, центробежных или иных сил.

Хроматографические методы анализа отличаются особенностями взаимодействия элюента и адсорбента. По механизмам разделения хроматография делится на:

• адсорбционную — основывается на разнице в адсорбируемости компонентов пробы;
• распределительную — протекает за счет различной растворимости веществ в фазах;
• ионообменную — осуществляется благодаря достижению констант ионообменного равновесия;
• проникающую — строится на разнице в формах и размерах молекул;
• осадочную — происходит благодаря осаждению нерастворимых соединений;
• адсорбционно‑комплексообразовательную — выполняется за счет образования на поверхности неподвижной фазы координационных соединений разной прочности.

Следующая классификация разделяет хроматографические метода анализа на три группы по способам перемещения поглощаемых компонентов вдоль адсорбционного слоя. Выделяют проявительный (или элюентный), фронтальный и вытеснительный методы. Рассмотрим их подробнее.

Методы перемещения пробы в неподвижной фазе

К наиболее простым хроматографическим методам анализа относится фронтальный, при котором роль элюента сведена к минимуму. Предположим, что проба представляет собой растворитель Solv, в котором содержатся два компонента: A и B. Анализируемое вещество непрерывным потоком пропускается через сорбционную колонку. После прохождения через хроматографическое оборудование, измеряется концентрация A и B в выходном растворе и учитывается изначальный объем Solv. На основании полученных данных строится график зависимости, который и является выходной кривой (хроматограммой).

Из‑за поглощения неподвижной фазой компонентов A и B, из колонки сначала будет поступать растворитель, затем вещество с меньшим коэффициентом сорбции (допустим, A), и только потом B. В результате спустя некоторое время из хроматографического оборудования будет поступать раствор с неизменным составом (одинаковой пропорцией Solv, A и B). Данный хроматографический метод анализа применяется не только для изучения сложных веществ, но и для их очистки от примесей, при условии, что они поглощаются лучше, чем основные элементы реагента.

В лабораторных испытаниях чаще всего используется проявительный или элюентный хроматографический метод. Специалист добавляет в колонку пробу реагента Solv c растворенными в нем компонентами A и B, после чего под постоянным давлением подает подвижную фазу. Под воздействием физико‑механических сил происходит разделение состава. Вещество с лучшей сорбируемостью займет верхнюю часть колонки, с меньшей — нижнюю. На выходе из оборудования сначала появится компонент A, затем чистый Solv, потом — элемент B, что и отразится в хроматограмме. Количественный анализ проводится измерением высоты и площади пиков: чем они больше, тем выше концентрация изучаемого вещества в составе.

Главное преимущество элюентного хроматографического метода заключается в возможности разделения сложных многокомпонентных реактивов. Однако при изучении хроматограммы необходимо учитывать снижение концентрации выходящих растворов из‑за разбавления подвижной фазой.

Третий метод — вытеснительный. Он предполагает использование вытеснителя (препарата D), который постоянно воздействует на раствор Solv, введенный в хроматографическую колонку. Коэффициент сорбции D должен быть выше, чем у любых компонентов анализируемой пробы. Благодаря этому препарат постепенно вытесняет вещество с худшей сорбируемостью, что и фиксируется при выходе смеси из колонки. Вытеснительный метод не требует применения газа‑носителя, в результате чего сокращаются издержки на проведение исследований. Однако стоит помнить, что анализ полученных данных затрудняется из‑за наложения зон разных веществ друг на друга, поскольку они не разделяются зоной растворителя.

Метод газожидкостной хроматографии

В аналитической химии широко используется газожидкостный хроматографический метод. Благодаря разнообразию применяемых жидких неподвижных фаз, можно создать оптимальные условия для идентификации практически любого вещества, содержащегося в исследуемой пробе в незначительной концентрации. Это обуславливает универсальность метода. Для этого необходимо правильно настроить хроматографическое оборудование и подобрать неподвижную фазу, отвечающую следующим параметрам:

• высокая способность к растворению элементов, содержащихся в реактиве — в противном случае проба быстро выходит из колонки и не дает достаточный материал для проведения анализа;
• низкая летучесть — во время исследования фаза не должна испаряться, поскольку это осложнит чтение хроматографического графика;
• химическая инертность — адсорбент не должен вступать в реакции с компонентами пробы или газом‑носителем;
• минимальная вязкость — в противном случае замедлится диффузия.

Также для реализации метода важна максимальная разделительная способность компонентов конкретной пробы.

Помимо выбора жидкой среды, в которой будет происходить разделение смеси на отдельные составляющие, во время подготовки хроматографического анализа необходимо подобрать носитель неподвижной фазы. В качестве носителя используется твердый и прочный материал, на котором жидкость образует тонкую однородную пленку. Чаще всего применяется силанизированный хромосорбат, фторуглеродные полимеры и гранулы из высококачественного стекла. Данные носители отличаются следующими преимуществами:

• легко и равномерно смачиваются неподвижной фазой;
• практически не впитывают жидкость, то есть не препятствуют нормальному протеканию реакции между жидкой и газообразной средами;
• не реагируют на повышение температуры в рабочей колонке.

Хроматографические методы анализа, построенные по газожидкостному принципу, относятся к наиболее современным, и применяются в случае необходимости разделения веществ, относящихся к одному классу. Их активно используют в химической и нефтегазовой промышленности для контроля над качеством получаемой продукции. Среди ключевых преимуществ газожидкостного метода анализа можно выделить:

• экспрессность;
• максимальная точность;
• полная автоматизация;
• небольшие затраты на подготовку пробы и проведение исследования.

Для использования метода требуется подобрать не только жидкую среду и ее носитель, но и решить вопрос с непрерывной подачей элюента. Для минимизации расходов к хроматографу подключается генератор газа (например, водорода), который продуцирует нужное количество вещества и отвечает за его равномерную подачу в оборудование.

Жидкостно‑жидкостный хроматографический метод

По технологии выполнения жидкостно‑жидкостный хроматографический метод анализа похож на газожидкостную хроматографию. На твердый носитель наносится жидкая среда, выступающая в роли неподвижной фазы. Для подготовки пробы используется не инертный газ, а раствор.

Изучаемый реагент вместе с потоком жидкого растворителя движется через сорбент, на поверхности которого происходит разделение компонентов. Чаще всего неподвижной фазой заполняют колонку хроматографа, но для некоторых исследований прибегают к методу тонкослойной хроматографии, при котором адсорбентом смачивают специальную бумагу.

Разделение осуществляется за счет распределения веществ между несмешивающимися растворами. То есть, концентрация одного и того же вещества в подвижной и неподвижной фазах будет различаться и зависеть от коэффициента распределения. Значения коэффициента устанавливаются эмпирически для каждого компонента, в результате чего жидкостно‑жидкостные хроматографические методы анализа позволяют с высокой точностью идентифицировать отдельные элементы в сложном составе.

Для успешной реализации метода необходимо правильно выбрать несмешивающиеся фазы. Обычно они подбираются исходя из опыта прошлых анализов. Чаще всего применяются так называемые «тройные системы», в которые включены два несмешивающихся друг с другом растворителя и третья жидкость, растворимая в обеих фазах. Например, это может быть система из несмешивающихся гептанов и воды, в которую вводится хорошо растворимый в обеих средах этанол.

При выборе составов для подвижной и неподвижной фаз, следует учитывать, что их нерастворимость друг в друге относительна, и при проведении исследования вещества будут вступать во взаимодействие (пусть и в незначительном объеме), что сказывается на значениях, которые показывают хроматографические методы анализа. Для минимизации погрешности используется одна из двух технологий: предварительное насыщение подвижной фазы неподвижной или химическое закрепление жидкости на сорбенте.

Эффективность проведенного хроматографического анализа зависит также от выбора носителя для неподвижной фазы. Требования к нему следующие:

• развитая поверхность;
• химическая инертность;
• высокая способность к удержанию жидкости;
• устойчивость к используемым растворителям.

Чаще всего в жидкостно‑жидкостных хроматографических методах исследования в качестве носителя выбирается целлюлоза, фторопласт, силикатные гели или полимеры.

Метод распределительной бумажной хроматографии

Помимо вышеописанных носителей, заполняющих колонки, в распределительных хроматографических методах анализа может использоваться специальная бумага, на которой происходит разделение исследуемых компонентов. Данный метод редко применяется в промышленных масштабах (по сравнению с колоночной хроматографией), но достаточно часто используется в аналитической химии.

Технология проведения бумажного хроматографического анализа предполагает вычисление коэффициента Rf, представляющего собой отношение смещения зоны компонента к смещению фронта раствора. В теории коэффициент зависит только от исследуемого вещества, растворителя и параметров бумаги. Однако в действительности при реализации метода на коэффициент также влияют компоненты, присутствующие в пробе в микроконцентрации, и используемая техника. В результате возникает определенная погрешность, которую необходимо учитывать при расшифровке анализа.

Распределительные хроматографические методы анализа чувствительны к характеристикам используемой бумаги. Она должна соответствовать следующим критериям:

• химическая чистота;
• нейтральность;
• инертность по отношению к реагентам в пробе;
• однородность.

При подборе материала учитывается также ориентация волокон, качество целлюлозы, сорбируемость. Параметры определяют скорость движения раствора и осаждения обнаруживаемых молекул.

В бумажном методе есть еще один нюанс — некоторые вещества могут поменять свойства носителя с гидрофильных на гидрофобные, что полностью нарушит ход эксперимента. В таком случае хроматографическая бумага предварительно пропитывается парафином или растительными маслами.

Растворители в распределительном методе

Большое влияние на точность хроматографических методов анализа оказывает выбранный растворитель. В качестве подвижной фазы необходимо взять жидкость, которая в меньшей степени растворяет обнаруживаемые компоненты, чем неподвижная фаза. Если пренебречь данным условием, метод не сработает: при слишком высокой растворимости проба пройдет вместе с жидкостью, не адсорбируясь на поверхности, при слишком низкой — останется на начальной линии и не даст требуемую для расшифровки градацию.

Если с помощью распределительного метода анализируется водорастворимая смесь, в качестве неподвижной фазы берется очищенная вода, в качестве подвижной — любой удобный органический растворитель. Выбранные жидкости не должны смешиваться, менять свои свойства в процессе исследования, важна их доступность и нетоксичность для человека.

Распределительные хроматографические методы анализа основаны на использовании смешанных фаз: смесей спиртов друг с другом и органическими кислотами, аммиаком, водных растворов фенола или крезола и так далее. Меняя концентрацию, насыщенность и пропорции в растворе удается плавно менять коэффициент Rf, создавать оптимальные условия для анализа, и получать дополнительные данные при расшифровке хроматограммы.

Как и прочие хроматографические методы анализа, бумажная хроматография определяет и качественный, и количественный состав пробы. В первом случае изучается специфическая окраска пятен на хроматограмме и анализируется числовое значение Rf для каждого обнаруживаемого реактива.

Для определения количественного состава смеси исследуется площадь образовавшихся пятен, интенсивность их окраски. Также применяют метод вымывания, при котором каждое цветовое пятно обрабатывают экстрагентом и затем подсчитывают количество вымытого вещества.

Тонкослойный хроматографический метод

Хроматографические методы анализа отличаются информативностью, сложностью проведения и актуальностью для решения практических промышленных задач. Одним из самых распространенных является метод тонкослойной хроматографии (ТСХ), разработанный группой ученых в 1938 году.

Твердая фаза наносится тонким слоем на специально подготовленную стеклянную, металлическую или пластиковую пластину. Затем на ее край лаборант вносит анализируемую пробу и погружает пластинку в жидкий растворитель, выступающий в качестве подвижной фазы. Под действием капиллярных сил исследуемый состав начинает двигаться по сорбенту, разделяясь на свои компоненты. Диффузия в твердом неподвижном слое происходит в двух направлениях: продольном и поперечном, что дает дополнительные сведения для анализа.

Особенность хроматографического метода заключается в относительной простоте исполнения. Для проведения эксперимента требуются:

• Пластинки для твердого адсорбента. Обычно подложки изготавливаются из алюминиевой фольги, полимерной пленки или стекла.
• Сорбент. Чаще других в данном методе применяются сорбенты из силикагеля, крахмала и целлюлозы.
• Растворитель. Выбор подвижной фазы зависит от физико‑химических свойств твердого вещества и исследуемых реагентов. Как и в бумажном методе, допустимо использование многокомпонентных жидкостей.

После окончания работы перед построением хроматографического графика пластинку опрыскивают проявляющим реактивом либо подвергают воздействию ультрафиолета. Затем приступают к определению компонентов пробы и их дальнейшему изучению любым удобным для лаборанта методом.

Качественные и количественные методы анализа в ТСХ

Для качественного исследования пробы одним из самых надежных и показательных является «метод свидетелей». Вместе с составом на линию старта наносятся индивидуальные вещества («свидетели») — предполагаемые компоненты смеси. На все жидкости влияют одинаковые силы, поэтому совпадение коэффициента Rf одного из «свидетелей» с компонентом реагента позволяет предположить наличие в пробе данного вещества.

Что касается количественных определений в данном методе, то они выполняются непосредственно на пластине либо уже после снятия с нее слоя сорбента. В первом случае измеряется площадь цветового пятна и с помощью заранее подготовленного графика вычисляется количество вещества.

Однако более показательным считается спектрофотометрический метод. Сорбент удаляется с пластинки и помещается в специальное оборудование, которое и показывает процентное содержание различных компонентов с высокой точностью.

Ионообменный хроматографический метод

Метод ионообменной хроматографии основан на замене элементарных частиц, входящих в реактив, на атомы, содержащиеся в ионообменнике. Поэтому результативность анализа зависит от параметров используемого оборудования. Современные ионообменники обладают важными преимуществами:

• Высокая обменная емкость.
• Воспроизводимые ионообменные свойства.
• Устойчивость к воздействию кислот и щелочей, любых сильных окислителей.

Для их производства чаще всего используются различные полимерные соединения: например, полистирол с разным набором функциональных групп, определяющим характерные свойства готового материала.

Ионообменный хроматографический метод применяется преимущественно для разделения элементарных частиц, после которого можно провести количественный подсчет анализируемых компонентов. Данная технология используется для обнаружения разнообразных анионов в питьевой и технической воде, продуктах переработки, пищевом, фармацевтическом и химическом сырье. Наиболее показателен метод для определения катионов щелочных и щелочноземельных металлов, и замещенных солей аммония.

Перспективы развития хроматографических методов

Хроматографические методы анализа постоянно совершенствуются и модифицируются. Появляются новые технологии, позволяющие определять компоненты смеси в наноконцентрациях. Благодаря этому удается повысить качество готовой продукции в различных отраслях промышленности, минимизировать экологические риски за счет установления жесткого контроля над составом сточных вод.

Однако возможности хроматографии ограничены не только применяющимися методами, но и используемым оборудованием. Важно, чтобы хроматографы отвечали следующим требованиям:

• Простая подготовка и введение проб.
• Быстрое получение результатов и легкая расшифровка хроматографических графиков.
• Принцип работы, основанный на передовых методах.
• Максимальная точность анализа.
• Нивелирование погрешностей, возникающих из‑за физико‑химических свойств используемых подвижных и неподвижных фаз.
• Минимальные затраты на ввод оборудования в эксплуатацию и его дальнейшее обслуживание.
• Возможность анализа сырья или продукции без прерывания основного технологического процесса.
• Определение широкого спектра соединений, включая летучие углеводороды и другие сложные для обнаружения вещества.
• Быстрое обучение персонала методам работы с лабораторным оборудованием.

Дальнейшее совершенствование хроматографов позволит удешевить хроматографические методы анализа и расширить области их применения. Именно к этому и стремится компания ООО «НПФ Мета‑хром». Мы предлагаем высококлассное оборудование, соответствующее всем стандартам качества. Узнать подробную информацию о методах работы на хроматографах можно у менеджеров по контактному телефону компании или с помощью формы обратной связи в разделе «Контакты».

Радиоактивные вещества в природе — ТАСС

Каждый химический элемент можно сделать радиоактивным, если в ядра атома добавить лишние нейтроны. Или, напротив, убрать часть этих частиц. Один элемент может быть представлен разными атомными ядрами, и эти варианты ядер называют изотопами. Изотопы бывают как стабильными, так и неустойчивыми: при избытке или недостатке нейтронов ядра рано или поздно распадаются и превращаются в ядра других элементов.

Альфа-распад: из ядра атома вылетает альфа-частица, два протона и два нейтрона. Альфа-частицы являются ядрами атома гелия.

Нестабильных, то есть радиоактивных, изотопов на Земле немного: большая их часть успела распасться задолго до появления человека. В природе короткоживущие изотопы получаются в основном в недрах звезд и особенно при вспышках сверхновых, поэтому на Земле до XX века нельзя было найти ни стронция-90, ни йода-131, ни плутония в любом виде. Однако ряд медленно распадающихся изотопов вполне дошел до наших дней.

Калий-40

Калий обычно имеет атомную массу 39. Это значит, что на его 19 протонов (он 19-й в таблице Менделеева) приходится 20 нейтронов — вполне стабильное соотношение. Но кроме калия-39 есть еще калий-40, и вот он уже радиоактивен.

Калий-40 имеет очень большой период полураспада — свыше миллиарда лет. Это значит, что если поместить перед собой атом калия-40 и ждать его превращения в кальций или аргон, то через миллиард лет шанс зафиксировать акт распада составит всего 50%. Другое определение периода полураспада гласит, что это то время, за которое распадется половина ядер. Несмотря на то что ядра калия-40 распадаются крайне редко, большое число этих ядер вокруг нас делает присутствие изотопа вполне заметным.

Пока вы читали абзац выше, у вас в теле произошли десятки тысяч актов распада калия-40. Внутри среднего по величине банана ежесекундно происходит 10-15 распадов, и в связи с этим ученые даже предложили шуточную величину «банановый эквивалент» — доза облучения, сравнимая с эффектом от съеденного банана.

Бананы богаты калием. В том числе и калием-40, который бета-активен. Бета-распад происходит при превращении одного из нейтронов в ядре в протон, электрон и антинейтрино. Электрон в данном случае называют бета-частицей. Фото: Wilfredor / Wikimedia.

При концентрации калия-40 вполне можно получить превышение радиационного фона. Простейший способ собрать побольше калия-40 в одном месте — это собрать золу от сжигания растений. Зачастую кучи золы на садовых участках можно найти при помощи даже простого бытового радиометра. Опасности для здоровья это, впрочем, не представляет.

Углерод-14

Кроме калия-40 в органической материи можно найти еще углерод-14, однако его намного меньше. Он упоминается по единственной причине: углерод-14 позволяет археологам определить возраст находок.

Дело в том, что живое растение поглощает из атмосферы (углекислого газа) как углерод-12, самый распространенный изотоп, так и углерод-14. В момент спиливания древесина содержит изотопы углерода в той пропорции, которая характерна для окружающей среды, но затем углерод-14 постепенно распадается. Аналогично обстоит дело и с животными, которые потребляют растительную пищу: пока они живы, в их теле присутствуют оба изотопа в более или менее естественном соотношении.

Чем меньше осталось углерода-14, тем больше прошло времени. Если объект пролежал в земле дольше 50 тысяч лет, то углерода-14, и без того редкого, становится недостаточно для проведения исследований.

Уран-238, торий-232 и немного урана-235

Химический состав гранитов: натрий, алюминий, кремний, кислород, немного водорода и фтора (в составе биотита. Гранит — это смесь полевого шпата, кварца и биотита). Однако кроме этих основных элементов в граните есть примеси, и среди них особняком выделяются уран и торий. Оба элемента представлены исключительно радиоактивными изотопами, поэтому радиационный фон на гранитных скалах будет выше, чем на сложенной из глины и песка равнине.

При нормальной работе тепловая электростанция на угле выбрасывает в атмосферу больше радиоактивных веществ, чем АЭС такой же мощности. Причина этого в том, что уголь, так же как и гранит, загрязнен ураном и торием.

«Фонят» гранитные плиты, которыми облицованы многие здания, станции метро и набережные. Как и в случае с калием-40 в золе, найти такой гранит можно обычным бытовым радиометром, и говорить об опасности для человека в данном случае не приходится. Есть целые горные массивы, где фон в разы больше, чем на равнине, однако врачи не замечают в таких местах роста заболеваемости.

Важно подчеркнуть, что облучение от гранитной плиты снизу или сбоку к тому же обладает намного меньшим биологическим эффектом, чем попадание радиоактивных изотопов внутрь тела. Гранит несъедобен и прямой угрозы не несет, разве что упадет сверху. Плотность и твердость минерала обычно угрожают человеку куда больше, чем бета- и гамма-активность.

Радон-222

Сказанное выше про гранит предполагает, что вы не проводите много времени в подвальных помещениях в местности с выходом гранита на поверхность. При распаде ядер урана в этом минерале образуется в том числе радиоактивный газ радон, а вот он уже, как показали наблюдения медиков, способен вызвать рак легких. Точнее сказать, у людей, которые работают или живут в помещениях с повышенным содержанием радона, риск рака легких выше, чем в среднем по населению.

По оценкам британских специалистов-онкологов, радон — вторая после курения причина рака легких. Несмотря на то что радон дает альфа-излучение, которое можно задержать даже картоном или фольгой, он намного опаснее всех перечисленных в этой статье изотопов. Причина — радон попадает с воздухом в легкие и облучает их изнутри.

Так выглядит обогащенный, то есть с повышенным содержанием урана-235, уран. Вопреки расхожему мнению, уран не настолько опасен, чтобы к нему нельзя было даже подойти. Намного страшнее отработанное ядерное топливо с изотопами

Единственная эффективная мера защиты против радона заключается в хорошей вентиляции. Газ проникает в здания из строительных материалов или недр земли, но при постоянной смене воздуха не успевает накапливаться в опасных количествах.

В начале XX века радоновое облучение медики считали «стимулирующим», но в наши дни радоновые ванны в большинстве стран мира (Россия тут — одно из немногих исключений) признаны как минимум бесполезными.

Попробуй себя в диаграммах

Сегодня исполняется 100 лет со дня рождения Ричарда Фейнмана — одного из самых известных в популярной культуре физиков ХХ века. Кто-то знает его как эксцентричного нобелевского лауреата и любителя поиграть на бонго, кто-то — как автора великолепных лекций по физике. Но большинство, наверное, ценит Фейнмана за его выдающийся вклад в теоретическую физику и заразительную энергию, которую он привносил в свою работу.

Одним из самых известных и наглядных произведений Фейнмана стали диаграммы, описывающие взаимодействие элементарных частиц и впоследствии названные его именем. С их помощью можно записать довольно сложные процессы и превращения в виде наглядных схем. Каждая фейнмановская диаграмма устроена так:

1. На рисунке предполагается наличие оси времени, обычно она идет или снизу вверх, или слева направо. Считается, что все частицы, участвующие в процессе, движутся вдоль этой оси: «обычные» частицы — в положительном направлении, античастицы — в отрицательном (поверьте, так нагляднее).
2. Частица или частицы, участвующие в процессе, обозначаются прямыми стрелками. Отдельное обозначение существует для бозонов — переносчиков самого взаимодействия. Они изображаются волнистыми линиями.
3. Точками (вершинами) на диаграмме обозначается непосредственно момент взаимодействия. Важное правило: в одну точку входит максимум одна частица и выходит из нее также одна частица. Вершины, как правило, связаны между собой тем самым переносчиком взаимодействия, бозоном, то есть волнистой линией.

Давайте попробуем теперь разобраться во всем этом на простых примерах:

1. Какой процесс описывается этой фейнмановской диаграмой?

1. Ну, тут все просто: раз стоит греческая буква гамма, значит, это гамма-распад. Какой-нибудь иод-131.

2. Да это же халкинг (hulking)! Редкий процесс, им одна группа в ЦЕРНе занимается, недавно еще новость была.

3. Это отталкивание двух электронов, только и всего.

Правильно!

На этой диаграмме действительно изображено отталкивание двух электронов: оба они движутся в положительном направлении во времени, а переносчиком их взамодействия (электромагнитного) является фотон, который в физике элементарных частиц обычно обозначают греческой гаммой. На выходе из процесса мы видим все те же два электрона, так как никаких превращений в этом случае не происходит. А никаким халкингом, конечно, в ЦЕРНе не занимаются. К нашему большому сожалению.

Неправильно!

На этой диаграмме действительно изображено отталкивание двух электронов: оба они движутся в положительном направлении во времени, а переносчиком их взамодействия (электромагнитного) является фотон, который в физике элементарных частиц обычно обозначают греческой гаммой. На выходе из процесса мы видим все те же два электрона, так как никаких превращений в этом случае не происходит. А никаким халкингом, конечно, в ЦЕРНе не занимаются. К нашему большому сожалению.

2. Хорошо, давайте что-то посложнее. Вот вам сразу две диаграммы. Что происходит слева, а что — справа?

1. Слева — электрон взаимодействует с позитроном, просто притягиваются. А справа аннигиляция с последующим образованием пары.

2. Слева и справа одно и то же, только слева перепутаны буквы, а справа буквы в порядке, но ось неправильно нарисована. А процесс и там и там — аннигиляция электрона и позитрона.

3. Это хитрая попытка убедить читателей в существовании антиматерии. На самом деле «положительного электрона» не существует, это всего лишь теоретическая модель, которую опровергли, когда открыли бозон Хиггса. Yeah, science!

Правильно!

На обеих диаграммах показано взаимодействие электрона с его античастицей — позитроном (конечно же, антиматерия существует). Только слева — их притяжение до аннигиляции (почти такое же, как отталкивание двух электронов в прошлом вопросе), а справа — сама аннигиляция, в ходе которой образуются два фотона. А поскольку обратный процесс (рождение электрон-позитронной пары из фотонов) выглядит точно так же, он тоже изображен на диаграмме.

Неправильно!

На обеих диаграммах показано взаимодействие электрона с его античастицей — позитроном (конечно же, антиматерия существует). Только слева — их притяжение до аннигиляции (почти такое же, как отталкивание двух электронов в прошлом вопросе), а справа — сама аннигиляция, в ходе которой образуются два фотона. А поскольку обратный процесс (рождение электрон-позитронной пары из фотонов) выглядит точно так же, он тоже изображен на диаграмме.

3. Хватит с нас пока электронов, давайте что-то посложнее. Это что за безобразие?

1. Вовсе даже не безобразие, а бета-распад. Протон (а точнее, один из его u-кварков) превращается в нейтрон (в d-кварк, ну, вы поняли).

2. Это «белый распад»: протон взаимодействует с анти-нейтроном с образованием белого карлика (W+). А дальше, как на предыдущей картинке, возможен следующий переход с образованием нейтрино и позитрона.

3. Вообще, похоже на бета-распад, только вы зачем-то перепутали знак у бета-частицы — это же электрон, а не позитрон, должен быть знак «минус».

Правильно!

Это бета-распад, просто не β^—, а β⁺. Он происходит в результате слабого взаимодействия, поэтому переносчиком является W⁺ бозон — тяжеленный и короткоживущий. А в результате образуется позитрон (положительная бета-частица) и нейтрино. Без последнего никуда — иначе не сохраняется лептонное число: 0 (протон) = 0 (нейтрон) + (-1) (позитрон) + 1 (нейтрино). (Кстати, белый карлик — это немножко не элементарная частица, а звезда.)

Неправильно!

Это бета-распад, просто не β^—, а β⁺. Он происходит в результате слабого взаимодействия, поэтому переносчиком является W⁺ бозон — тяжеленный и короткоживущий. А в результате образуется позитрон (положительная бета-частица) и нейтрино. Без последнего никуда — иначе не сохраняется лептонное число: 0 (протон) = 0 (нейтрон) + (-1) (позитрон) + 1 (нейтрино). (Кстати, белый карлик — это немножко не элементарная частица, а звезда.)

4. Раз уж мы о бета-распаде, а вот такое бывает?

1. Ну вы лептонные числа-то посчитайте, алё. Конечно, не бывает, должно быть еще два антинейтрино!

2. Безусловно, бывает. Это двойной безнейтринный бета-распад, отдушина всех критиков Стандартной модели. Свободу лептонам!

3. Понятия не имею, честно говоря. Куча народу это исследует, кто-то говорит, что бывает, кто-то — что нет. Пока непонятно.

Правильно!

Несмотря на то, что уже лет двадцать как начали поступать сообщения об экспериментальном наблюдении двойного безнейтринного бета-распада (он и правда так называется), они все подвергались критике, поэтому на сегодняшний день мы не можем точно сказать, возможен ли подобный процесс. Если возможен (например, если окажется, что нейтрино является античастицей по отношению к самой себе), то это открывает массу перспектив. Так что ждем.

Неправильно!

Несмотря на то, что уже лет двадцать как начали поступать сообщения об экспериментальном наблюдении двойного безнейтринного бета-распада (он и правда так называется), они все подвергались критике, поэтому на сегодняшний день мы не можем точно сказать, возможен ли подобный процесс. Если возможен (например, если окажется, что нейтрино является античастицей по отношению к самой себе), то это открывает массу перспектив. Так что ждем.

5. И напоследок: правда ли, что существует термин «пингвинья диаграмма» (penguin diagram), потому что физик, изучавший подобные циклические процессы, накурился и разглядел в диаграмме силуэт пингвина?

1. Это уже перебор, знаете ли. Конечно нет. Хотя такие диаграммы действительно встречаются, к пингвинам они отношения не имеют.

2. Это и вправду называется пингвиньей диаграммой, но вещества тут ни при чем, просто автор проиграл спор и был вынужден использовать в своей следующей статье по физике частиц слово «пингвин».

3. На самом деле, автор и проиграл спор, и оказался «под воздействием». Чего только не бывает в мире теоретической физики!

Правильно!

Эту историю рассказал сам автор термина, Джон Эллис (например, вот тут), а произошла она в 1977 году. Подробнее об этих циклических диаграммах очень интересно пишет в своем блоге Флип Танедо, сотрудник Калифорнийского университета в Риверсайде.

Неправильно!

Эту историю рассказал сам автор термина, Джон Эллис (например, вот тут), а произошла она в 1977 году. Подробнее об этих циклических диаграммах очень интересно пишет в своем блоге Флип Танедо, сотрудник Калифорнийского университета в Риверсайде.

Поздравляем, ваш результат:

из

Антитеоретик

Физика частиц — не ваша стезя, попробуйте игру на бонго!

Поделиться результатами

Поздравляем, ваш результат:

из

Теоретик-любитель

Вы явно провели не один час за фейнмановскими лекциями, но вам еще есть куда стремиться!

Поделиться результатами

Поздравляем, ваш результат:

из

Физик-ядерщик

Поздравляем, ваше тотемное животное — Большой адронный коллайдер. Знаний об элементарных частицах вам явно не занимать.

Поделиться результатами

Ядерные технологии на службе продовольствия и сельского хозяйства: семь примеров

Как ядерные исследования помогают накормить мир

27 Sep 2017

В целом ряде наиболее инновационных способов усовершенствования агротехники задействована ядерная технология. В применяемых в сельском хозяйстве ядерных технологиях используются радиоизотопные методы для борьбы с вредителями и болезнями, улучшения возделывания культур, защиты земельных и водных ресурсов, обеспечения безопасности и аутентичности пищевых продуктов и увеличения производства продуктов животноводства.

ФАО и Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) более 50 лет работают над расширением знаний и наращиванием потенциала в этой области.  И результаты их работы  привели к некоторым крупным достижениям в различных странах мира.

Вот всего семь примеров того, как ядерная технология совершенствует сельское хозяйство.

1.       Производительность в животноводстве и ветеринария

Ядерные и связанные с атомной энергией технологии совершили настоящий прорыв в повышении производительности в животноводстве, контроле и профилактике трансграничных болезней животных и охране окружающей среды.

Например, в Камеруне ядерные технологии успешно применяются в зоотехнике, разведении домашних животных, программах искусственного осеменения и контроля заболеваний. Скрестив Bos indicus и Bos taurus (две местных породы скота), фермерам удалось увеличить надои втрое — с 500 до 1 500 литров – и получить в фермерских хозяйствах дополнительно 110 млн долл. США доходов в год.  Еще одна программа позволила радикально сократить случаи заболевания бруцеллезом (Brucellosis), очень заразным зоонозом, или болезнью, передаваемой от животных людям в случае употребления ими непастеризованного молока или недостаточно проваренного мяса зараженных животных.  

2.       Улучшение почвенного и водного баланса

В различных странах ядерные технологии сегодня применяются для поддержания здоровья почвенных и водных систем, играющих наиважнейшую роль в обеспечении продовольственной безопасности для растущего населения планеты.

Например, в Бенине программа с участием 5 000 сельских фермеров позволила повысить на 50% урожайность кукурузы и снизить количество вносимых удобрений на 70% благодаря использованию методов, способствующих фиксации азота. Аналогичным образом, ядерные технологии позволяют семьям масаев в Кении организовать мелкомасштабное орошение, удвоив урожайность овощных культур, используя при этом только 55% воды, обычно уходящей при традиционном ручном поливе.

3.       Борьба с вредителями

Техника использования стерильных насекомых (ТСН) с использованием ядерных технологий состоит в том, чтобы массово производить и стерилизовать мужские особи насекомых, а затем выпускать их в зараженные вредителями районы. Этот метод позволяет подавлять и постепенно ликвидировать уже заведшихся вредителей или предотвращать занесение инвазивных видов вредителей – и это безопаснее для окружающей среды и человеческого здоровья, чем обычные пестициды.

Правительствами Гватемалы, Мексики и США ТСН используется не одно десятилетие для профилактики распространения на север, на территорию Мексики и США, средиземноморской плодовой мушки. Помимо этого, Гватемала еженедельно отправляет сотни миллионов стерильных мужских особей  средиземноморской плодовой мушки в Калифорнию и Флориду в США для защиты ценных культур, например, цитрусовых фруктов.  Это идеальный метод контроля рождаемости среди насекомых, так как стерильные мужские особи не могут размножаться.

4.       Безопасность пищевых продуктов

Системы контроля безопасности и качества пищевых продуктов на национальном уровне должны отличаться устойчивостью для того, чтобы способствовать торговле безопасными продуктами питания и противодействовать фальсификации пищевых продуктов, из-за которой ежегодно пищевая отрасль терпит убытки в размере 15 млрд долл. США.  

Ядерные технологии помогают национальным органам более чем в 50 странах повышать безопасность пищевых продуктов путем устранения проблемы вредных остаточных веществ и загрязнителей в пищевых продуктах и совершенствования собственных систем прослеживания с помощью анализа стабильных изотопов. Например, научные программы в Пакистане, Анголе и Мозамбике теперь позволяют делать анализы на наличие остаточных примесей ветеринарных лекарств и загрязнителей в продуктах животноводства. Уже сегодня почти 50 пакистанских организаций, занимающихся производством и экспортом  продовольствия, имеют возможность пользоваться новыми лабораторными мощностями для проведения анализов, которые позволяют добиваться соответствия международным пищевым стандартам и улучшать репутацию страны в международной торговле продовольствием.

5.       Реагирование на чрезвычайные ситуации

Радиоактивность присутствует во всем, что нас окружает:  от солнца до почвы. Но в случае ядерной аварии или чрезвычайной ситуации критически важным становится понимание того, как радиоактивность распространяется в окружающей среде, чтобы предотвратить или снизить последствия ее воздействия на сельскохозяйственные продукты.

Во время аварии на атомной станции в Японии в 2011 году ФАО и МАГАТЭ составили подробную и авторитетную базу данных о продовольствии, зараженном радиоизотопами.  Эта база данных использовалась при обмене информацией и содействовала правильному выбору последующих мер, направленных на защиту потребителей, агропродовольственного сектора и мира в целом.

6.       Адаптация к изменению климата

В сельскохозяйственном секторе ядерные и связанные с ними технологии используются для адаптации к изменению климата путем устойчивого повышения эффективности потребления ресурсов и производительности. 

Основанная на ядерных технологиях программа скрещивания пород в Буркина-Фасо служит прекрасным примером помощи фермерам в выведении более продуктивных и устойчивых к воздействию климата животных. Программа основывается на генетических оценках, проводимых в четырех национальных лабораториях, где ученые также могут пользоваться смежными технологиями для получения лизунца для скота, который обеспечивает более крупных и продуктивных животных всеми необходимыми питательными веществами. 

7.       Предупреждение сезонного голодания

Селекционные программы в растениеводстве задействуют ядерные технологии с тем, чтобы помочь уязвимым странам добиваться продовольственной безопасности, адаптироваться к изменению климата и даже справляться с сезонным голоданием. Новые мутантные сорта культур имеют сокращенный процесс роста, благодаря чему фермеры в течение урожайного сезона могут провести дополнительную высадку растений.

Последние годы фермеры на севере Бангладеш используют быстро созревающий усовершенствованныйсорт риса под названием Binadhan-7. Этот сорт созревает на 30 дней быстрее обычного риса, позволяя фермерам в течение одного сезона собрать урожай других культур и овощей.  Благодаря Binadhan-7 и другим факторам производство риса в Бангладеш выросло с 26,8 млн тонн в  2003-2004 году до 33,8 млн тонн в 2012-2013 году.

Что такое определение «материи» в физике?

У материи есть много определений, но наиболее распространенным является то, что это любая субстанция, имеющая массу и занимающая пространство. Все физические объекты состоят из материи в форме атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов.

Идея о том, что материя состоит из строительных блоков или частиц, возникла у греческих философов Демокрита (470–380 до н.э.) и Левкиппа (490 до н.э.).

Примеры материи (и того, что не имеет значения)

Материя состоит из атомов.Самый основной атом, изотоп водорода, известный как протий, представляет собой отдельный протон. Итак, хотя некоторые ученые не всегда считают субатомные частицы формой материи, вы можете считать Протий исключением. Некоторые люди считают электроны и нейтроны также формами материи. В противном случае любое вещество, построенное из атомов, состоит из материи. Примеры включают:

• Атомы (водород, гелий, калифорний, уран)
• Молекулы (вода, озон, газообразный азот, сахароза)
• Ионы (Ca ²⁺ , SO ₄ ^2- )
• Полимеры и макромолекулы (целлюлоза, хитин, белки, ДНК)
• Смеси (масло и вода, соль и песок, воздух)
• Сложные формы (стул, планета, мяч)

Хотя протоны, нейтроны и электроны являются строительными блоками атомов, сами эти частицы основаны на фермионах.Кварки и лептоны обычно не считаются формами материи, хотя они соответствуют определенным определениям этого термина. На большинстве уровней проще всего просто сказать, что материя состоит из атомов.

Антивещество по-прежнему остается материей, хотя частицы уничтожают обычную материю, когда соприкасаются друг с другом. Антивещество существует на Земле естественным образом, хотя и в очень малых количествах.

Кроме того, есть вещи, которые либо не имеют массы, либо, по крайней мере, не имеют массы покоя. Вещи, которые не имеют значения, включают:

• Свет
• Звук
• Тепло
• Мысли
• Мечты
• Эмоции

Фотоны не имеют массы, поэтому они являются примером чего-то в физике, что не состоит из материи.Они также не считаются «объектами» в традиционном смысле, поскольку не могут существовать в стационарном состоянии.

Фазы материи

Материя может существовать в различных фазах: твердой, жидкой, газовой или плазменной. Большинство веществ могут переходить между этими фазами в зависимости от количества тепла, которое материал поглощает (или теряет). Существуют дополнительные состояния или фазы материи, включая конденсаты Бозе-Эйнштейна, фермионные конденсаты и кварк-глюонную плазму.

Материя против массы

Обратите внимание: хотя материя имеет массу, а массивные объекты содержат материю, эти два термина не совсем синонимичны, по крайней мере, в физике.Материя не сохраняется, в то время как масса сохраняется в закрытых системах. Согласно специальной теории относительности, вещество в замкнутой системе может исчезнуть. С другой стороны, масса, возможно, никогда не создавалась и не разрушалась, хотя ее можно преобразовать в энергию. Сумма массы и энергии остается постоянной в замкнутой системе.

В физике один из способов отличить массу от материи — определить материю как вещество, состоящее из частиц, обладающих массой покоя. Тем не менее, в физике и химии материя проявляет дуальность волна-частица, поэтому она обладает свойствами как волн, так и частиц.

Что такое материя? Определение и примеры

Материя имеет массу и занимает объем.

Что такое материя? В науке материя определяется как любое вещество, имеющее массу и занимающее пространство. По сути, это все, к чему можно прикоснуться. Тем не менее, есть также явления, которые не являются материей, такие как свет, звуки и другие формы энергии. Пространство, лишенное всякой материи, называется вакуумом.

Примеры материи

Все, что вы можете потрогать, ощутить на вкус или понюхать, состоит из материи.Примеры включают:

• Атомы
• Ионы
• Молекулы
• Мебель
• Люди
• Растения
• Вода
• Камни

Вы можете наблюдать вещи, которые не имеют значения. Обычно это формы энергии, такие как солнечный свет, радуга, мысли, эмоции, музыка и радиоволны.

Состояния вещества

Материю можно определить по ее химическому составу и состоянию. Состояния вещества, встречающиеся в повседневной жизни, включают твердые тела, жидкости, газы и плазму.Другие состояния вещества существуют около абсолютного нуля и при чрезвычайно высоких температурах.

• Твердое тело — Состояние вещества определенной формы и объема. Частицы плотно упакованы. Пример: Лед
• Жидкость — Состояние вещества с определенным объемом, но без определенной формы. Пространство между частицами позволяет этой форме материи течь. Пример: Вода
• Газ — Состояние вещества без определенного объема или формы. Частицы могут адаптироваться к размеру и форме своего контейнера.Пример: Водяной пар в облаках

Разница между материей и массой

Термины «материя» и «масса» связаны, но не означают одно и то же. Масса — это мера количества вещества в образце. Например, у вас может быть блок углерода. Он состоит из атомов углерода (форма вещества). Вы можете использовать весы для измерения массы блока, чтобы получить массу в граммах или фунтах. Масса — это свойство образца вещества.

Из чего сделана материя?

Материя состоит из строительных блоков.В химии атомы и ионы — это мельчайшие единицы вещества, которые нельзя расщепить никакими химическими реакциями. Но ядерные реакции могут разбивать атомы на их субъединицы. Основные субъединицы атомов и ионов — протоны, нейтроны и электроны. Число протонов в атоме определяет его элемент.

Протоны, нейтроны и электроны — это субатомные частицы, но есть еще меньшие единицы вещества. Протоны и нейтроны — это примеры субатомных частиц, называемых барионами, которые состоят из кварков.Электроны являются примерами субатомных частиц, называемых лептонами. Итак, в физике материя определяется как состоящая из лептонов или кварков.

Материя против антиматерии

Антивещество состоит из античастиц. Антивещество по-прежнему остается материей, но в то время как обычная материя состоит из лептонов и барионов с положительным числом, антивещество состоит из лептонов и барионов с отрицательным числом. Итак, есть антиэлектроны (называемые позитронами), антипротоны и антинейтроны.

Антивещество встречается в мире.Например, удары молнии, радиоактивный распад и космические лучи производят антивещество. Когда антивещество сталкивается с обычным веществом, они аннигилируют друг с другом, высвобождая много энергии. Но это не событие конца вселенной, которое вы видите в научной фантастике. Так происходит все время.

Материя против темной материи

Материю, состоящую из протонов, нейтронов и электронов, иногда называют обычной материей. Точно так же вещество, состоящее из лептонов или кварков, является обычным веществом. По оценкам ученых, около 4% Вселенной состоит из обычного вещества.Около 23% состоит из темной материи и 73% состоит из темной энергии. Самое простое определение темной материи — это то, что она состоит из небарионных частиц.

Темная материя — это одна из форм того, что физики называют «экзотической материей». Могут существовать и другие типы темной материи, потенциально с причудливыми свойствами, такими как отрицательная масса!

Ссылки

• де Подеста, М. (2002). Понимание свойств материи (2-е изд.). CRC Press. ISBN 978-0-415-25788-6.
• Олмстед, Дж.; Уильямс, Г. (1996). Химия: молекулярная наука (2-е изд.). Джонс и Бартлетт. ISBN 978-0-8151-8450-8.
• Цан, Калифорния (2012). «Отрицательные числа и частицы антивещества». Международный журнал современной физики E. 21 (1): 1250005–1–1250005–23. DOI: 10.1142 / S021830131250005X

Что такое материя? — Определение с сайта WhatIs.com

Материя — это инерционное вещество, занимающее физическое пространство. Согласно современной физике, материя состоит из различных типов частиц, каждая из которых имеет массу и размер.

Самыми известными примерами материальных частиц являются электрон, протон и нейтрон. Комбинации этих частиц образуют атомы. Существует более 100 различных видов атомов, каждый из которых представляет собой уникальный химический элемент. Комбинация атомов образует молекулу. Атомы и / или молекулы могут соединяться вместе с образованием соединения.

Материя может существовать в нескольких состояниях, также называемых фазами. Три наиболее распространенных состояния известны как твердое, жидкое и газообразное. Один элемент или соединение материи может существовать более чем в одном из трех состояний, в зависимости от температуры и давления.Менее знакомые состояния вещества включают плазму, пену и конденсат Бозе-Эйнштейна. Эти состояния возникают при особых условиях.

Различные виды веществ могут объединяться с образованием веществ, которые могут не походить ни на один из исходных ингредиентов. Например, водород (газообразный элемент) и кислород (другой газообразный элемент) объединяются с образованием воды (жидкого соединения при комнатной температуре). Процесс такого сочетания называется химической реакцией. Химическая реакция включает взаимодействия между электронами атомов, но не влияет на ядра атомов.

В некоторых ситуациях материя превращается в энергию с помощью атомных реакций, также известных как ядерные реакции. Этот тип реакции принципиально отличается от химической реакции, поскольку он включает изменения ядер атомов. Самый распространенный пример атомной реакции — это синтез водорода, происходящий внутри Солнца. Огромное давление внутри Солнца и внутри других звезд заставляет атомы водорода вместе образовывать атомы гелия. В этом процессе часть массы преобразуется в энергию по формуле

.

E = мк ²

, где E — энергия в джоулях, m — масса в килограммах и c — скорость света, которая приблизительно равна 2.99792 x 10 ⁸ метров в секунду в вакууме.

В последние годы ученые подтвердили существование вещества под названием антивещество. У электрона есть двойник-античастица, называемый позитроном, с равной массой, но противоположным электрическим зарядом. Точно так же у протона есть двойник из антивещества, называемый антипротоном, а у нейтрона есть двойник из антивещества, называемый антинейтроном. Если частица вещества встречает свою античастицу, обе они полностью преобразуются в энергию в соответствии с приведенной выше формулой, где m — это общая масса частицы и античастицы.Небольшие количества антивещества были выделены в лабораторных условиях, но никому еще не удалось создать контролируемую реакцию вещества / антивещества или даже неконтролируемую реакцию значительного размера.

Факты, рабочие листы и информация о материи и энергии для детей

Не готовы приобрести подписку? Нажмите, чтобы загрузить бесплатный образец. Загрузить образец

Загрузить этот образец

Этот образец предназначен исключительно для участников KidsKonnect!
Чтобы загрузить этот рабочий лист, нажмите кнопку ниже, чтобы зарегистрироваться бесплатно (это займет всего минуту), и вы вернетесь обратно на эту страницу, чтобы начать загрузку!

Зарегистрируйтесь

Уже зарегистрировались? Авторизуйтесь, чтобы скачать.

Материя — это субстанция, из которой сделан весь материал. Это означает объекты, обладающие массой. Энергия используется в науке, чтобы описать, насколько физическая система может измениться. В физике энергия — это свойство материи. Его можно передавать между объектами и преобразовывать в форму. Его нельзя создать или уничтожить.

См. Файл фактов ниже для получения дополнительной информации о материи и энергии или, альтернативно, вы можете загрузить наш полный пакет рабочих таблиц для использования в классе или домашней среде

• Все во Вселенной состоит из материи и энергии.
• Материя — это все, что имеет массу и занимает пространство.
• Материя описывает физические вещи вокруг нас: землю, воздух, которым вы дышите, ваш карандаш. Материя состоит из частиц, называемых атомами и молекулами. Атомы — это частицы элементов — веществ, которые не подлежат дальнейшему расщеплению.
• В настоящее время известно 109 элементов, но очевидно, что во Вселенной более 109 различных веществ. Это потому, что атомы элементов могут соединяться друг с другом, образуя соединения.
• Существует 4 основных состояния материи: твердое, жидкое, газовое и плазменное.
• Энергия — это способность вызывать изменения или выполнять работу.
• Некоторые формы энергии включают световую, тепловую, химическую, ядерную, электрическую и механическую энергию.
• Есть два основных типа энергии: потенциальная и кинетическая. Потенциальная энергия — это запасенная энергия, а кинетическая энергия — это используемая энергия.
• Чтобы электрическая энергия могла течь, она должна пройти полный путь через цепь.
• Темная материя — это материал, который нельзя обнаружить по испускаемому им излучению, но о наличии которого можно судить по гравитационным эффектам на видимое вещество, такое как звезды и галактики. Темная энергия или отрицательная энергия — это энергия космоса.

Для получения дополнительной информации посетите A Level Chemistry.

Рабочие листы по Материи и Энергии

Этот комплект содержит 11 готовых к использованию Рабочих листов по Материи и Энергии , которые идеально подходят для студентов, которые хотят больше узнать о Материи, которая является субстанцией, из которой состоит весь материал.Это означает объекты, обладающие массой. Энергия используется в науке, чтобы описать, насколько физическая система может измениться. В физике энергия — это свойство материи.

Download включает в себя следующие рабочие листы:

• Факты о материи и энергии
• Материя и энергия Истина или ложь
• Твитнуть
• Word Jumble
• Укажите состояние
• Let’s Play Ball
• Old to New
• Dark Matter Художественная литература
• Да будет свет
• Энергия на каждый день
• Next Big Thing

Ссылка / цитирование этой страницы

Если вы ссылаетесь на какой-либо контент на этой странице на своем собственном веб-сайте, используйте приведенный ниже код для цитирования этой страницы как первоисточник.

Факты и рабочие листы о материи и энергии: https://kidskonnect.com — KidsKonnect, 13 ноября 2017 г.

Ссылка будет отображаются в виде фактов и рабочих листов о материи и энергии: https://kidskonnect.com — KidsKonnect, 13 ноября 2017 г.

Использование с любой учебной программой

Эти рабочие листы были специально разработаны для использования с любой международной учебной программой. Вы можете использовать эти рабочие листы как есть или редактировать их с помощью Google Slides, чтобы сделать их более конкретными в соответствии с вашими уровнями способностей учащихся и стандартами учебной программы.

Сохранение материи при физических и химических изменениях

Материя составляет все видимое в известной вселенной — от портативных машин до сверхновых. Поскольку материя никогда не создается и не разрушается, она проходит через наш мир.

Атомы, которые были в динозавре миллионы лет назад — и в звезде за миллиарды лет до этого — могут находиться внутри вас сегодня.

Крошечные частицы, называемые атомами, являются основными строительными блоками всей материи.Атомы могут объединяться с другими атомами с образованием молекул.

Закон сохранения массы

Материя — это все, что имеет массу и занимает пространство. Он включает в себя молекулы, атомы, элементарные частицы и любое вещество, из которого состоят эти частицы. Материя может изменять форму посредством физических и химических изменений, но посредством любого из этих изменений материя сохраняется. Одно и то же количество материи существует до и после изменения — ни одна не создается и не уничтожается. Эта концепция называется Законом сохранения массы.

При физическом изменении физические свойства вещества могут измениться, но его химический состав — нет. Например, вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Вода — единственное известное на Земле вещество, которое в природе существует в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Чтобы переключаться между этими состояниями, вода должна претерпевать физические изменения. Когда вода замерзает, она становится твердой и менее плотной, но химически остается прежней. До и после изменения присутствует одинаковое количество молекул воды.Химические свойства воды остаются неизменными.

Как производится вода

Однако для образования воды атомы водорода и кислорода должны претерпевать химические изменения. Чтобы произошло химическое изменение, связи между атомами должны разорваться или образоваться. Это изменяет химические свойства задействованных веществ. И водород, и кислород двухатомны — они существуют в природе в виде связанных пар (H ₂ и O ₂ соответственно). В правильных условиях и с достаточной энергией эти двухатомные связи разорвутся, и атомы соединятся с образованием H ₂ O (вода).Химики записывают эту химическую реакцию как:

2H ₂ + O ₂ -> 2H ₂ O

Это уравнение говорит, что для образования двух молекул воды нужны две молекулы водорода и одна молекула кислорода. Обратите внимание на одинаковое количество атомов водорода и кислорода по обе стороны уравнения. В химических изменениях, как и в физических изменениях, сохраняется материя. В данном случае разница заключается в том, что вещества до и после изменения имеют разные физические и химические свойства.Водород и кислород — это газы при стандартной температуре и давлении, тогда как вода — бесцветная жидкость без запаха.

В природе происходит множество химических и физических изменений

В экосистемах одновременно происходит множество химических и физических изменений, и материя сохраняется в каждой из них — без исключения. Представьте себе ручей, текущий через каньон — сколько химических и физических изменений происходит в каждый данный момент?

Сначала рассмотрим воду.Во многих каньонных ручьях вода поступает с возвышенностей и образуется в виде снега. Конечно, вода началась не здесь — ее циркулировали по всему миру с тех пор, как на Земле впервые появилась вода. В контексте ручья каньона он начинался в горах как снег. Чтобы присоединиться к ручью, снег должен претерпеть физическое изменение — таять. Когда жидкая вода течет через каньон, она может испаряться (еще одно физическое изменение) в водяной пар. Вода дает очень наглядный пример того, как материя движется по нашему миру, часто меняя форму, но никогда не исчезая.

Материя не теряется при фотосинтезе

Затем рассмотрите растения и водоросли, обитающие в ручье и вдоль него. В процессе, называемом фотосинтезом, эти организмы преобразуют световую энергию солнца в химическую энергию, хранящуюся в сахарах. Однако световая энергия не производит атомы, из которых состоят эти сахара, что нарушило бы Закон сохранения массы. Она просто дает энергию для того, чтобы произошли химические изменения. Атомы происходят из углекислого газа в воздухе и воды в почве.Световая энергия позволяет этим связям разорваться и преобразоваться с образованием сахара и кислорода. Это показано в химическом уравнении фотосинтеза:

6CO ₂ + 6H ₂ O + светлый -> C ₆ H ₁₂ O ₆ (сахар) + 6O ₂

Это уравнение говорит, что шесть молекул углекислого газа соединяются с шестью молекулами воды, образуя одну молекулу сахара и шесть молекул кислорода. Если сложить все атомы углерода, водорода и кислорода по обе стороны уравнения, суммы будут равны.В этом химическом изменении сохраняется материя.

Эти растения поедают животные в ручье и вокруг него. Их тела используют накопленную химическую энергию для питания своих клеток и передвижения. Они используют питательные вещества, содержащиеся в пище, для роста и восстановления своего тела — атомы для новых клеток должны откуда-то поступать. Любая пища, попадающая в тело животного, должна либо покинуть его тело, либо стать его частью. Никакие атомы не разрушаются и не создаются.

Атомы, созданные очень давно, составляют вас

Суть в том, что материя циклически проходит через вселенную во многих различных формах.При любом физическом или химическом изменении материя не появляется и не исчезает. Атомы, созданные в звездах (очень, очень давно), составляют все живое и неживое на Земле, даже вас. Невозможно узнать, как далеко и через какие формы прошли ваши атомы, чтобы создать вас. И невозможно знать, где они окажутся в следующий раз.

Материя и энергия

Материя и энергия

Хотя древние астрономы могли определять позиции и
яркость звезд, они не понимали, что такое звезды.Это
потому что им не хватало основы физики, чтобы понять, как
звезды работали. Им не хватало того, что мы сегодня называем современной физикой. Физика
включает в себя широкий спектр полей, которые используются для понимания происхождения
и эволюция звезд, механика, термодинамика, свет, материя, энергия
и силы природы. Первые физические законы касались движения,
которую мы называем классической механикой.

В центре «Афинской школы» Рафаэля находятся Аристотель и
Платон, рука Аристотеля на уровне земли, символизирующая его реалистический взгляд на
Природа; Рука Платона указывала на небо, символизируя мистическое
природа к его взгляду на Вселенную.Это изображение символизирует резкое изменение
смысл того, как «естественная философия» или физика будет развиваться в течение 2200 лет.

Аристотель стоит в
Греческая философская традиция, утверждающая, что природа
понятно. Эта традиция, в отличие от идеи, что природа
под контролем капризных божеств, которых нужно умилостивить
а не понятый, это один из корней науки.

Аристотель построил свой взгляд на Вселенную на основе интуитивного
чувство целостной гармонии.Центральное место в этой философии занимала
понятие телеологии или конечной причинности. Он предположил, что этот человек
объекты (например, падающий камень) и системы (например, движение
планеты) подчиняют свое поведение общему плану или судьбе.
Это было особенно заметно в живых системах, где компонент
части работают сообща для достижения конечной цели или цели
продукт.

Аристотель также дает хороший пример того, как
знает или считает, что влияет на то, как человек понимает новую информацию.Его теория движения вытекает из его понимания материи как
состоит из четырех элементов: воздуха, земли, огня и воды. Каждый элемент существует по-своему
сфера вокруг Земли. Объекты,
будучи твердым, как земля, склонны слипаться с другими
твердые тела (земля), поэтому предметы имеют тенденцию падать на землю, их естественное
место. Таким образом, падение — естественное движение. Горячие объекты, как воздушный шар, поднимались бы
к его сфере Огня.

Трудно думать о горизонтальном движении.Создание
перемещение объекта обычно имеет довольно очевидную причину. Что сложно
объясняя, почему что-то продолжает движение.

Подумайте о брошенном копье. Сначала он не в движении, но
тогда рука метателя дает импульс, который ускоряет его (наш
словарный запас, а не Аристотеля). Но тогда что
продолжает после того, как покидает руку метателя? Он должен упасть
земля сразу, так как нет ничего очевидного толкать ее!

Аристотель ответил, что когда копье летит по воздуху, оно
оставляет за собой вакуум.Воздух толкает копье вперед
до тех пор, пока его естественное движение (падение) в конечном итоге не приведет его к земле.

Аристотель также думал о причинах, которые приводят в движение вещи. В
сценарий копья, легко сказать, что рука метателя перемещает
копье, но что движет рукой метателя? Аристотель сказал, что другой
движение переместило руку (сокращение мышц?), но он также понял, что
какое-то более раннее движение должно вызвать сокращение мышцы, и это
более раннее ходатайство также должно иметь своего инициатора.

Чтобы избежать мысли о бесконечной цепи причин, Аристотель
утверждал, что должен быть «неподвижный движитель», что-то, что может инициировать
движение, не приводя себя в движение. Этот вид был сохранен
средневековая церковь в Средние века и стала господствующей парадигмой.

Законы движения Галилея :

Помимо своих многочисленных изобретений, Галилей также заложил первые
точные законы движения масс со времен Аристотеля.Галилео
поняли, что все тела ускоряются с одинаковой скоростью, независимо от их
размер или масса. Повседневный опыт (как сказал Аристотель) говорит вам
иначе, потому что перо падает медленнее, чем пушечное ядро. Галилея
гениальность заключалась в том, что он замечал, что различия, которые происходят в повседневной
мира находятся в случайном усложнении (в данном случае — воздушном трении) и являются
не имеет отношения к реальным основным свойствам (то есть гравитации). Он был
способны абстрагироваться от сложности реальных жизненных ситуаций
простота идеализированного закона всемирного тяготения.

Ключевыми среди его исследований являются:

• разработал концепцию движения с точки зрения скорости (скорость
  и направление) за счет использования наклонных плоскостей.
• развил идею силы как причины движения.
• определено, что естественное состояние объекта — покой или однородное состояние.
  движение, то есть объекты всегда имеют скорость, иногда у этой скорости есть
  нулевая величина = отдых.
• Объекты сопротивляются изменению движения, которое называется инерцией.

Галилей также показал, что объекты падают с одинаковой скоростью независимо от
их масса. Тот факт, что перо падает медленнее стального шара,
из-за сопротивления воздуха, которое перо испытывает по сравнению с
стальной шар (очень маленький) .Hammer and Feather on Moon

Ньютон :

Современное понимание движения объектов, как макроскопических (например,
как звезды и планеты) и микроскопические (например, атомы) были разработаны
Исаак Ньютон более 300 лет назад.Ньютон определил соотношение
движение, называемое законами классической механики. В
В частности, он разработал следующие концепции:

• Три основных величины в механике — это скорость, время и расстояние. Эти три связаны
  по формуле; расстояние = скорость x время
• изменение скорости = ускорение -> вызванное силой
• инерция = сопротивление изменению
  по скорости и пропорциональна массе объекта

Что касается энергии движения, мы следуем ньютоновской формулировке понятия количества движения.Количество, которое используется для
описывают энергию движения и выражаются как масса объекта, умноженная на его
скорость.

Ньютон также обнаружил, что существует закон сохранения количества движения.
который утверждает, что полный импульс системы сохраняется. В другом
словами, сумма импульса до должна равняться сумме
импульсы послесловия. Законы сохранения чрезвычайно действенны в физике, поскольку
они позволяют вывести будущее из настоящих условий.

Энергия :

Энергия — это концепция, на развитие которой ушло более 150 лет после Ньютона.Энергия не может быть создана или уничтожена,
только переносили с места на место. Энергия определяется как время силы
расстояние и выражается в единицах эрг (граммы сантиметр в секунду).

Гюйгенс (1650-е гг.) Был первым, кто разработал
терминология, утверждающая, что:

• энергия не похожа на материю
• энергия не имеет размера, формы и не занимает места
• энергия не имеет инерции

Вместо этого было определено, что энергия — это мера способности
физическая система для выполнения работы (т.е. изменить систему) и является
измеряется в эрг.

Закон сохранения энергии означает, что энергия не может ни
быть созданы или уничтожены, только преобразованы из одной формы в другую.

Обычно мы говорим об энергии движения, называемой кинетической энергией, или накопленной энергии, называемой
потенциальная энергия.
Потенциальная энергия в том виде, в каком она хранится
энергия, например, как пружина, также имеет источник из гравитационного поля
звезды или планеты. У молотка, удерживаемого над землей, есть потенциальная энергия
связано с его расстоянием от земли.Эта энергия выделяется в
кинетическая энергия при падении молота.

Энергия также существует в химической, ядерной и электрической форме. Но это
в основном вариации кинетической и потенциальной энергии. Например, химическое
взрывчатое вещество находится в потенциальной форме до тех пор, пока предохранитель не сгорит, затем оно преобразуется в
кинетический (взрыв). Электрическая энергия — это кинетическая энергия
электроны в проводе.

Дело :

Материя состоит из атомов, удерживаемых вместе
электромагнитные силы.От того, насколько прочны эти связи, зависит, какой из
четыре состояния: твердое, жидкое, газовое и плазменное, материя существует как. Плазма
в природе встречаются только в короне и ядрах звезд.

Обратите внимание, что увеличение кинетической энергии атомов ослабляет их связи.
Нагревание увеличивает движение атомов и заставляет материю выйти из твердого состояния.
(лед) в жидкость (вода) в газ (пар).

Атомная теория — это
область физики, которая описывает характеристики и свойства
атомы, составляющие материю.Ключевой момент, на который следует обратить внимание об атомной теории
это отношение между макроскопическим миром (нами) и
микроскопический мир атомов. Например, макроскопический мир имеет дело
с такими понятиями, как температура и давление для описания материи.
Микроскопический мир атомной теории имеет дело с кинетическим движением.
атомов для объяснения макроскопических величин.

Макроскопические свойства вещества регулируются химическим законом идеального газа.

В атомной теории температура объясняется как движение атомов
(быстрее = горячее).Давление объясняется как передача импульса
те движущиеся атомы на стенках контейнера (более быстрые атомы =
более высокая температура = больший импульс / удары = более высокое давление).

Атом Резерфорда :

Согласно закону идеального газа, атомы выглядят как крошечные бильярдные шары, не имеющие
состав. Резерфорд исполнил
ранние эксперименты по стрельбе альфа-частицами (ядрами гелия) по листам золота
чтобы показать, что атомы на самом деле были в основном пустым пространством. Модель Резерфорда
атом имеет небольшое ядро, содержащее протоны (положительно заряженные частицы) и
нейтроны (частицы без электрического заряда), окруженные электронами (малые
частицы отрицательного заряда).

Эта модель в основном похожа на маленькую солнечную систему, где
ядро — это Солнце, а электроны вращаются вокруг ядра, как планеты.
вращается вокруг Солнца. Твердое поведение атомов обусловлено электромагнитным
отталкивание электронов на внешних орбитах. Когда вы ударяете рукой по
стол, твёрдость, которую ты чувствуешь, — это иллюзия, вызванная толканием электронов
подальше от атомов стола и атомов вашей руки.

Атом Бора :

Бор разработал
другая модель атома для объяснения поглощения и излучения
линейчатый спектр, который не мог быть понят атомом Резерфорда
модель.Атом Бора похож на атом Резерфорда, за исключением
электроны могут двигаться только по фиксированным или квантованным орбитам.

Квантованные орбиты электронов допускают простое объяснение.
происхождения фотонов и спектра света. Фотоны
происходит за счет перехода электронов вниз по их орбитам. А
нисходящий переход высвобождает потенциальную энергию в виде света
частица, фотон (как видно на линии излучения). Точно так же фотоны
может поглощаться электронами (вызывая свойство поглощения), и
они движутся вверх по своим орбитам.

Два свойства атома Бора привели к развитию квантовой физики и детальной
понимание эмиссионной и абсорбционной природы спектров.

Элементарные частицы :

Современная физика говорит о фундаментальных строительных блоках Природы, где
фундаментальный подход к редукционистскому пониманию простых и
бесструктурный. Многие из частиц, которые мы обсуждали до сих пор, выглядят
простые по своим свойствам. У всех электронов одно и то же
характеристики (масса, заряд и др.), так же как и электронная фундаментальная
потому что все они не уникальны.

Поиск происхождения материи означает понимание элементарных частиц. В
понимание элементарных частиц требует понимания не только
их характеристики, но как они взаимодействуют и соотносятся с другими частицами и
Силы Природы, область физики, называемая физикой элементарных частиц.

Изучение частиц начинается с поиска первичных
составляющая. Было обнаружено более 200 субатомных частиц, поэтому
далеко, однако большинство из них не являются фундаментальными, большинство состоит из других,
более простые частицы.Например, Резерфорд показал, что атом
состоит из ядра и вращающихся электронов. Позже физики показали
что ядро ​​состоит из нейтронов и протонов. Более свежие работы
показал, что протоны и нейтроны состоят из кварков.

Кварки и лептоны :

Двумя наиболее фундаментальными типами частиц являются кварки и лептоны, каждый из которых разделен.
на 6 вкусов, соответствующих трем поколениям материи. Кварки (и
антикварки) имеют электрические заряды в единицах 1/3 или 2/3.Лептоны имеют
сборы в единицах 1 или 0.

Нормальные дела, повседневные дела относятся к первому поколению, поэтому нас интересуют только
с верхними и нижними кварками, электронным нейтрино (часто называемым
нейтрино), электроны, плюс четыре
переносчики силы, фотон, глюон, частица W и частица Z, которая
мы все вместе называем бозонами. Носители силы несут ответственность за четыре
фундаментальные силы Природы.

Обратите внимание, что для каждого кварка или лептона существует античастица, которая
называется антиматерией.Например, есть верхний антикварк,
антиэлектрон (называемый позитроном) и антинейтрино. Когда дело
и антивещество вступают в контакт, а затем мгновенно уничтожают друг друга, чтобы
производить энергию. Бозоны не имеют античастиц, так как они
силовые носители.

Барионы и мезоны :

Кварки вместе образуют другие типы материи, барионы и мезоны.
Барионы состоят из трех кварков и встречаются повсюду.
протоны и нейтроны атомных ядер (а также антипротоны и
антинейтроны).Мезоны, состоящие из кварковых пар, обычно находятся в
космические лучи. Обратите внимание, что правило для комбинаций кварков состоит в том, что сумма
заряд должен быть целым числом; -1, 0 или +1. Мы не видим
дробные заряды в Природе, поэтому свободных кварков нет, они
встречается только парами или тройками.

Таким образом, наше нынешнее понимание структуры атома таково.
что атом содержит ядро, окруженное облаком отрицательно
заряженные электроны, связанные с ядром электромагнитными силами.Ядро состоит из нейтральных нейтронов и положительно заряженных.
протоны, связанные вместе сильным ядерным взаимодействием. Протоны и
нейтроны состоят из верхних и нижних кварков, дробные заряды которых
(2/3 и -1/3), которые в сочетании дают заряд 0 или +1
протон и нейтрон.

состояний вещества | Encyclopedia.com

Природа материи

Твердые тела

Жидкости

Кипящие

Газы

Плазма

Ресурсы

Материя обычно определяется в науке как все во Вселенной, имеющее массу (подверженное влиянию гравитации и инерция), занимает пространство и может быть преобразована в энергию.Последняя характеристика материи (то есть возможность преобразования в энергию) появилась только после того, как немецко-американский физик Альберт Эйнштейн (1879–1955) объявил, что энергия и материя — одно и то же. Эйнштейн сказал, что энергия и материя приравниваются уравнением E = mc ² , где энергия ( E ) тела равна массе ( m ) этого тела, умноженной на скорость света ( c ) в квадрате.

Как легко идентифицировать примеры, материя включает в себя: съеденную пищу, выпитую воду, вдыхаемый воздух, руды глубоко внутри Земли, а также атмосферу над ней, вещества, составляющие Луну и звезды, а также а также пыль в хвосте кометы.Довольно легко заметить, что материя существует в разных формах или состояниях: твердые тела, жидкости, газы и менее знакомое состояние плазмы.

Вся материя состоит из очень маленьких дискретных частиц: атомов, ионов или молекул. Природа конкретного вещества зависит от типа и расположения атомов в молекуле.

Эти частицы могут иметь различное расположение в пространстве. Например, они могут располагаться близко друг к другу или далеко друг от друга.Они могут быть аккуратными и упорядоченными или случайными и беспорядочными. Поскольку две частицы не могут занимать одно и то же место в одно и то же время, их можно сдвинуть ближе друг к другу, только если между частицами есть пустое пространство. Иногда они скользят и скользят друг мимо друга, а иногда жестко фиксируются в определенном положении. Состояние, в котором существует конкретная материя, зависит от этих свойств. При правильных условиях любое вещество

может существовать во всех состояниях материи: твердое, жидкое, газообразное или плазменное.

Атомы, молекулы и ионы, из которых состоит вся материя, находятся в постоянном движении, которое может варьироваться от вибрации в довольно жестком положении до беспорядочного движения с очень высокой скоростью. Движение всегда идет по прямой линии, пока движению не мешает какая-то другая сила. Подобно бильярдным шарам, движущиеся частицы могут сталкиваться с другими частицами или объектами, такими как стенки своего контейнера. Эти столкновения заставляют частицы менять направление и, хотя энергия не теряется, она может передаваться другим частицам.

Между частицами материи существуют различные силы. Степень притяжения или отталкивания зависит от таких факторов, как то, являются ли частицы электрически нейтральными или несут заряд, являются ли заряды локализованными или сбалансированными, насколько велики или малы частицы и насколько далеко частицы находятся друг от друга.

Говорят, что материя находится в твердом состоянии, когда она жесткая; то есть, когда он сохраняет определенную форму и объем против силы тяжести. Между частицами, из которых состоят твердые тела, существуют сильные силы притяжения, заставляющие их располагаться близко друг к другу в упорядоченном и определенном расположении в пространстве.Их движение состоит в основном из вибрации в фиксированном положении, поэтому форма и объем (занимаемое ими пространство

) сохраняются. Атомы, ионы или молекулы нельзя сдвинуть ближе друг к другу; следовательно, при нормальных обстоятельствах твердые тела не могут быть сжаты ближе друг к другу.

Многие твердые тела существуют в форме кристаллов, которые имеют простые геометрические формы, отражающие формы и формы регулярного пространственного расположения в зависимости от расположения атомов, ионов или молекул, из которых они состоят.Такое расположение называется решеткой. Другие твердые тела, такие как комки глины, похоже, вообще не имеют предпочтительной формы. Они называются аморфными (без формы). Это верно, потому что отдельные кристаллы могут быть очень крошечными или потому, что вещество состоит из нескольких видов кристаллов, случайно смешанных вместе. Другие твердые тела, такие как стекло, вообще не содержат кристаллов.

Когда твердые частицы охлаждаются до более низких температур, упорядоченное расположение их частиц остается в основном неизменным. Однако колебания становятся немного медленнее и слабее, в результате чего частицы сближаются, а твердое тело слегка сжимается.Однако, когда твердые тела нагреваются, колебания становятся быстрее и шире. Это заставляет частицы немного отдаляться друг от друга, и твердое тело немного расширяется. При достаточном нагревании частицы будут так сильно вибрировать, что жесткая структура больше не сможет поддерживаться. Решетка начинает распадаться сначала на сгустки, а затем на отдельные частицы, которые могут скользить и скользить мимо друг друга при свободном перемещении. В этот момент твердое вещество превратилось в жидкость.

Температура, при которой твердое тело теряет твердую форму и превращается в жидкость, называется точкой плавления.Различные вещества имеют разные точки плавления, которые зависят от размеров частиц и силы притяжения между частицами. В общем, более тяжелым частицам требуется больше энергии (более высокие температуры), чтобы они достаточно энергично вибрировали и разлетались на части. Кроме того, чем сильнее притяжение между частицами, тем больше энергии требуется для их разрушения и превращения твердого тела в жидкость. В обоих случаях — более тяжелые частицы и более сильное притяжение — температура плавления будет выше.

Хорошим примером может служить вода. Жидкая вода замерзает при той же температуре, что и лед, поэтому точки плавления и замерзания идентичны. Это верно для всех веществ. Лед тает при 32 ° F (0 ° C), что нехарактерно для частиц веса молекул воды. Эта необычно высокая температура плавления / замерзания вызвана очень сильными силами притяжения, которые существуют между молекулами, что очень затрудняет удаление частиц от своих соседей и коллапс кристаллической структуры.Металлы плавятся при гораздо более высоких температурах, чем лед. Например, из меди придают различную форму путем ее плавления при 1985 ° F (1085 ° C), заливки в формы и охлаждения. Затем его обычно дополнительно очищают электролизом, прежде чем он станет коммерчески полезным. Поскольку чистые вещества имеют уникальные точки плавления, которые обычно довольно легко определить, химики часто используют их в качестве первого шага при идентификации неизвестных веществ.

Количество энергии, необходимое для превращения твердого тела в жидкость, варьируется от вещества к веществу.Эта энергия называется теплотой плавления. Лед, например, должен поглощать 80 калорий на грамм, чтобы раствориться в жидкой воде. Точно так же вода выделяет 80 калорий на грамм воды, которая превращается в лед. Каждое из этих изменений происходит при температуре плавления / замерзания воды, 32 ° F (0 ° C). При плавлении, поскольку вся тепловая энергия расходуется на разрыв кристаллической решетки, температура не изменяется. Однако после того, как весь лед растает, поглощенная энергия вызывает повышение температуры жидкой воды.Обычно это справедливо для плавления всех твердых тел.

Переход от твердого вещества к жидкости является скорее физическим, чем химическим изменением, поскольку химические связи не разорваны. Отдельные частицы — атомы, ионы или молекулы, составляющие твердое тело, являются теми же отдельными частицами, которые составляют жидкость. Что действительно изменилось, так это расположение частиц. В жидкости частицы имеют более высокую температуру, обладают большей энергией, чем в твердом теле, и это позволяет им удаляться от своих ближайших соседей.Притяжение между частицами жидкости — хотя и меньше, чем у твердых тел, — все еще довольно сильное. Это удерживает частицы близко друг к другу и соприкасаются, даже если они могут перемещаться мимо друг друга. Их нельзя сдвинуть ближе друг к другу, поэтому, как и твердые тела, жидкости сохраняют свой объем и не могут сжиматься. Поскольку их частицы свободно перемещаются, жидкости могут течь, и они будут принимать форму любого контейнера.

Как и твердые тела, частицы жидкостей расположены близко друг к другу; следовательно, объем пространства, занимаемого жидкостями, довольно близок к объему соответствующих твердых тел.Однако из-за беспорядочного расположения пустое пространство между частицами жидкости обычно немного больше, чем между частицами твердого вещества. Следовательно, жидкости обычно имеют немного больший объем, то есть менее плотные, чем твердые тела. Очень необычным исключением из этого правила является таяние льда с образованием воды, когда объем фактически уменьшается. Кристаллическая решетка льда имеет решетчатую структуру из молекул H ₂ O с большими открытыми пространствами в середине клеток.Когда лед тает и кристалл разрушается, клетки разрушаются, и молекулы сближаются, занимая меньше места. Следовательно, вода данного веса занимает больше объема как лед, чем как жидкость. Другими словами, лед менее плотный, чем вода. Следовательно, лед плавает на жидкой воде. Кроме того, полная закрытая емкость с водой разобьется при замерзании, потому что лед должен расшириться. Водопроводная труба может порваться, если замерзнет зимой из-за этого необычного свойства воды.

По мере увеличения температуры жидкости частицы получают больше энергии и движутся все быстрее и быстрее.Движение и столкновение увеличиваются до тех пор, пока в конце концов частицы на поверхности не наберут достаточно энергии, чтобы преодолеть силы притяжения своих соседей и оторваться в окружающее пространство. В этот момент жидкость становится газом (также называемым паром). Температура, при которой это происходит, зависит от вещества. Эта температура, известная как точка кипения, остается постоянной в течение всего процесса кипения, потому что добавленное тепло используется для нарушения притяжения между частицами.Обратный процесс, конденсация, происходит при той же температуре, что и кипение. Как и точка плавления, точка кипения уникальна для каждого чистого вещества и может использоваться в качестве аналитического инструмента для определения идентичности неизвестных веществ.

Количество энергии, необходимое для того, чтобы данное количество жидкости испарилось или превратилось в газ, называется теплотой испарения (или конденсации). Он варьируется от вещества к веществу, потому что частицы разных веществ могут быть тяжелее или легче и могут проявлять разные силы притяжения.Количество энергии, поглощаемой, когда 1 грамм воды полностью превращается в пар, составляет 540 калорий. И наоборот, когда 1 грамм водяного пара снова превращается в жидкость, высвобождается 540 калорий.

Когда жидкость достигает точки кипения, частицы на поверхности фактически получают достаточно энергии, чтобы оторваться от поверхности. Однако по мере продолжения нагрева частицы в жидкости также увеличивают энергию и движутся быстрее. Однако в теле жидкости частицы не могут улетучиваться в воздух, в отличие от частиц на поверхности.Это происходит потому, что они оказываются закопанными глубоко под поверхностью.

Это также происходит потому, что атмосфера давит на всю жидкость и все частицы в ней, и, чтобы оторваться, эти частицы глубоко внутри жидкости должны приобрести достаточно энергии, чтобы преодолеть это дополнительное давление. (Поверхностные частицы могут просто улетать в пространство между молекулами воздуха.) Когда группа внутренних частиц, наконец, получает достаточно энергии — становится достаточно горячей — для преодоления атмосферного давления, они могут отталкивать друг друга, оставляя пустое пространство внутри жидкости.Это пузырь. Однако он не совсем пустой, потому что он содержит множество захваченных частиц, летающих внутри. Затем легкий пузырь поднимается через жидкость и разрывается на поверхности, высвобождая захваченные частицы в виде пара. Ученые говорят, что жидкость кипит.

Поскольку для образования пузырьков давление внутри пузырьков должно превышать атмосферное давление, точка кипения вещества зависит от атмосферного давления. Жидкости будут закипать при более низких температурах, если атмосферное давление ниже, как в горах.На вершине Эвереста (самая высокая точка на поверхности Земли и в пределах Гималайского хребта в Азии), на высоте 29000 футов (8839 м) над уровнем моря, где давление составляет лишь около одной трети от уровня моря, вода кипит при 158 ° F (70 ° C). На высоте 10 000 футов (3048 м) над уровнем моря вода закипает при температуре 192 ° F (89 ° C). Чтобы приготовить яйцо с температурой кипения 192 ° F (89 ° C), потребуется больше времени, чем на уровне моря, где точка кипения составляет 212 ° F (100 ° C). Нормальная точка кипения жидкости определяется как ее точка кипения, когда атмосферное давление составляет ровно 760 мм рт. Ст. Или 1 атмосферу.

В связи с сокращением запасов пресной воды сегодня становится все более важным найти способы опреснения — удаления соли из — морской воды, чтобы сделать ее полезной для потребления людьми, сельского хозяйства и промышленности. Для этого полезны изменения состояния, как кипячение, так и замерзание. Когда соленая вода нагревается до кипения и пары охлаждаются, они конденсируются, снова образуя воду, но соль остается в очень соленом остатке, называемом рассолом. С помощью этого процесса, называемого дистилляцией, из соленой воды извлекается пресная вода.Точно так же, когда соленая вода замерзает, большая часть соли остается в виде очень соленой кашицы. Лед удаляют из рассола и растапливают, чтобы получить относительно свежую воду.

Когда вещество переходит в газообразное состояние, частицы движутся с относительно высокими скоростями и по прямым линиям, пока не столкнутся с другими частицами или каким-либо другим препятствием. Пространство между частицами во много раз превышает размер самих частиц. Как правило, частицы газа перемещаются в космосе на большие расстояния, прежде чем столкнуться с другой частицей или объектом.При столкновении, хотя энергия может быть потеряна одной частицей, она приобретается другой, и нет чистого выигрыша или потери энергии.

Поскольку частицы свободно летают в газообразном состоянии, газы заполняют все доступное для них пространство. Таким образом, 100, 1000 или десять миллионов частиц газа в контейнере разлетаются и заполняют весь контейнер.

Характеристики газов сильно различаются. В то время как некоторые газы растворяются в воде, имеют сильный запах, вступают в реакцию с большинством веществ и кажутся бесцветными, другие обладают свойствами, прямо противоположными этим характеристикам.Таким образом, хотя большинство газов прозрачны, некоторые имеют цвета, такие как хлор желтовато-зеленого цвета. Большинство газов не имеют запаха, но некоторые газы имеют сильный запах, который очень заметен, например, аммиак. Некоторые из газов, которые сильно реагируют, — это кислород и фтор. На самом деле фтор вступает в реакцию с большинством веществ. С другой стороны, благородные газы в большинстве своем не реагируют. Фактически, неон никогда не вступал в реакцию с каким-либо другим веществом.

Плазма считается четвертой фазой материи.Они тесно связаны с газами. В плазме частицы — это не атомы и не молекулы, а электроны и положительные ионы. Плазма может образовываться при очень высоких температурах — достаточно высоких, чтобы ионизировать (удалять электроны) атомы. Образовавшиеся электроны и положительные ионы могут свободно перемещаться, как частицы в газе. Хотя плазма не встречается на Земле в естественных условиях, за исключением самых внешних слоев атмосферы, она, вероятно, более распространена во Вселенной, чем три других состояния материи. Звезды, хвосты комет и северное сияние — все это плазма.Поскольку их частицы электрически заряжены, на плазму сильно влияют электрические и магнитные поля.

Название плазма было дано этому штату американским химиком Ирвингом Ленгмюром (1881–1957) в 1920 году. Ленгмюр был одним из первых современных ученых, изучавших ионизированные газы. Он назвал их плазмой, потому что они были похожи на плазму крови. Сегодня большое количество исследований связано с изучением плазмы и способности управлять ею. Один из возможных методов получения огромного количества энергии с помощью ядерного синтеза включает производство плазмы и управление ею.

См. Также Плотность; Опреснение; Испарение; Газы, свойства.

КНИГИ

Де Подеста, Майкл. Понимание свойств материи. Лондон, Великобритания и Нью-Йорк: Тейлор и Фрэнсис, 2002.

Дав, Мартин Т. Структура и динамика: атомарный взгляд на материалы. Оксфорд, Великобритания и Нью-Йорк: Oxford University Press, 2003.

Лиф, Эллиотт Х. Стабильность материи: от атомов к звездам. Берлин, Германия и Нью-Йорк: Springer, 2005.

Соуза, Марио Эверальдо де. Общая структура материи. Сержипи, Бразилия: Федеральный университет Сержипи, 2001.

Леона Б.