Nazwa szkoły: Gimnazjum im. Mikołaja Kopernika w Jabłonowie Pomorskim ID grupy: 96/47_MP_2

2. Nazwa szkoły: • Gimnazjum im. Mikołaja Kopernika w Jabłonowie Pomorskim • ID grupy: • 96/47_MP_2 • Kompetencja: • matematyczno - przyrodnicza • Temat projektowy: • Budowa cząsteczkowa materii • Semestr/rok szkolny: • 2009/2010

3. Budowa cząsteczkowa materii • 1. Teoria o cząsteczkowej budowie materii na przestrzeni wieków

4. Budowa cząsteczkowa materii • Starożytni Grecy wierzyli, że cały wszechświat złożony jest z czterech żywiołów: ziemi, powietrza, ognia oraz wody. • Tales z Miletu (620 - 540 p.n.e.) zadawał sobie pytanie o „arch”, czyli początek, podstawę, osnowę i strukturę świata. Twierdził, że „arch” to żywioł wody, wszystko z niej pochodzi i do niej powraca - wniosek wyciągnął nie odwołując się do mitów, lecz do obserwacji.

5. Budowa cząsteczkowa materii • Anaksymenes z Miletu (585-525 p.n.e.) uważał, że prazasadę rzeczywistości (arch) stanowi powietrze lub tchnienie (tak jak dusza-oddech jest podstawowym elementem integrującym w przypadku człowieka). Z niego poprzez rozrzedzanie i zagęszczanie powstaje różnorodność rzeczy i zjawisk w świecie - rzadkie powietrze jest ogniem, w miarę gęstnienia przekształca się kolejno w wiatr, chmury, wodę, ziemię, kamienie itd. Wszystkie te zmiany dokonują się dzięki wiecznemu ruchowi.

6. Budowa cząsteczkowa materii • Heraklit z Efezu ( 540-480 p.n.e.) twierdzi jeszcze inaczej – uważał, że wszystko jest płynne, a świat powstał z ognia. • Demokryt z Abdery (460-370 p.n.e.) ogłosił teorię o atomistycznej budowie świata, stąd zwany jest ojcem materializmu. • Arystoleles (384-322 p.n.e.) jest autorem klasycznej formuły teorii przyczynowości. Obok formy i materii, traktowanych jako przyczyny wewnętrzne: formalna i materialna, wydzielił 2 przyczyny zewnętrzne: sprawczą i celową, czyli to, dzięki czemu, i to, ze względu na co coś zaistniało.

7. Budowa cząsteczkowa materii • W 1803 r. John Dalton wysunął swoją teorię na temat budowy materii, w której m.in. twierdził, że: •   najmniejszą cząstką materii jest atom • atomów nie można podzielić • nie można zamienić jednego atomu w drugi • wszystkie atomy jednego pierwiastka są jednakowe

8. Budowa cząsteczkowa materii • W roku 1897 Joseph Thomson obalił jeden z punktów teorii Daltona odkrywając pierwszą cząstkę elementarną – elektron. Stworzył on swój własny „rodzynkowy” model atomu, który wkrótce został uznany za nieprawidłowy. • Kolejnym etapem obalającym teorię Daltona było doświadczenie Ernesta Rutheforda, który w roku 1908 odkrył jądro atomowe bombardując cienką, złotą folię cząstkami alfa.

9. Budowa cząsteczkowa materii • W 1914 r. James Chadwick odkrył kolejną cząstkę elementarną – pozbawiony ładunku neutron. Stwierdził on, że w skład jądra atomu musi wchodzić coś poza protonami, ponieważ masa atomowa każdego z pierwiastków (oprócz wodoru) jest około 2 razy większa od liczby ładunków. • W 1947 roku w promieniowaniu kosmicznym odkryto nowy rodzaj cząstek - tzw. mezony, które są nośnikami oddziaływań jądrowych. Ilość cząstek uznawanych za elementarne stale wzrastała (neutrino, pozyton, itp.) i w końcu uczeni zwątpili, czy są one rzeczywiście elementarne.

10. Budowa cząsteczkowa materii • Teoria kwarków • W ostatnich latach, w związku z odkryciami nowych cząstek elementarnych doszło do prób ich uszeregowania w sposób podobny do pierwiastków w układzie okresowym. • Pojawiła się koncepcja, że protony, neutrony i mezony zbudowane są z cząstek fundamentalnych, tzw. kwarków. • Pierwsze kwarki zaobserwowano w 1968 roku podczas zderzenia elektronów z protonami w Laboratorium Stanforda w USA.

11. Budowa cząsteczkowa materii • Za koncepcję istnienia kwarków Murray Gell-Mann otrzymał w 1969 roku nagrodę Nobla. Znamy dziś 6 różnych kwarków i 6 antykwarków: • ·        kwark u (up – górny) • ·        kwark d (down – dolny) • ·        kwark c (charm – powabny) • ·        kwark s (strange – dziwny) • ·        kwark b (bottom – spodni) • ·        kwark t (top – szczytowy)

12. Budowa cząsteczkowa materii • Kwarki posiadają ładunek elektryczny równy ułamkowi ładunku elementarnego. • Np. dodatni proton składa się z dwóch kwarków „u” i jednego kwarku „d”. • Stąd właśnie wywodzi się jego ładunek:

13. Budowa cząsteczkowa materii • Neutron zbudowany jest natomiast z dwóch kwarków „d” oraz jednego kwarku „u”. Wartość jego ładunku wynosi zatem:

14. Budowa cząsteczkowa materii • Ciekawą własnością kwarków jest to, iż nie mogą nigdy występować pojedynczo, lecz zawsze w grupach po dwa lub trzy. • Dwie ostatnie pary kwarków (czyli c, s, b, t) stanowią „budulec” krótkożyciowych cząstek obserwowanych w laboratoriach fizyki wysokich energii. Prawdopodobnie nie będzie to jeszcze koniec. Fizycy przewidują możliwość rozszerzenia Modelu Standardowego przez wprowadzenie trzeciej generacji kwarków.

15. Budowa cząsteczkowa materii • Leptony to grupa 12 cząstek elementarnych (6 cząstek i 6 antycząstek). Zaliczają się do niej: elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe oraz odpowiadające im antycząstki: pozyton (antyelektron), antymion, antytaon i antyneutrina. Ostatnim odkrytym (2000) leptonem było neutrino taonowe. Wszystkie leptony, z wyjątkiem neutrin i antyneutrin, posiadają ładunek ujemny (dla cząstek, np. elektronów) lub dodatni (dla antycząstek, np. pozytonów). Natomiast neutrina i antyneutrina posiadają ładunek zerowy.

16. Budowa cząsteczkowa materii • Leptony posiadają dwie specyficzne liczby kwantowe: • liczbę leptonową +1 dla leptonów, -1 dla antyleptonów - liczba ta jest zawsze zachowana • liczbę zapachową - elektrony i neutrina elektronowe mają "zapach" elektronowy dodatni, natomiast pozytony i antyneutrina elektronowe ujemny, itd.

17. Budowa cząsteczkowa materii

18. Budowa cząsteczkowa materii • Teoria superstrun • Teoria ta powstała w latach 1984-86. Okres ten był znany jako tzw. „rewolucja superstrunowa”. Zgodnie z teorią strun kwarki nie są najmniejszymi cząstkami, lecz składają się z jeszcze mniejszych tworów mających postać maleńkich pętli drgających strun. • Na dzień dzisiejszy uważa się, że struny są absolutnie elementarnymi składnikami materii.

19. Budowa cząsteczkowa materii Materia składa się z atomów, które z kolei są zbudowane z kwarków i elektronów. Zgodnie z teorią strun wszystkie te cząstki mają w rzeczywistości postać maleńkich pętli drgających strun.

20. Budowa cząsteczkowa materii • Struny są to małe jednowymiarowe włókna, które nieustannie drgają. Właściwości cząstek uważanych dotychczas za elementarne zależą od drgań rezonansowych odpowiedniej struny. • Różnice własności cząstek uważanych dotychczas za elementarne (masa, ładunek ) biorą się stąd, że ich struny drgają według innych rezonansowych wzorów.

21. Budowa cząsteczkowa materii • Zgodnie z teorią strun obserwowane własności cząstki elementarnej pojawiają się w wyniku szczególnych rezonansowych drgań struny. • Cała materia i wszystkie siły składają się z takiego samego materiału. Każda cząstka elementarna zawiera pojedynczą strunę, a wszystkie struny są identyczne. Różnice między cząstkami biorą się stąd, że ich struny drgają według innych rezonansowych wzorów. Nie ma więc różnych cząstek elementarnych – istnieją tylko odmienne „dźwięki” podstawowej struny. • Na dzień dzisiejszy struny uważane są za absolutnie elementarne.

22. Budowa cząsteczkowa materii Tak wyglądał nasz pierwszy narysowany model atomu. Później teoria kwarków i superstrun uświadomiła nam, że ten rysunek jest mało dokładny 

23. Budowa cząsteczkowa materii Aby lepiej poznać budowę materii wykonaliśmy doświadczenia Pracowali wszyscy 

24. Budowa cząsteczkowa materii

25. Budowa cząsteczkowa materii • 2. Liczba π i jej zastosowanie

26. Budowa cząsteczkowa materii • Liczba  (ludolfina) • Liczba  jest liczbą niewymierną określająca stosunek długości okręgu do jego średnicy. • Długość/średnica =  •  = 3,14159265358979323846264338327950288419716939937510...

27. Budowa cząsteczkowa materii • Symbol  wprowadzony w 1706 r. przez angielskiego matematyka Wiliama Jonesaw powszechne użycie wszedł dopiero w połowie XVIII wieku po wydaniu Analizy L. Eulera. Liczba  jest niewymierna. Określa się ją często ludolfiną. Nazwa ta pochodzi od imienia holenderskiego matematyka Ludolfa van Ceulena, który w 1610 r. obliczył wartość liczby π z dokładnością do 35 cyfr po przecinku. Przełomową w historii liczby πdatą był rok 1882, w którym matematyk niemiecki F. Lindemannudowodnił ostatecznie, że liczba π jest liczbą przestępną (to znaczy, że nie może ona być pierwiastkiem równania algebraicznego o współczynnikach całkowitych). Wykazał on w ten sposób nierozwiązalność słynnego w starożytności zagadnienia kwadratury koła.

28. Budowa cząsteczkowa materii wiersz A. Cwojdzińskiego: Popularna była dawniej mnemotechnika liczby  Liczba poszczególnych słów tego wiersza jest rozwinięciem liczby :  = 3,141 592 653 589 793 238 462 643... Kuć i orać w dzień zawzięcie, bo plonów nie-ma bez trudu złocisty szczęścia okręcie kołyszesz... Kuć. My nie czekamy cudu Robota to potęga ludu.

29. Budowa cząsteczkowa materiiWzory z zastosowaniem liczby  Długość okręgu: Pole koła: Objętość kuli: • l = 2r • r = promień • P = r2 • r = promień r - promień

30. Budowa cząsteczkowa materii Powierzchnia kuli: Objętość walca: Powierzchnia walca: r - promień r - promień r - promień

31. Budowa cząsteczkowa materii • 3. Budowa geologiczna Ziemi

32. Budowa cząsteczkowa materii Skorupa Płaszcz górny Strefa przejściowa Płaszcz dolny Jądro zewnętrzne Jądro wewnętrzne

33. Budowa cząsteczkowa materii • Skorupa to cienka (stanowiąca przeciętnie zaledwie 0,5% promienia Ziemi), najbardziej zewnętrzna warstwa, zbudowana ze stosunkowo lekkich skał. Wyróżniamy 2 podstawowe typy skorupy – kontynentalną i oceaniczną – różniące się grubością i składem. • Skorupa kontynentalna jest gruba, ma zwykle 35–40 km, a pod wysokimi młodymi górami grubość ta wzrasta do 70, a nawet do 90 km, zaś w wyniku rozciągania lub podgrzewania może spadać do 15–25 km. Średnia gęstość skorupy kontynentalnej wynosi 2,8 g/cm3.

34. Budowa cząsteczkowa materii • Skorupa kontynentalna zbudowana jest zwykle z warstwy skał osadowych o grubości kilku, czasem kilkunastu km, podścielonej warstwą granitową (od kilka do 30 km), pod która leży warstwa bazaltowa (od kilku do 40 km). Skorupa kontynentalna jest stara, często ma bardzo złożona budowę geologiczną, zaburzoną w trakcie licznych dawnych faz górotwórczych.

35. Budowa cząsteczkowa materii

36. Budowa cząsteczkowa materii • Skorupa oceaniczna jest wielokrotnie cieńsza, może mieć zaledwie 6–12 km. Ma zwykle 3-warstwową budowę, a jej gęstość wzrasta ku dołowi i wynosi od 2,5 do 2,9–3,3 g/cm3. Zbudowana jest zwykle ze skał zbliżonych do bazaltów (bazalty, diabazy, gabra), często przykrytych pokrywą skał osadowych różnej grubości

37. Budowa cząsteczkowa materii • Płaszcz leży pod skorupą i jest dużo grubszy – sięga do głębokości 2900 km. Nie jest jednorodny, w jego obrębie stwierdza się nieciągłości sejsmiczne, dzięki którym zazwyczaj wyróżnia się płaszcz górny (sięgający do głębokości 200–400 km) oraz płaszcz dolny (od 660–900 do 2900 km), niekiedy rozdzielone strefą przejściową (od 200–400 do 660–900 km). Skały budujące płaszcz są przeważnie w stałym stanie skupienia (przewodzą zarówno podłużne, jak i poprzeczne fale sejsmiczne).Płaszcz Ziemi pełni bardzo ważną funkcję: zachodzące w nim procesy konwekcji cieplnej – chociaż bardzo powolne – są motorem napędzającym ruch płyt litosfery, w następstwie czego możliwa jest cyrkulacja pierwiastków i związków chemicznych pomiędzy powierzchnią a wnętrzem Ziemi.

38. Budowa cząsteczkowa materii • Płaszcz górny charakteryzuje się szybkim przyrostem prędkości fal sejsmicznych, ma gęstość 3,2–3,4 g/cm3 i jest najprawdopodobniej zbudowany z perydotytów (ultrazasadowa skała głębinowa; zawiera mniej niż 45 proc. krzemionki). • Płaszcz dolny jest wydzielany na podstawie wyraźnego spadku tempa wzrostu prędkości fal sejsmicznych wraz z głębokością. W jego dolnych częściach gęstość osiąga ok. 6,0 g/cm3, a temperatura 3000°C.

39. Budowa cząsteczkowa materii • Jądro Ziemi - Najbardziej wewnętrzna z geosfer, kula o promieniu ok. 3500 km, metaliczna (głównie Fe). Barysfera stanowi ok.16% objętości Ziemi i aż 31% jej masy. Na podstawie badań sejsmologicznych w obrębie jądra wyróżniono trzy strefy: jądro zewnętrzne, jądro wewnętrzne i położoną między nimi strefę przejściową.

40. Budowa cząsteczkowa materii • Jądro zewnętrzne nie wykazuje sprężystości (tłumi sejsmiczne fale poprzeczne), z czego wynika, że znajduje się ono stanie ciekłym lub gazowym. Uwzględniając jego wysoką gęstość, należy sądzić, że zbudowane jest z roztopionych metali. • Dopiero poniżej 5100km od powierzchni Ziemi materia jądra posiada cech ciała sprężystego. Przyjmuje się, że w skład obydwu części barysfery wchodzą głównie metaliczne żelazo i nikiel z domieszkami tlenu, siarki, krzemu i potasu. Barysfera stanowi ok.16% objętości Ziemi i aż 31% jej masy.

41. Budowa cząsteczkowa materii

42. Budowa cząsteczkowa materii • Stosując inne kryterium podziału (podatność skał na odkształcenia), w obrębie skorupy i górnego płaszcza wyróżniamy dwie inne, niezależne warstwy: litosferę i astenosferę.

43. Budowa cząsteczkowa materii • Litosfera (gr.: strefa kamienna) jest najbardziej zewnętrzną, względnie sztywną i kruchą powłoką złożoną ze skał zbliżonych do znanych nam z powierzchni Ziemi, nawet częściowo niestopionych. Obejmuje ona skorupę oraz zewnętrzną część górnego płaszcza (tzw. warstwę perydotytową). Ulega deformacjom tektonicznym (uskoki, fałdy). Zależnie od typu skorupy rozróżniamy litosferę kontynentalną (grubszą i sztywniejszą) i oceaniczną (cieńszą, bardziej plastyczną).

44. Budowa cząsteczkowa materii • Astenosfera (gr.: słaba strefa) odznacza się znacznie większą plastycznością, która zapewne jest wynikiem częściowego stopienia skał w jej obrębie (powstawanie magmy). Charakteryzuje się na ogół spadkiem prędkości fal sejsmicznych. Jej górna granica występuje na różnych głębokościach (od 10 do ponad 100 km) i jest obecnie wiązana zwykle z przebiegiem izotermy 1300°C. Głębiej, czyli w wyższych temperaturach, w perydotytach pojawia się faza ciekła, dzięki czemu astenosfera osiąga plastyczność. Dolna jej granica przebiega średnio na głębokości 350 km.

45. Budowa cząsteczkowa materii • Materia, z której składa się Ziemia: • Woda jest na Ziemi bardzo rozpowszechniona. Występuje głównie w oceanach, które pokrywają 70,8% jej powierzchni, ale także w rzekach, jeziorach i w postaci stałej w lodowcach. Część wody znajduje się pod powierzchnią ziemi lub w atmosferze (chmury, para wodna). Niektóre związki chemiczne zawierają cząsteczki wody w swojej budowie (hydraty – zawierają tzw. Wodę krystalizacyjną). Woda występująca w przyrodzie jest roztworem soli i gazów. Najwięcej soli mineralnych zawiera woda morska i wody mineralne; najmniej woda z opadów atmosferycznych.

46. Budowa cząsteczkowa materii • Skały magmowe swoje powstanie zawdzięczają zjawiskom wulkanizmu i plutonizmu, podczas których magma zastyga pod albo na powierzchni Ziemi. Skały powstające pod powierzchnią Ziemi będą więc nazywane plutonicznymi, a powstające na jej powierzchni – wulkanicznymi. • Skały osadowe powstają w wyniku sedymentacji, czyli gromadzenia się materiału okruchowego, organicznego lub chemicznego w zbiornikach wodnych lub – rzadziej – w środowisku lądowym. Osady te podlegają następnie procesowi diagenezy, podczas której zmniejsza się odległość pomiędzy poszczególnymi składnikami osadu. Diageneza jest związana z cementacją – procesem, który polega na połączeniu składników spoiwem, którym najczęściej jest krzemionka, węglany, związki żelaza czy ił. Lityfikacja powoduje z kolei przejście ze skały luźnej do skały zwięzłej.

47. Budowa cząsteczkowa materii • Skały organogeniczne (rodzaj skał osadowych) swoje powstanie zawdzięczają osadzaniu się materii organicznej, zarówno roślinnej jak i zwierzęcej w zbiornikach wodnych. Osady roślinne są związane głównie z tworzeniem się torfu, węgli i kredy piszącej, zaś zwierzęce są podstawą radiolarytów, opok i różnych typów wapieni. Ropa naftowa i gaz ziemny wytworzyły się zarówno z planktonu zwierzęcego jak i roślinnego w warunkach niewysokiej temperatury i beztlenowego środowiska.Na obszarach bagiennych powstaje torf, z którego wytwarza się następnie węgiel brunatny i węgiel kamienny

48. Budowa cząsteczkowa materii • Skały metamorficzne tworzą się w wyników procesów metamorficznych oddziałujących na istniejące już formacje skalne. Działanie poszczególnych czynników metamorfizmu (temperatura, ciśnienie, roztwory hydrotermalne) jest uzależnione od głębokości, na których zjawisko to zachodzi, temperatury, ciśnienia, składu chemicznego i mineralnego skał wyjściowych oraz chemizmu wód (roztworów) dopływających z głębi ziemi. Skład mineralny skał metamorficznych zależy od składu skał wyjściowych, a także czynników metamorfizmu. Minerały występujące w skałach metamorficznych (kwarc, kalcyt, dolomit, magnezyt, ankeryt, magnetyt skalenie, amfibole, pirokseny i miki) są znane już ze skał magmowych, chociaż istnieją również takie, które wymagają wysokiej temperatury i ciśnienia, aby mogły powstać (chloryt, dysten, sylimanit, andaluzyt, kordieryt, chlorytoid, serpentyn, grafit).

49. Budowa cząsteczkowa materii przykładowy przekrój geologiczny legenda

50. Budowa cząsteczkowa materii • Atmosfera Ziemi jest najlepiej poznaną spośród atmosfer ciał Układu Słonecznego. Składa się ona z mieszaniny gazów zwanej powietrzem, której głównymi składnikami są azot (78,084% objętości powietrza), tlen (20,946%) i argon (0,934%). Ma ona złożoną budowę pionową, w której wyróżnia się szereg stref o zróżnicowanej temperaturze, składzie chemicznym i stopniu jonizacji cząsteczek. Mieszanie się powietrza powoduje, że nie można między nimi wyznaczyć wyraźnych liniowych granic.