МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЕЛГОРОДСКИЙ ЮРИДИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра гуманитарных и социально-экономических дисциплин

Дисциплина: " Концепции современного естествознания "

РЕФЕРАТ

по теме: " Концепция атомизма как концепция корпускулярно-волнового дуализма "

Подготовил: профессор кафедры ГиСЭД,

к.ф.н., доц. Номерков А.Л.

Проверил: Студент 534 группы

Малявкин Г.Н.

Белгород – 2008

Введение

Когда говорят о современной физике, обычно имеют в виду две фундаментальные концепции, возникшие в двадцатом веке – теорию относительности и квантовую теорию как физическую теорию микромира. Однако в последнее двадцатилетие к этим фундаментальным отраслям знания добавилась и еще одна глубокая физическая теория – теория коллективных явлений или синергетика. Но, так или иначе, во всех этих названных теориях присутствует принцип атомизма, имеющий, пожалуй, наиболее давние исторические традиции.

В основе атомистической идеи лежит вопрос о пределе делимости тела на части. Положительный ответ на этот вопрос означал, что имеется такой момент, что дальнейшее разделение любого физического тела становится невозможным, и существует одна или несколько различных частиц-атомов, которые представляют основу сущего и из различных комбинаций которых состоят все тела. В противном случае материя была бы непрерывной, бесконечно делимой.

Античные греки решали этот вопрос философски-умозрительно, и традиция такого подхода продержалась после них еще почти два тысячелетия. Наука же в современном ее понимании возникла лишь в XVII веке, когда эксперименту было предоставлено решающее право участвовать в обсуждении вопросов бытия и вследствие чего на помощь "чистому разуму" были призваны органы чувств. Именно с этого времени и можно было уже отсчитывать подлинное познание атома как такового. Но вернемся к первоначалам атомистической концепции.

1. Натурфилософские предпосылки современных атомистических представлений

Умозрительное предположение о том, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц - атомов, было высказано около 2500 лет назад древнегреческими философами Левкиппом и Демокритом.

Левкипп (5 век до н. э.) - древнегреческий философ-материалист, один из создателей античной атомистики, был учителем Демокрита, историческая личность которого, как создателя завершенной философской системы атомистики практически полностью заслонила личность его учителя. Левкипп для объяснения разнообразия предметов утверждал существование относительного небытия, то есть наличия пустоты пространства, полностью лишенного материи, как своеобразной арены, на которой разыгрываются все происходящие в природе вещественные процессы. Пустота разделяет все сущее на множество элементов. Свойства этих элементов зависят от ограничивающего их пустого пространства. Различаются они по величине, фигуре, движению. Но все элементы мыслятся как однородные, непрерывные и потому неделимые (atomoi). Левкипп считал движение свойством, внутренне присуще атомам.

Демокрит (460-370 до н. э.) - древнегреческий философ-материалист, создатель завершенной философской системы атомистики. Историческое место философии Демокрита определяется этапом перехода древнегреческой натурфилософии к выработке понятия индивидуального бытия. Это и нашло свое отражение в исходном понятии философии Демокрита - понятии "атома", как некоторого неделимого материального индивидуума (греческое atomos, как и латинское individuum означает «неделимый», который признается не возникающим и не гибнущим, не разрушимым, не подверженным какому-либо воздействию извне, подлинным бытием, противостоящим пустоте как абсолютному ничто. Атом, таким образом, превращался у Демокрита просто в геометрическое тело, которое также неразрушимо, вечно и не имеет каких-либо физических свойств. Демокрит отрицал бесконечную делимость материи. Атомы различаются между собой только формой, порядком взаимного следования, и положением в пустом пространстве, а также величиной и зависящей от величины тяжестью. Они имеют бесконечно разнообразные формы с впадинами или выпуклостями. Демокрит называет атомы также "фигурами" или "видиками", из чего следует, что атомы Демокрита являются максимально малыми, далее неделимыми фигурами или статуэтками.

В современной науке много спорили о том, являются ли атомы Демокрита физическими или геометрическими телами, однако сам Демокрит еще не дошел до различения физики и геометрии. Из этих атомов, движущихся в различных направлениях, из их "вихря" по естественной необходимости путем сближения взаимноподобных атомов образуются как отдельные целые тела, так и весь мир; движение атомов вечно, а число возникающих миров бесконечно. Атомы для человека невидимы, а человеческие отношения объясняются истечениями из атомов, "видиками", действующими на наши органы чувств и вызывающими соответствующие ощущения, так что не существует ни сладкого, ни горького, ни белого, ни черного самого по себе, но только атомы и пустота.

Существенные изменения в атомистическое учение Демокрита внес Эпикур (342-341 до н. э.). Вихревое движение атомов заменяется у Эпикура падением, вводится понятие "веса атомов". Особенно примечательно учение Эпикура о произвольном отклонении атомов от падения по прямой, обосновывающее возникновение миров (число которых бесконечно) и свободу индивида (т. е. атома и человека). В борьбе с традиционным для античной натурфилософии понятием рока (судьбы) Эпикур доходит до беспрецедентного отрицания точной закономерности небесных явлений. Философская поэма Лукреция (1 век до н. э.) "О природе вещей", написанная в форме дидактического эпоса, излагает учение Эпикура - главным образом его физику. Можно отметить, что это единственный полностью сохранившийся памятник материалистической мысли античной истории.

2. Проблема атома: от философской идеи – к физическим моделям

Одними из первых экспериментальных фактов, свидетельствовавшими о сложности действительного физического атома, об его электрической природе стали классические опыты по электролизу М. Фарадея. На основании этих опытов по электролизу различных солей и других соединений Фарадей с уверенностью утверждал, что электрические заряды имеются в атомах всех элементов. Однако на основании этих опытов еще нельзя было с уверенностью полагать, что представляет собой собственно электричество, является ли оно непрерывной субстанцией или в природе существуют неделимые "атомы электричества".

Так как при электролизе одинаковое количество атомов любого одновалентного элемента всегда переносит одно и то же количество электричества, можно было предположить, что в природе существует "атом количества электричества", одинаковый в атомах всех элементов.

Первым указанием на сложную структуру атома - были опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах (в так называемой трубке Крукса). Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается по возможности весь воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются "невидимые" "катодные лучи", вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Оказалось, что катодные лучи обладают также способностью приводить в движение легко подвижные тела, которые, находясь на их пути, отклоняются от своего первоначального положения.

Было выяснено, что действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них оказалось непроницаемым. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Также удалось определить массу и величину их заряда. Электрический заряд, таким образом, составлял для них сущность их природы.

Обнаруженный в трубке Крукса электрический заряд получил в дальнейшем название "элементарного заряда", а в 1891 году ирландский физик Дж. Стоней предложил для него название "электрон" (от греч. "янтарь"). Но пока эти рассуждения в историко-научном отношении носили лишь чисто гипотетический характер.

В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрических сил. Но они могут быть получены и в других условиях. Так, например, электроны могут испускаться и при электронной эмиссии металлов, а также при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в их состав.

Еще древние греки знали, что если янтарь натереть шерстью или мехом, то он будет притягивать легкие предметы, например перья или кусочки соломы. Это явление изучал Уильям Гильберт (1540-1603), который предложил название "электрический" для описания действующей в данном случае силы притяжения. Это название происходит от греческого слова "электрон", означающего в переводе с греческого "янтарь". Гильберт и многие другие ученые, в том числе и Бенджамин Франклин, исследовали электрические явления. Большая же часть открытий в области электричества и магнетизма была сделана на протяжении XIX в.

Было установлено, что если сургучный стержень, ведущий себя так же, как янтарь, натереть шерстяной тканью и сблизить его со стеклянным стержнем, натертым шелковой тканью, то между стержнями проскакивает электрическая искра. Было найдено также, что между такими стержнями действует сила притяжения. Так, если сургучный стержень, получивший электрический заряд в результате натирания шерстяной тканью, подвесить на нитке и приблизить к нему заряженного стеклянного стержня, то заряженный конец сургучного стержня повернется к стеклянному стержню. В то же время конец наэлектризованного сургучного стержня отталкивается от такого же наэлектризованного стеклянного стержня.

В результате экспериментального изучения такого рода явлений сложилось представление о существовании двух видов электричества, получивших название смоляного электричества (которое собирается на стеклянном стержне). Было установлено, что противоположные виды электричества протягиваются, тогда, как одинаковые отталкиваются. Франклин несколько упростил это представление, приняв допущение, согласно которому может перетекать от объекта к другому объекту электричество лишь одного вида. Он предположил, что в процессе натирания стеклянного стержня шелковой тканью некий электрический "флюид" переходит из ткани в стекло и стеклянный стержень становится положительно заряженным благодаря избытку электрического флюида. В ткани создается недостаток электрического флюида, и она становится отрицательно заряженной. Он подчеркивал, что на самом деле не знает, перешел ли электрический флюид из шелковой ткани в стеклянный стержень или из стеклянного стержня в ткань, и поэтому решение считать электричество на стеклянном заряженном стержне положительным является позволительным. В настоящее время действительно известно, что когда стеклянный стержень натирают шелковой тканью, то отрицательно заряженные частицы - электроны - переходят со стеклянного стержня на шелковую ткань, и что Франклин в своем допущении сделал ошибку [Полит Л., Полине П. Химия -М: Мир, 1978].

Как было сказано выше, представление о содержащихся в веществах электрических частицах было высказано в качестве гипотезы английским ученым Г. Джонстоном Стонеем. Стоней знал, что вещества можно разлагать электрическим током, - например, воду можно разложить на водород и кислород. Ему было известно также о работах Майкла Фарадея, установившего, что для получения некоторого количества элемента из того или иного его соединения требуется определенное количество электричества. Обдумывая эти явления, Стоней в 1874г. и пришел к выводу о том, что они указывают на существование электричества в виде дискретных единичных зарядов, причем эти единичные заряды связаны с атомами. Таким образом, Стоней и предложил в 1891 г. название "электрон" для постулированной им единицы электричества. Экспериментально же электрон был открыт в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном (1856-1940) в Кембриджском университете. [Полит Л., Полине П. Химия -М: Мир, 1978]

Последующие исследования показали, что электрон представляет собой частицу с отрицательным зарядом величиной –0,1602∙10^-18 Кл, с массой, равной 0,9108∙10^{-30 кг, что составляет 1/1873 массы атома водорода. Электрон имеет очень небольшие размеры и хотя радиус электрона точно не определен до сих пор, однако известно, что он значительно меньше 1∙10-15 м. А в 1925 г. было установлено, что электрон вращается вокруг собственной оси и имеет магнитный момент. [Полит Л., Полине П. Химия -М: Мир, 1978]}

Первые эксперименты, на основании которых была фактически доказана реальность существования электронов, были выполнены английским физиком Дж. Томсоном в 1899 году. На основании этого была предложена исторически первая модель атома, которая, с точки зрения Томсона, представляет собой положительно заряженную жидкость, в которой плавают отрицательные электроны. Научный юмор обозвал эту модель "пудингом с изюмом".

На протяжении 12 лет эта модель представлялась научному миру весьма правдоподобной и на известном уровне приближения неплохо описывала наблюдаемые свойства процессов излучения, за исключением спектров излучения или поглощения света. Если, например, пропустить электрический разряд через какой-либо газ, то атомы этого газа дают свечение. Именно такое излучение (световое) и можно видеть в газоразрядных трубках.

Однако оказалось, что испускаемый свет имеет не сплошной спектр, как, скажем, Солнце или лампа накаливания, а линейчатый, то есть в нем присутствуют лишь выделенные линии определенных длин волн (частот, цветов). Если взять водород, в атоме которого, как впоследствии выяснила физика, имеется только один электрон, то с помощью модели атома Томсона можно предсказать появление линии излучения, но только одной.

Однако физиком Бальмером экспериментально было обнаружено у водорода наличие целой серии линий излучения различных частот. Более того, множественные серии линий излучения атомов водорода были обнаружены также в инфракрасной и в ультрафиолетовой областях. А известный опыт Резерфорда, в котором положительно заряженные альфа-частицы пролетали сквозь вещество фольги, практически не отклоняясь (только малая часть их отражалась в обратную сторону), решительно противоречил Томсоновской модели атома.

Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах [Коровин Н.В., Курс общей химии - М: Высшая школа, 1990].

Альфа-частицы, выбрасываемые веществами активных элементов, как выяснилось позднее, представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает порядка 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости альфа-частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути альфа-частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность альфа-частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их. Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона.

Исследуя пути движения частиц с помощью этой камеры, Резерфорд заметил, что в камере пути их параллельны, а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вовсе не проходили через тонкую пластинку [Коровин Н.В., Курс общей химии - М: Высшая школа, 1990; Харин А.Н., Курс химии - М: Высшая школа, 1983].

Исходя из этих наблюдений, Резерфорд и предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаются отрицательные электроны.

Итак, через 12 лет после открытия Томсоном факта существования "атома" электричества – электрона Э.Резерфордом был поставлен указанный выше опыт, на основании которого им была предложена иная модель атома – "планетарная", по принципу построения Солнечной системы.

Резерфорд предположил, что атом представляет собой динамическую систему наподобие Солнечной: вместо Солнца в центре находится массивное положительно заряженное ядро (это от него отскакивают налетающие положительные частицы), а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Таким образом, большая часть атома оказывается пустой - через нее-то и летят пролетающие частицы.

Таким образом, изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало, что в его состав должна была входить ещё одна составная часть, уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов

Но классическая электродинамика не допускает устойчивого существования подобной системы.

Центростремительные силы, возникающие при их вращении, удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения альфа-частиц. Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов, поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения.

Только в тех случаях, когда альфа-частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние альфа-частиц положило начало ядерной теории атома.

Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи большую помощь оказало изучение спектров рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело и отличаются от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. В то время как короткие световые волны имеют длину около 4000 ангстремов (фиолетовые лучи), длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до 0,1 ангстрема. Чтобы получить спектр рентгеновских лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой или дифракционной решеткой. (Дифракционная решетка представляет собой оптический прибор, совокупность большого количества параллельных щелей в непрозрачном экране или отражающих зеркальных полосок (штрихов), равноотстоящих друг от друга, на которых происходит дифракция света. Дифракционная решетка разлагает падающий на нее пучок света в спектр, что используется в системе методов под именем спектроскопии.)

Для рентгеновских лучей требовалась решётка с очень большим количеством делений на


28-04-2015, 23:37