План

Введение

1. Возникновение учения о строении атома

2. Дальнейшее развитие концепции атомизма

3. Кварковая модель адронов

4. Микромир

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Представление о неделимых мельчайших частицах материи, возникшее еще в глубокой древности, сопровождало развитие воззрений на природу на протяжении всей их истории. Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло в античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа-Демокрита, согласно которому в мире существуют только атомы, которые движутся в пустоте. Различные комбинации атомы образуют самые разнообразные видимые тела. Эта гипотеза не основывалась на каких-либо эмпирических данных и была лишь гениальной догадкой, но тем не менее она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания. Сейчас известно, что вовсе не является последней и неделимой частицей материи и имеет сложное строение, все же тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции.

Возникновение учения о строении атома

Гипотеза об атомах как неделимых частицах вещества была возрождена в естествознании и прежде всего в физике и химии для объяснения таких эмпирических законов, как законы Бойля - Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов, теплового расширения тел и различных химических законов. Закон Бойля - Мариотта утверждает, что объем газа обратно пропорционален его давлению, но не объясняет почему. Аналогично этому при нагревании тела его размеры увеличиваются, но эмпирический закон теплового расширения не объясняет причину такого расширения.

Поэтому для такого объяснения необходимо выйти за рамки наблюдаемых зависимостей, которые выражаются в эмпирических законах, и обратиться к теоретическим гипотезам и законам. В отличие от эмпирических законов они содержат понятия и величины, относящиеся к ненаблюдаемым объектам. Именно такими объектами являются атомы, а также образованные из них молекулы. С помощью атомов и молекул в кинетической теории вещества объясняются все перечисленные и другие известные эмпирические законы. Например, для того, чтобы ответить на вопрос: почему объем газа увеличивается вдвое, когда его давление уменьшается на столько же, представляем себе газ, состоящий из огромного числа атомов или молекул, движущихся беспорядочно в различных направлениях и с разной скоростью. Непосредственно наблюдаемое и измеряемое уменьшение давления газа истолковываем, а увеличение свободного пробега составляющих его атомов и молекул, вследствие чего возрастает объем, занимаемый газом. Аналогично этому расширение тел при нагревании объясняют возрастанием средней скорости движущихся молекул.

Таким образом, такие свойства наблюдаемых нами тел и законов их поведения мы объясняем с помощью простых свойств невидимых атомов и молекул. При этом свойства более сложных образований, какими являются молекулы, объясняются также с помощью атомов, так что атомы оказываются последними, далее неразложимыми частицами вещества, а точнее, химических элементов. Поэтому атом в химии обычно определяют как наименьшую часть или единицу химического элемента.

Попытка сведения всех многообразных и сложных свойств и закономерностей тел и явлений окружающего мира к более простым вряд ли могла считаться успешной, потому что на каждом уровне познания раскрывались новые границы и находились новые неделимые последние частицы материи. Вплоть до конца ХIХ века такой частицей считался атом, но крупнейшие открытия в физике привели к отказу от такой точки зрения. Среди этих открытий следует отметить: обнаружение явлений естественной радиоактивности таких химических элементов, как радий и уран. Эти элементы в естественных условиях испускают специфические радиоактивные лучи и в результате превращаются в другие в другие химические элементы, а в конечном итоге - в свинец. Именно так истолковали радиоактивные превращения английские физики Эрнст Резерфорд и Фредерик Содди. Отсюда непосредственно следовало, что атомы вовсе не являются неизменными, неделимыми и последними кирпичиками мироздания. Вскоре после радиоактивности была открыта мельчайшая частица электричества - электрон.

В 1913 г. Э Резерфорд показал, что основная часть массы атома сосредоточена в его центральной части - ядре, так как вдали от него a-частицы проходят беспрепятственно. Основываясь на этих экспериментах, он предложил планетарную модель атома, согласно которой вокруг массивного ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны.

Впоследствии эта модель была модифицирована известным датским физиком Нильсом Бором и другими учеными. Оказалось, что электроны не могут вращаться по любым орбитам, а только по стационарным, ибо в противном случае они бы непрерывно излучали энергию и упали бы на ядро, и атом самопроизвольно разрушился. Однако это не наблюдается, так как атомы являются весьма устойчивыми образованиями. Все эти и связанные с ними революционные открытия невозможно было понять и объяснить с точки зрения старой, классической физики, и поэтому в первое время немало ученых считали, что они не только подрывают материалистический взгляд на природу, но и отрицают объективное содержание физической науки. Если прежние понятия и принципы этой науки меняются, то, следовательно, в них не содержится никакой истины. Так восприняли новые открытия в физике некоторые ученые. Поэтому одна часть ученых стала рассматривать научные истины просто как условные соглашения, принимаемые в целях обобщения эмпирического материала, другая - как полезные инструменты для предсказаний, третья - как средства для «экономии мышления». (2; 141).

Таким образом, из относительности научных истин, из того, что они неполно, не целиком верно, а лишь приблизительно отражают свойства и закономерности природы, был сделан совершенно ошибочный вывод, что они вообще не являются объективными истинами, т.е. знание, содержащееся в них, не зависит от человека. Все это породило кризис в физике в конце ХIХ - начале ХХ вв., выход из которого следовало искать в переходе от старых понятий и принципов классической физики, оказавшихся неадекватными для изучения свойства материи на атомном уровне, к новым понятиям и теориям, которые бы верно отражали эти свойства и закономерности.

Такой новой фундаментальной теорией стала квантовая механика, которая ввела совершенно неизвестные для классической физики принципы дуализма волны и частицы, неопределенности (неточности) и дополнительности, а вместо универсальных законов прежней физики стала широко применять статистические законы и вероятностные методы исследования.

Дальнейшее развитие концепции атомизма

После того, когда физики установили, что атом не является последнем кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц, идея поиска таких частиц заняла главное место в их исследованиях. Мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных, фундаментальных частиц, которые впоследствии были названы элементарными. В обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона или нейтрона. Наиболее известными элементарными частицами являются электрон, фотон, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лейптоны и нейтрино. Позже были открыты частицы с весьма экзотическими названиями. Общее их число превышает 350. (2; 142).

По-видимому, все частицы, которые в настоящее время считаются элементарными, являются специфическими формами существования материи, которые не объединены в ядра и атомы, вследствие чего их часто называют субъядерными частицами.

Исторически электрон был первой элементарной частицей, открытой еще в конце 19 века известными английским физиком Дж.Дж. Томсоном. В 1919 г. Э. Резерфорд, бомбардируя атомы а-частицами, открыл протоны. В начале 20 в. был открыт фотон, в 1932 г. такая необычная частица, как лишенный заряда нейтрон, спустя четыре года - первая античастица - позитрон, которая по массе равна электрону, но обладает положительным зарядом. В дальнейшем при исследовании космических лучей были обнаружены многие другие элементарные частицы, в частности мюоны и различные типы мезонов.

С начала 50-х гг. ХХ в. основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их помощью удалось открыть такие античастицы, как антипротон и антинейтрон. С того времени физики стали выдвигать гипотезы о существовании антивещественного и даже антиматериального мира. В 1970 и 1980-е годы поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили даже о семействах элементарных частиц, которые назвали «странными», «очарованными», «красивыми».

Одна из характерных особенностей элементарных частиц состоит в том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Другое их свойство заключается в способности рождаться и уничтожаться, т.е. испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами.

По интенсивности, с которой происходят взаимодействия между элементарными частицами, их делят на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они, за исключением фотона, могут быть отнесены к двум группам.

К первой относятся адроны, для которых характерно наличие сильного взаимодействия, но они могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Ко второй группе принадлежат лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Помимо общих групповых характеристик, элементарные частицы обладают также специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относят электрон, протон, фотон и нейтрино. Квазистабильные частицы распадаются вследствие электромагнитного и слабого взаимодействия. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия. Спин характеризует собственный момент количества движения частицы и измеряется целым или полуцелым значением, кратным постоянной Планка. Так, у протона и электрона он равен ?, а у фотона 0. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону.

Кварковая модель адронов

Большое число элементарных частиц и в особенности адронов уже в начале 1950-х годов побудило физиков заняться поиском закономерностей в распределении их масс и других квантовых чисел. Эти поиски привели американского физика М. Гелл-Мана к гипотезе, что все адроны являются комбинациями кварков.

По современным представлениям кварки - гипотетические материальные объекты, из которых состоят все адроны, т.е. частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся все мезоны и барионы, а также многочисленные нестабильные (резонансные) элементарные частицы. Согласно новой гипотезе, мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы (тяжелые частицы, такие как протон, нейтрон и им подобные) из трех кварков. Гипотеза кварков стала необходимой для объяснения динамики различных процессов, в которых участвую адроны. Но хотя она теоретически необходима, никакого экспериментального подтверждения, несмотря на многочисленные поиски с помощью ускорителей высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде, их не было найдено. Это заставило физиков предположить, что здесь встречаемся с принципиально новым явлением природы, которое называют удержанием кварков. Однако это мнение не является общепринятым и встречает различные возражения.

На пути создания непротиворечивой теории элементарных частиц возникает немало трудностей, связанных, например, с получением бесконечно большого значения для некоторых физических величин, неясностью механизма определения массы «истинных» элементарных частиц и рядом других проблем. В последние годы наметилась тенденция преодоления этих трудностей путем отказа от представления об элементарных частицах как о точечных образованиях и признания их конечной протяженности, а также принятия новой геометрии на весьма малых расстояниях. По-видимому, перспективным является также учет влияния гравитации на таких расстояниях. Новые пути исследования открываются также включением гравитационного взаимодействия в общую структуру взаимодействия элементарных частиц.

Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно в конечном итоге свести к свойствам составляющих его мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки. Трудности, которые возникают при таком подходе, с общей мировоззренческой точки зрения связаны, во-первых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, во-вторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними.

Микромир

Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на три качественно различные области - микро-, макро- и мегамиры.

Еще в начале ХХ века. Немецкий физик М. Планк определил фундаментальные константы - длины (10 см) и времени (10 см), получившие название «планковская длина» и «планковское время». Это более чем в миллиард миллиардов раз меньше размеров атомных ядер (10 см), которые сами на пять порядков (10, т.е. в сто тысяч раз) мельче атомов, характеризующихся величинами в 10см. Считается, что в области планковских масштабов неприменима общая теория относительности, и для описания физических процессов здесь необходимо создание квантовой теории гравитации. Это свидетельствует не только о количественном, но и о качественном отличии предполагаемого гипомира от надежно установленного микромира - мира атомов и большого семейства (примерно четырехсот) так называемых элементарных частиц - электронов, протонов, нейтронов и др. В области реально, экспериментально изучаемого мира физики фиксируют размеры порядка 10 см (в тысячу раз меньше размеров атомных ядер).

Специфика микромира наиболее ярко отражена в разделах физики, основанных на квантовой механике, в том числе релятивистской, учитывающей одновременно и квантованность, и относительность (релятивность) процессов в микромире, их структурных, пространственно-временных и энергетических характеристик.

Многообразие микромира предполагает его единство через взаимопревращаемость частиц и полей. Особенно важно превращение «пары» - частицы и античастицы - в частицы другого «сорта». Первым было открыто превращение электрона и позитрона в кванты электромагнитного поля - фотоны и обратный процесс «порождения» пар из фотонов, обладающих достаточно большой энергией.

Заключение

В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т.е. состоит из мельчайших частиц - атомов.

Концепция атомизма - концепция дискретного, квантованного строения материи - пронизывает естествознание на протяжении всей его истории - от античной натурфилософии Левкиппа и Демокрита до современных учений физики, химии, биологии и других наук.

Многие ведущие физики и химики даже в конце Х1Х века не верили в реальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц - молекулы.

Постепенно, шаг за шагом, современная физика открывала совершенно новый мир физических объектов - микромир, или мир микроскопических частиц, для которых характерны преимущественно квантовые свойства.

С философской точки зрения особенно интересными представляются новые подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних, неделимых и фундаментальных ее частиц, а скорее на выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств других материальных образований. Такая точка зрения высказывалась еще В. Гейзенбергом, но пока не получила дальнейшего развития.

Список использованной литературы

1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. - 520 с.

2. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1999. - 288 с.

3. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. - М.: Владос, 1998. - 232 с.