Размещено на http://www.allbest.ru/

7

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального обучения

«Шуйский Государственный Педагогический Университет»

Малафеева

Анастасия Алексеевна

«Корпускулярная и континуальная концепции описания природы»

Реферат

по Концепции Современного Естествознания

Шуя 2010 год.

Содержание

Введение

I. Проблема материи

II. Корпускулярная концепция описания природы

1.Атомизм

2.Механицизм. Его развитие и основные положения

3.Квантовая теория строения атома

а)Опыты Резерфорда. Модель атома Резерфорда

б)Теория Бора для атома водорода. Постулаты Бора

III. Континуальная концепция строения материи

1.Концепция дальнодействия и близкодействия

IV. Единство корпускулярных и волновых свойств материальных объектов

1.Теория о корпускулярных и волновых свойствах микрочастиц

V. Элементарные частицы

1.Фундаментальные физические взаимодействия

а)Гравитация

б)Электромагнетизм

в)Слабое взаимодействие

г)Сильное взаимодействие

2.Классификация элементарных частиц

а)Характеристики субатомных частиц

б)Лептоны

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее важных и существенных вопросов, как философии, так и естествознания является проблема материи. Представления о строении материи находят свое выражение в борьбе двух концепций: прерывности (дискретности) -- корпускулярная концепция, и непрерывности (континуальности) -- континуальная концепция. С ними тесно связаны проблемы взаимодействия материальных объектов, которые проявлялись как концепция дальнодействия (передача действия без физической среды) и концепция близкодействия (передача действия от точки к точке).

Концепция прерывности была создана И. Ньютоном. Подход Ньютона определил исходное положение атомизма, который основывался на признании дальнодействующих сил.

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. До конца XIX в. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что материя состоит из отдельных неделимых частиц -- атомов. С точки зрения современного атомизма, электроны -- "атомы" электричества, фотоны --"атомы" света и т. д.

Концепция атомизма, впервые предложенная древнегреческим философом Левкиппом в V в. до н. э., развитая его учеником Демокритом и затем древнегреческим философом-материалистом Эпикуром (341--270 до н. э.) из апечатленная в замечательной поэме "О природе вещей" римского поэта и философа Лукреция Кара (I в. до н. э.), вплоть до нашего столетия оставалось умозрительной гипотезой, хотя и подтверждаемой косвенно некоторыми экспериментальными доказательствами (например, броуновским движением, законом Авогадро и др.).

Многие ведущие физики и химики даже в конце XIX в. 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.

Реальное существование молекул было окончательно подтверждено в 1906 г. опытами французского физика Жана Перрена (1870--1942) по изучению закономерностей броуновского Движения. В современном представлении молекула -- наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н2, О2, НF, КСI) до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц(одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой.

Атом -- составная часть молекулы, в переводе с греческого означает "неделимый". Действительно, вплоть до конца XIX в.неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856--1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав электронной оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г.предложил одну из первых моделей атома.

ПРОБЛЕМА МАТЕРИИ

Материя (физ.) - это все то, что прямо или косвенно (опосредованно) воздействует на органы чувств человека.

Материя (философ.) - это реальность, данная нам в ощущениях и независимая от человека.

Проблема определения сущности материи весьма сложна. Сложность заключается в высокой степени абстрактности самого понятия материи, а также в многообразии различных материальных объектов, форм материи, ее свойств и взаимообусловленностей.

Обращая свое внимание на окружающий нас мир, мы видим совокупность разнообразных предметов, вещей. Эти предметы обладают самыми различными свойствами. Одни из них имеют большие размеры, другие - меньшие, одни просты, другие - более сложны, одни постигаемы достаточно полно непосредственно чувственным образом, для проникновения в сущность других необходима абстрагирующая деятельность нашего разума. Отличаются эти предметы и по силе своего воздействия на наши органы чувств.

Однако при всей своей многочисленности и разнообразии самые различные предметы окружающего нас мира имеют один общий, если так можно выразиться, знаменатель, позволяющий объединить их понятием материи. Это общее есть независимость всего многообразия предметов от сознания людей. В то же время это общее в бытии различных материальных образований является предпосылкой единства мира. Однако заметить общее в самых различных предметах, явлениях, процессах - задача далеко не простая. Для этого нужна определенная система сложившихся знаний и развитая способность к абстрагирующей деятельности человеческого разума. Поскольку знания есть продукт приобретенный, причем накапливаемый постепенно, в течение длительного времени, то многие суждения людей о природе и обществе первоначально носили весьма неотчетливый, приближенный, а порой и просто неверный характер. В полной мере это относится и к определению категории материи.

Самый беглый анализ представлений древних ученых о материи показывает, что все они по духу своему были материалистическими, но общим их недостатком было, во-первых, сведение понятия материи к какому-то конкретному виду вещества или ряду веществ.

Во-вторых, признание материи в качестве строительного материала, некоей первичной неизменной субстанции автоматически исключало выход за пределы имеющихся о ней представлений. Тем самым каким-либо конкретным видом вещества с присущими ему свойствами ограничивалось дальнейшее познание, проникновение в сущность материи. Все же большой заслугой древних материалистов было изгнание представлений о боге-творце и признание взаимосвязи материи и движения, а также вечности их существования.

Заметный след в развитии учения о материи оставили мыслители Древней Греции Левкипп и особенно Демокрит - родоначальники атомистического учения об окружающем мире. Они впервые высказали мысыль о том, что все предметы состоят из мельчайших неделимых частиц - атомов. Первичная субстанция - атомы движутся в пустоте, и их различные сочетания суть те или иные материальные образования. Уничтожение вещей, по Демокриту, означает лишь их разложение на атомы. В самом понятии атома содержится нечто общее, присущее различным телам.

Вместе с тем, хотя атомистическое учение и устанавливало общую природу бытия микропредметов, однако оно не раскрывало в полной мере понятия материи; в силу своей субстанциональности и ограниченности оно не могло служить критерием общности всего многообразия видов материи. В настоящее время мы знаем, что атомы различны по своей природе и структуре и представляют лишь частицы вещества. Таким образом, у Демокрита мы видим отождествление понятия материи с одним из конкретных ее проявлений, с веществом.

Весьма важную попытку дать определение материи сделал французский материалист XVIII века Гольбах, который в работе "Система природы" писал, что "по отношению к нам материя вообще есть все то, что воздействует каким-нибудь образом на наши чувства".

Здесь мы видим стремление выделить то общее в различных формах материи, а именно: что они вызывают у нас ощущения. В этом определении Гольбах уже отвлекается от конкретных свойств предметов и дает представление о материи как абстракции. Вместе с тем определение Гольбаха было ограниченным. Оно не раскрывало до конца сущности всего того , что воздействует на наши органы чувств, оно не раскрывало специфики того, что не может воздействовать на наши чувства. Эта незавершенность предложенного Гольбахом определения материи создавала возможности как для материалистической, так и идеалистической ее трактовки.

К концу прошлого века естествознание, и в частности физика, достигло достаточно высокого уровня своего развития. Были открыты общие и, казалось, незыблемые принципы строения мира. Была открыта клетка, сформулирован закон сохранения и превращения энергии, установлен Дарвиным эволюционный путь развития живой природы, Менделеевым создана периодическая система элементов. Основой бытия всех людей, предметов признавались атомы - мельчайшие, с точки зрения того времени, неделимые частицы вещества. Понятие материи отождествлялось, таким образом, с понятием вещества, масса характеризовалась как мера количества вещества или мера количества материи. Материя рассматривалась вне связи с пространством и временем. Благодаря работам Фарадея, а затем Максвелла, были установлены законы движения электромагнитного поля и электромагнитная природа света. При этом распространение электромагнитных волн связывалось с механическими колебаниями гипотетической среды - эфира. Физики с удовлетворением отмечали: наконец-то, картина мира создана, окружающие нас явления укладываются в предначертанные им рамки.

Оценивая в целом представления классической физики XIX в. о строении и свойствах материи, отметим, что они страдали теми же недостатками, что и учения древних. Точка зрения на материю как на первичную, неизменную субстанцию и отождествление ее при этом с веществом содержали в себе предпосылки возможности критических ситуаций в физике. И это не замедлило сказаться.

На благополучном, казалось, фоне "стройной теории" вдруг последовала целая серия необъяснимых в рамках классической физики научных открытий. В 1896 г. были открыты рентгеновские лучи. В 1896 г. Беккерель случайно обнаружил радиоактивность урана, в этом же году супруги Кюри открывают радий. Томсоном в 1897 г. открыт электрон, а в 19О1 г. Кауфманом показана изменчивость массы электрона при его движении в электромагнитном поле. Наш соотечественник Лебедев обнаруживает световое давление, тем самым окончательно утверждая материальность электромагнитного поля. В начале ХХ в. Планком, Лоренцом, Пуанкаре и др. закладываются основы квантовой механики, и, наконец, в 19О5 г. Эйнштейном создается специальная теория относительности.

Многие физики того периода, мыслящие метафизически, не смогли понять сути этих открытий. Вера в незыблемость основных принципов классической физики привела их к скатыванию с материалистических позиций в сторону идеализма. Логика их рассуждений была такова. Атом - мельчайшая частица вещества. Атом обладает свойствами неделимости, непроницаемости, постоянства массы, нейтральности в отношении заряда. И вдруг оказывается, что атом распадается на какие-то частицы, которые по своим свойствам противоположны свойствам атома. Так, например, электрон имеет изменчивую массу, заряд и т.д. Это коренное отличие свойств электрона и атома привело к мысли, что электрон нематериален. А поскольку с понятием атома, вещества отождествлялось понятие материи, а атом исчезал, то отсюда следовал вывод: "материя исчезла". С другой стороны, изменчивость массы электрона, под которой понималось количество вещества, стала трактоваться как превращение материи в "ничто". Таким образом, рушился один из главнейших принципов материализма - принцип неуничтожимости и несотворимости материи.

Диалектико-материалистическое определение материи направлено против отождествления понятия материи с ее конкретными видами и свойствами. Тем самым оно допускает возможность существования, а значит, и открытия в будущем новых неизвестных, "диковинных" видов материи. Следует сказать, что в последние годы физики и философы все настойчивее предсказывают такую возможность.

Как уже говорилось, материя имеет ряд свойств. К их числу относятся:

движение, пространство и время, являющиеся атрибутами материи, т.е. тем, что обеспечивает их бытие. Далее. Материя вечна и бесконечна. Это означает, что она никогда не имела начала во времени и пространстве и не будет иметь конца. Принцип неуничтожимости и несотворимости материи и движения является следующим свойством материи. Этот принцип конкретно реализуется в многочисленных законах сохранения. Важным свойством материи является способность к взаимопревращению различных видов материи друг в друга. Отсюда следует, что отдельные виды материи могут исчезнуть, но при этом в определенном количественном соотношении появляются другие ее виды. И этот процесс бесконечен. А так же неисчерпаемость материи. Наконец, материя характеризуется противоречивостью, единством прерывного и непрерывного, единством конечного и бесконечного, абсолютностью и относительностью.

Систематизируя известные сведения о строении материи, можно указать следующую ее структурную картину.

Во-первых, следует выделить три основных вида материи, к которым относятся: вещество, антивещество и поле. Известны электромагнитные, гравитационные, электронные, мезонные и др. поля. Вообще говоря, с каждой элементарной частицей связано соответствующее ей поле. К веществу относятся элементарные частицы (исключая фотоны), атомы, молекулы, макро-и мегатела, т.е. все то, что имеет массу покоя.

Все указанные виды материи диалектически взаимосвязаны между собой. Иллюстрацией этого является открытие в 1922 г. Луи де Бройлем двойственного характера элементарных частиц, которые в одних условиях обнаруживают свою корпускулярную природу, а в других - волновые качества.

Во-вторых, в самом общем виде можно выделить следующие структурные уровни материи:

1. Элементарные частицы и поля.

2. Атомно-молекулярный уровень.

3. Все макротела, жидкости и газы.

4. Космические объекты: галактики, звездные ассоциации, туманности и т.д.

5. Биологический уровень, живую природу.

6. Социальный уровень - общество.

Каждый структурный уровень материи в своем движении, развитии подчиняется своим специфическим законам. Так, например, на первом структурном уровне свойства элементарных частиц и полей описываются законами квантовой физики, которые носят вероятностный, статистический характер. Свои законы действуют в живой природе. По особым законам функционирует человеческое общество. Имеется целый ряд законов, действующих на всех структурных уровнях материи (законы диалектики, закон всемирного тяготения и др.), что является одним из свидетельств неразрывной взаимосвязи всех этих уровней.

Всякий более высокий уровень материи включает в себя более низкие ее уровни. Например, атомы и молекулы включают в себя элементарные частицы, макротела состоят из элементарных частиц, атомов и молекул. Однако материальные образования на более высоком уровне не являются просто механической суммой элементов низшего уровня. Это качественно новые материальные образования, со свойствами, коренным образом отличающимися от простой суммы свойств составных элементов, что и находит свое выражение в специфике законов, описывающих их. Известно, что атом, состоящий из разнородно заряженных частиц, нейтрален. Или классический пример. Кислород поддерживает горение, водород горит, а вода, молекулы которой состоят из кислорода и водорода, гасит огонь. Далее. Общество есть совокупность отдельных людей - биосоциальных существ. Вместе с тем общество несводимо ни к отдельному человеку, ни к некоторой сумме людей.

В-третьих, исходя из приведенной выше классификации, можно выделить три различных сферы материи: неживую, живую и социально-организованную - общество. Выше мы рассматривали эти сферы в иной плоскости. Дело в том, что всякая классификация относительна, а поэтому в зависимости от потребностей познания можно давать самую различную классификацию уровней, сфер и т.д., отражающих сложную, многогранную структуру материи. Подчеркнем, что избранное то или иное основание классификации есть лишь отражение многообразия самой объективной реальности. Можно выделить микро-, макро- и мегамир. Этим классификация структуры материи не исчерпывается, возможны и другие подходы к ней.

Завершая анализ, отметим, что в глобальных масштабах материальное единство мира проявляется в различных аспектах:

- в абсолютности и вечности материи, ее несотворимости и неуничтожимости;

- во взаимной связи и обусловленности всех материальных систем и структурных уровней материи;

- в многообразных взаимных превращениях форм движущейся материи;

- в историческом развитии материи, возникновении живых и социально организованных систем на основе менее сложных форм;

- в наличии у всех форм материи всеобщих свойств и подчинении их универсальным диалектическим закономерностям.

Среди всех всеобщих свойств, атрибутов материи важнейшим является движение как способ существования материи.

КОРПУСКУЛЯРНАЯ КОНЦЕПЦИЯ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

Сложившиеся к началу XIX в. представления о строении материи были односторонними и не давали возможности объяснить ряд экспериментальных факторов. Разработанная М. Фарадеем и Дж. Максвеллом в XIX в. теория электромагнитного поля показала, что признанная концепция не может быть единственной для объяснения структуры материи. В своих работах М. Фарадей и Дж. Максвелл показали, что поле -- это самостоятельная физическая реальность.

Таким образом, в науке произошла определенная переоценка основополагающих принципов, в результате которой обоснованное И. Ньютоном дальнодействие заменялось близкодействием, а вместо представлений о дискретности выдвигалась идея непрерывности, получившая свое выражение в электромагнитных полях.

Вся обстановка в науке в начале XX в. складывалась так, что представления о дискретности и непрерывности материи получили свое четкое выражение в двух видах материи: веществе и поле, различие между которыми явно фиксировалось на уровне явлений микромира. Однако дальнейшее развитие науки в 20-е гг. показало, что такое противопоставление является весьма условным.

АТОМИЗМ

Атомизм утверждает, что материя состоит из отдельных чрезвычайно малых частиц; до конца 19 в. они считались неделимыми. Для современного атомизма характерно признание не только атомов но и других частиц материи как более крупных, чем атомы (например, молекул ) так и более мелких (атомные ядра, электроны и др.). С точки зрения современного атомизма, электроны суть «атомы» отрицательного электричества, фотоны -- «атомы» света и т. д. Атомизм распространяется и на биологические явления, в том числе на явления наследственности. В более широком смысле под атомизмом понимается иногда дискретность вообще какого-нибудь предмета, свойства, процесса (социальный атомизм, логический атомизм.).

Атомизм выступал почти всегда как материалистическое учение. Поэтому борьба вокруг него отражала прежде всего борьбу между материализмом и идеализмом в науке. Атомизм уже с древности был направлен против идеалистического и религиозного взгляда на мир, ибо всё сущее он объяснял при помощи частиц материи, не прибегая к сверхъестественным причинам. Материалистическое течение в атомизме исходит из тезиса, согласно которому атомы материальны, существуют объективно и познаваемы. Идеалистическая позиция выражается в отрицании реальности атомов; в объявлении их лишь удобным средством систематизации опытных данных , в отрицании их познаваемости.

Атомистические воззрения первоначально (на Др. Востоке, в античных Греции и Риме, отчасти в средние века у арабов) были лишь гениальной догадкой, превратившейся затем в научную гипотезу (17, 18 вв. и первые две трети 19 в.) и, наконец, в научную теорию. С самого зарождения и до конца 1-й четверти 20 в. в основе атомизм лежала идея о тождестве строения макро- и микрокосмоса. Из непосредственно наблюдаемой расчленённости видимого макромира (прежде всего звёздного) на отдельные более или менее обособленные друг от друга тела был сделан вывод, что природа, будучи единой, должна быть устроена в малейшей своей части так же, как и в величайшей. Древние атомисты считали поэтому непрерывность материи кажущейся, как кажется издали сплошной куча зерна или песка, хотя она состоит из множества отдельных частичек.

Признание единства строения макро - и микрокосмоса открывало путь к перенесению на атомы таких механических, физических или химических свойств и отношений, которые обнаруживались у макротел. Исходя из теоретически предугаданных свойств атомов, можно было сделать заключение о поведении тел, образованных из атомов, а затем экспериментально проверить это теоретическое заключение на опыте.

Идея о полном подобии строения макро - и микрокосмоса, казалось бы, окончательно восторжествовала после создания в начале 20 в. планетарной модели атома, основу которой составляло положение, что атом построен подобно миниатюрной Солнечной системе, где роль Солнца выполняет ядро, а роль планет -- электроны, вращающиеся вокруг него по строго определенным орбитам. Почти вплоть до 2-й четверти 20 в. идея единства строения макро- и микрокосмоса понималась слишком упрощённо, прямолинейно, как полное тождество законов и как полное сходство строения того и другого. Отсюда микрочастицы трактовались как миниатюрные копии макротел (как чрезвычайно малые шарики), двигающиеся по точным орбитам, которые совершенно аналогичны планетным орбитам, с той лишь разницей, что небесные тела связаны силами гравитационного взаимодействия, а микрочастицы -- электрического. Такая форма атомизма названа классическим атомизмом.

Современный атомизм, воплотившийся в квантовую механику, не отрицает единства природы в большом и малом, но раскрывает качественное различие микро- и макрообъектов: микрочастицы представляют единство противоположностей прерывности и непрерывности, корпускулярности и волно - образности. Это -- не шарики, как думали раньше, а сложные материальные образования, в которых дискретность (выраженная в свойствах корпускулы) определенным образом сочетается с непрерывностью (выраженной в волновых свойствах). Поэтому и движение таких частиц (например, электрона вокруг атомного ядра) совершается не по аналогии с движением планеты вокруг Солнца (т. е. не по строго определённой орбите), а скорее по аналогии с движением облака («электронное облако»), имеющего как бы размытые края. Такая форма атомизма названа современным (квантовомеханическим) атомизмом.

Виды атомизма различаются тем, какими конкретными физ. свойствами наделяются атомы и другие частицы материи, как характеризуются формы движения атомов. Первоначально атомизм носил сугубо абстрактный, натурфилософский характер: атомам приписывались лишь самые общие свойства (неделимость, способность двигаться и соединяться между собой), которые не были связаны с какими-либо измеримыми свойствами макротел. В 17--18 вв., когда развилась механика, атомизм приобрёл механистический характер; этот вид атомизма был несколько более конкретен, чем натурфилософия древних, но всё же ещё в большей мере оставался абстрактным и мало связанным с опытной наукой. Атомам приписывались теперь чисто механические свойства. Представители «механики контакта» считали, что причиной соединения атомов является фигура, геометрическая форма, наделяли атомы крючочками, посредством которых атомы якобы сцепляются между собой; иногда атомы изображались в виде зубчатых колесиков, зубцы которых подходят друг к другу в случае растворения тел или не подходят в случае их не растворения (М. В. Ломоносов). Представители «механики сил» (динамики) объясняли взаимодействие атомов наподобие гравитационного тяготения. Поэтому здесь играл роль только вес частиц, а не их геометрическая форма (она принималась шаровидной, как у небесных тел). От динамики И. Ньютона берёт начало особая ветвь атомизма. (хорватский физик Р. И. Бошкович), в которой сочетается идея Г. Лейбница о непространственных монадах (в виде геометрических точек -- центров сил) с понятием «силы» (Ньютон). Этот динамический атомизм явился предвосхищением современного атомизма, в котором неразрывно сочетается представление о дискретности материи с идеей неразрывности материи и движения (или «силы» в прежнем понимании). Исходя из взглядов Ньютона, Дж. Дальтон (1803) создал химический атомизм, способный теоретически обобщать и объяснять наблюдённые химические факты и предвидеть явления, ещё не обнаруженные на опыте. Дальтон наделил атомы «атомным весом», т. е. специфической массой, характерной для каждого химического элемента. В «атомном весе» нашла своё выражение мера химического элемента, представляющая собой единство его качественной (химическая индивидуальность) и количественной (значение «атомного веса») сторон. Развитие этого представления привело впоследствии к созданию Д.И. Менделеевым периодической системы химических элементов (1869--71), которая, по сути дела, есть узловая линия отношений меры химических элементов. В середине 19 в. атомизм в химии получил дальнейшую конкретизацию в учении о валентности (шотландский химик А.С. Купер, немецкий химик ф. А. Кекуле) и особенно в теории «химического строения» (А.М. Бутлеров, 1861). Атомы стали наделяться валентностью, т. е. способностью присоединять 1, 2 и более атомов водорода, валентность которого была принята за 1. В 19 в. атомы наделялись всё новыми свойствами, в которых резюмировались соответствующие химические и физические открытия. В связи с успехами электрохимии атомам стали приписываться электрические заряды (электрохимическая теория шведского учёного И. Я. Берцелиуса), взаимодействием которых объяснялись химические реакции. Открытие законов электролиза (М. Фарадей) и особенно создание теории электролитической диссоциации (шведский учёный С.А. Аррениус, 1887) привели к обобщению, выраженному в понятии «ион». Ионы это осколки молекул (отдельные атомы или их группы), несущие противоположные по знаку целочисленные электрические заряды. Дискретность зарядов ионов непосредственно подводила к идее дискретности самого электричества, что вело к идее электрона, к признанию делимости атомов. Во 2-й пол. 19 в. атомизм конкретизировался как молекулярно-физическое учение, благодаря разработке молекулярно-кинетической теории газов, раскрывающей связь между тепловой и механическими формами движения. Основные положения молекулярной гипотезы зародились ещё в 17 (П. Гассенди) и 18 вв. (Ломоносов), но приобрели экспериментальный базис лишь благодаря тому, что закон объёмных отношений газов, открытый Ж.Л. Гей-Люссаком (1808), был объяснён при помощи представления о молекулах (А. Авогадро, 1811). С тех пор молекулам приписывались такие физические свойства и движения, которые при их суммировании давали бы значения макроскопических свойств газа как целого, например температуры, давления, теплоёмкости и т.д. В дальнейшем атомизм в физике развился в особую ветвь статистической физики.

После открытия электрона (английский физик Дж. Дж. Томсон, 1097), создания теории квантов (М. Планк, 1900) и введения понятия фотона (А. Эйнштейн, 1905) атомизм принял характер физического учения, причём идея дискретности была распространена на область электрических и световых явлений и на понятие энергии, учение о которой в 19 в. опиралось на представления о непрерывных величинах и функциях состояния. Важнейшую черту современного атомизма составляет атомизм действия, связанный с тем, что движение, свойства и состояния различных микрообъектов поддаются квантованию, т. е. могут быть выражены в форме дискретных величин и отношений. В итоге вся физика микропроцессов, поскольку она носит квантовый характер, оказывается областью приложения современного атомизма Постоянная Планка (квант действия) есть универсальная физическая константа, которая выражает количественную границу, разделяющую две качественно различные области: макро- и микроявлений природы. Физический (или квантово-электронный) атомизм достиг особенно больших успехов благодаря созданию (Н. Бор, 1913) и последующей разработке модели атома, которая с физической стороны объясняла периодическую систему элементов. Создание квантовой механики (Л. де Бройль, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг, П. Дирак и др., 1924--28) придало атомизму квантово-механический характер. Успехи ядерной физики, начиная с открытия атомного ядра (Э. Резерфорд, 1911) и кончая открытием серии элементарных частиц, особенно нейтрона (английский физик Дж. Чедвик, 1932), позитрона (1932), мезонов различной массы, гиперонов и др., также способствовали конкретизации атомизма. Одновременно в 20 в. шло развитие химического атомизма в сторону открытия частиц более крупных, чем обычные молекулы (коллоидные частицы, мицеллы, макромолекулы, частицы высокомолекулярных, высокополимерных соединений); это придавало атомизму надмолекулярно-химический характер. В итоге можно выделить главные виды атомизма, которые явились вместе с тем историческими этапами в развитии:

1) натурфилософский атомизм древности,

2) механический атомизм 17--18 вв.,

3) химический атомизм. 19 в.

4) современный физический атомизм

С открытиями в области атомизма связаны крупные научные эпохи. «Новая эпоха начинается в химии с атомистики..., -- писал Энгельс, -- а в физике, соответственно этому, -- с молекулярной теории» («Диалектика природы», 1969, с. 257). Революцию в физике на рубеже 19 и 20 вв. вызвали, по словам В. И. Ленина, «новейшие открытия естествознания -- радий, электроны, превращение элементов...» (Полн. собр. соч., 5 изд., т. 23, с. 44). Начало века атомной энергии непосредственно связано с дальнейшим развитием современным физическим атомизмом.

Достижение каждой более глубокой ступени в познании материи и её дискретных видов (её строения), соответственно -- сущности более высокого порядка, не завершает движения познания в глубь материи, а кладет лишь новую веху на этом пути. «Молекула..., -- писал Энгельс, -- это -- «узловая точка» в бесконечном ряду делений, узловая точка, которая не замыкает этого ряда, но устанавливает качественную разницу. Атом, который прежде изображался как предел делимости, теперь -- только отношение...»(Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 31, с. 258). Сопоставление атомов с электронами Ленин рассматривал как конкретизацию положения о единстве конечного и бесконечного, где конечное есть лишь звено в бесконечной цепи отношений: «Применить к атомам versus электроны. Вообще бесконечность материи вглубь...» (Полн. собр. соч., 5 изд., т. 29, с. 100).

Для понимания философской стороны атомизма чрезвычайно важно проведённое Энгельсом разграничение между старым и новым атомизмом Старый атомизм признаёт абсолютную неделимость и простоту «последних» частиц материи, всё равно, будут ли этими частицами считаться атомы химических элементов (Дальтон и другие химики) или частицы первоматерии (Бойль и др.). Новый атомизм фактически исходит из отрицания каких-либо «последних», абсолютно простых, неизменных и неделимых частиц или элементов материи. Отвергая абсолютную неделимость или не превращаемость любой сколь угодно малой частицы материи, новый атомизм признаёт относительную устойчивость каждого дискретного вида материи, его качественную определённость, его относительную сохраняемость в известных границах. Например, делимый некоторыми физическими способами, атом неделим химически и в химических процессах ведёт себя как некое целое, неделимое. Точно так же и молекула: делимая (разложимая) химически на атомы, она в тепловом движении (до известных пределов, когда не наступает термическая диссоциация вещества) ведёт себя тоже как некое целое, неделимое.

Новый атомизм показывает, что процесс деления материи имеет свои многочисленные границы, при достижении которых совершается переход от одной ступени дискретности материи к другой, качественно от неё отличной; количеств, операция деления приводит, т. о., к выходу за пределы данного вида частиц и переходу в область другого их вида. В этом отношении новый атомизм противостоит, с одной стороны, идее абсолютной делимости материи до бесконечности (Аристотель, Р. Декарт, динамисты), представляющей пример «дурной бесконечности» (Гегель), а с другой стороны -- идее старого атомизма с его признанием лишь одного вида частиц материи, которыми одноактно завершается (точнее: обрывается) процесс деления материи.

На философские основы современного атомизма указал ещё Энгельс: «Новая атомистика отличается от всех прежних тем, что она... не утверждает, будто материя только дискретна, а признаёт, что дискретные части различных ступеней... являются различными узловыми точками, которые обусловливают различные качественные формы существования всеобщей материи...» («Диалектика природы», 1969, с. 257).

Особенно важно в новом атомизме признание взаимопревращаемости любых дискретных видов материи, неисчерпаемости любой сколь угодно малой её частицы. «... Диалектический материализм, -- писал Ленин, -- настаивает на приблизительном, относительном характере всякого научного положения о строении материи и свойствах ее, на отсутствии абсолютных граней в природе, на превращении движущейся материи из одного состояния в другое, по-видимому, с нашей точки зрения, непримиримое с ним и т.д.» (Полн. собр. соч., 5 изд., т. 18, с. 276). Примером служит взаимопревращение частиц света (фотонов) и частиц вещества (пары -- электрона и позитрона -- в процессе её рождения из фотонов и обратного её перехода в фотоны при аннигиляции пары).

Отрицание каких-либо «последних», «абсолютно неизменных» и т. Д. частиц материи оправдывается всем ходом углубления человеческого познания в строении материи (см. там же, с. 277).

Если старый атомизм исходил из того, что «последние», «неделимые» атомы находятся во внешнем отношении друг к другу, пространственно сополагаясь одни с другими, то новый атомизм признаёт такие взаимодействия частиц материи, в результате которых они испытывают коренные изменения, теряют свою самостоятельность, свою индивидуальность и как бы растворяются полностью друг в друге, претерпевая глубочайшие качеств, изменения. Так, примером подобных взаимодействий является взаимопревращение элементарных частиц материи.

Неисчерпаемость электрона наглядно обнаружилась после неудачи попыток построить модель атома, исходя из представления об электронах-шариках (или даже точках), наделённых определенной массой и зарядом и двигающихся вокруг ядра по законам классической механики. Ядерная же физика показала, что электрон может рождаться из нейтрона, гиперонов и мезонов (с выделением нейтрино), может поглощаться и исчезать как частица в атомном ядре (при захвате), может сливаться с позитроном, словом, испытывать такие многообразные и сложные коренные превращения, которые неоспоримо свидетельствуют о его реальной неисчерпаемости. В истории познания каждый крупный успеха томизма составлял не только революцию в физическом учении о материи и её строении, но вместе с тем очередное поражение идеалистического взгляда на природу (хотя сам по себе атомизм, конечно, отнюдь не всегда и не во всех своих конкретных формах непосредственно выражал научную истину). Так, открытие Дальтоном закона простых кратных отношений в химии привело в начале 19 в. к крушению идеалистической теории динамизма (Кант, Шеллинг, Гегель и др.), согласно которой основу природы составляет не материя, а прерывные силы. В конце 19 в. в физике и химии получило распространение феноменологическое, агностическое течение, связанное с термодинамикой и наиболее отчётливо обнаружившееся в энергетическом мировоззрении (В. Оствальд, 1895). Энергетизм, как и махизм, отрицал реальность атомов и молекул; он пытался построить всю физику и химию на представлении о чистой энергии, комплексом различных видов которой объявлялась сама материя и все её свойства. Успехи физики и химии на рубеже 19 и 20 вв., особенно подсчёт числа ионов -- газовых частиц, несущих электрические заряды, а также изучение «броуновского движения» и др. показали совпадение значений Авогадро числа, определённого самыми различными физическими методами. В 1908 Оствальд признал своё поражение в борьбе против атомизма «Я убедился, что в недавнее время нами получены экспериментальные подтверждения прерывного, или зернистого, характера вещества, которое тщетно отыскивала атомистическая гипотеза в течение столетий и тысячелетий. Изолирование и подсчет числа ионов в газах..., а также совпадение законов броуновского движения с требованиями кинетической теории... дают теперь самому осторожному ученому право говорить об экспериментальном подтверждении атомистической теории вещества... Тем самым атомистическая гипотеза поднята на уровень научно обоснованной теории» (Grundriss der allgemeinen Chemie, Lpz., 1909, S. Ill--IV).

В конце 1-й четверти 20 в. оказалось, что выбрасываемые при в-распаде электроны уносят только часть энергии, теряемой ядром. Отсюда был сделан вывод, что другая её часть попросту уничтожается. Материалистическое решение возникшей трудности (В. Паули, 1931) состояло в предположении, что при в-распаде наряду с электроном из ядра вылетает другая, неизвестная ещё частица материи, с очень малой массой и электрически нейтральная, которую назвали «нейтрино». Без представления о нейтрино невозможно понять многие ядерные превращения, а также и превращения элементарных частиц (мезонов, нуклонов, гиперонов). и здесь успех атомизма принёс поражение идеализму в физике.

После открытия позитрона И. и Ф. Жолио-Кюри наблюдали (1933) превращение позитронов и электронов в фотоны; наблюдалось также рождение пары -- электрона и позитрона -- при прохождении фотона -г-лучей вблизи атомного ядра. Эти явления были истолкованы как аннигиляция (уничтожение) материи и как её рождение из энергии. Развивая атомизма физики-материалисты (С. И. Вавилов, Ф. Жолио-Кюри и др.) показали, что в данном случае происходит взаимопревращение одного физического вида материи (вещества) в другой её вид (свет). Следовательно, и в этом отношении атомизм нанёс своими открытиями удар идеализму.

2. МЕХАНИЦИЗМ. ЕГО РАЗВИТИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Естествознание с античных времен определяло наше отношение к природе, и его роль все более возростала с тех пор, как предсказания важнейших научных теорий стали многократно подтверждаться опытом. Основные философские течения строились на физической науке и, казалось бы, неопровержимых фактах, установленных ею.

Однако дальнейшее развитие физики и прежде всего создание теории электромагнетизма, теории относительности и квантовой механики вызвали необходимость пересмотра философских учений.

Одно из основных учений - имеющее первостепенное значение само по себе и на которое в той или иной мере опираются все остальные учения, получило название "механицизм". Суть его можно сформулировать так: физический мир представляет собой гигантский механизм, части которого взаимодействуют между собой. Механизм действует без сбоев и ошибок, о чем свидетельствуют движение планет, регулярность чередования приливов и отливов, предсказуемость солнечных и лунных затмений. Части гигантского механизма - это непрерывно движущаяся материя. Движение обусловлено действием сил.

В основе механицизма лежит понятие материи как некоторой телесной вещественной субстанции. Убеждение в том, что материя составляет основу всего сущего, восходит к древним грекам. Выдающиеся греческие философы наблюдали окружающий мир и, несмотря на свои весьма ограниченные возможности, всеми доступными им средствами исследовали природу. При этом они с готовностью переходили от немногочисленных наблюдений к широким философским обобщениям. Так, Левкипп и Демокрит выдвинули идею о том, что мир состоит из неразрушимых и неделимых атомов, существующих в пустоте.

Аристотель строил материю из "четырех элементов" - земли, воды, воздуха и огня, но не из настоящих земли, воды, воздуха и огня, а из четырех сущностей, наделенных теми качествами, которые мы воспринимаем посредством наших органов чувств в четырех реальных аналогах этих "элементов". Томас Гоббс, развивая более грубый вариант того же учения, утверждал:

Мир, т.е. вся масса всех вещей, телесен; иначе говоря, есть тело, и оно обладает измерениями величины, а именно длиной, шириной и глубиной; но каждая часть тела также есть тело и также обладает измерениями.

Следовательно, каждая часть нашего мира есть тело, а то что не есть тело, не есть часть мира, а поскольку мир есть все - то, что не есть часть его есть ничто и, следовательно, не существует нигде .

Тело, продолжает Гоббс, есть нечто такое, что занимает пространство; оно делимо, подвижно, подвержено действию сил и ведет себя математически.

Таким образом, механицизм утверждает, что реальность это всего лишь сложная машина, управляющая объектами в пространстве и во времени. Так как мы сами составляем часть физической природы, все человеческое должно быть объяснимо через понятие материи, движения и математики.

Декарт так же утверждал, что все физические явления можно объяснить с помощью понятия материи и движения. По Декарту, материя действует на материю при непосредственном соприкосновении. Материя состоит из мельчайших невидимых частиц, отличающихся по величине, форме и другим свойствам. Так как частицы слишком малы и их нельзя видеть, для объяснения крупномасштабных и потому доступных наблюдению явлений, например движение планет вокруг Солнца, требовалось принять определенные гипотезы относительно поведения таких частиц. Понятие пустого пространства Декарт отвергал.

Естествознанию картезианская философия (от имени Декарта Картезий), которую разделяло большинство естествоиспытателей доньютоновской эпохи, в частности Гюйгенс, отводила по существу ту же функцию, а именно физическое объяснение явлений природы.

До начала XX-го века большинство физиков и философов придерживались убеждения, что материя - первооснова и сущность физической реальности. По этому поводу Ньютон писал:

При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятным, что Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур, и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству,, которые более всего подходили бы для той цели, для которой он их создал. Эти первоначальные частицы, являясь твердыми, несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются на куски. Никакая обычная сила неспособна разделить то, что создал Бог при первом творении.

Развитие идей механицизма в XVII-XVIII веках прежде всего связано с развитием революционных идей в математике, выдвинутых Ньютоном для описания движения небесных тел - а именно с развитием основ дифференциального и интегрального исчисления. На заре своего развития понятия "предельных отношений" и тесно связанных с ними "флюксий" (производных) были подвержены резким нападкам со стороны современников. Дж. Беркли, родившийся как раз в тот год, когда была опубликована работа Ньютона "Математические начала натурной философии", впоследствии писал: "Лишь тот, кто способен представить себе начало начал или конец конца… в состоянии постигнуть эти рассуждения. Однако я уверен, что большинство людей сочтет невозможным когда-нибудь понять их смысл". Производные второго или высшего порядка он считал особенно нелепым изобретением, сравнивая их с чем то вроде " призраков от призраков": Что такое эти флюксии? Скорости исчезающе малых приращений. А что такое эти исчезающе малые приращения? Они не есть ни конечные величины, ни бесконечно малые величины, но они и не нули. Разве мы не имеем право назвать их призраками исчезнувших величин?

Но я полагал бы, что тому, кто в состоянии переварить вторую или третью флюксии, второй или третий дифференциал, не следовало бы привередничать в отношении какого-либо положения в вопросах религиозных .

Однако, невероятная эффективность применения развитого Ньютоном аппарата к описанию механических систем интересовала ученых гораздо больше, чем нападки критиков. А так как движущаяся материя была ключом к математическому описанию движения планет и свободно падающих тел, ученые попытались распространить такое материалистическое объяснения на явления, природу которых они совсем не понимали. Так процесс передачи тепла от одного тела к другому описывался как передача от тела к телу особого газа - теплорода, а электричество представлялось как две жидкости, несущие положительный и отрицательный заряды. Для объяснения непрерывного движения планет Ньютон ввел силу тяготения. Для описания действия электрического заряда на расстоянии Фарадей ввел понятие силовых линий поля, которые считал реально существующими.

К концу XVIII века наиболее полное развитие получила одна область физики - механика. В знаменитой французской "Энциклопедии" Д'Аламбер и Дидро провозгласили, что механика - наука универсальная. Она стала парадигмой для более новых быстроразвивающихся областей науки.

Лейбниц, хотя и отстаивал механицизм как самоочевидную истину, не мог удовлетвориться одним лишь этим направлением. Бог, энергия и цель были одинаковы для него. По утверждению великого физика, врача и математика Германа Гельмгольца миссия физической науки завершится, как только удастся окончательно свести явления природы к простым силам и доказать, что такое сведение - единственное, допускаемое этими явлениями. Аналогичную точку зрения находим у лорда Кельвина: "Я никогда не испытываю чувства полного удовлетворения до тех пор, пока не построю механическую модель изучаемого объекта. Если мне это удается, то я сразу все понимаю, в противном случае не понимаю".

Вплоть до конца XIV века физики пребывали в уверенности, что все явления природы допускают механическое объяснение. А если какие-то явления пока не удалось объяснить в рамках механицизма, то, считалось, со временем это будет сделано. Среди явлений, которые не находили механического объяснения, особенно важными были действие тяготения и распространение электромагнитных волн, для которых великий Ньютон так и не смог построить удовлетворительной модели в рамках механицизма, несмотря на все свои усилия; по поводу чего изрек свое знаменитое: "Я не измышляю гипотез".

Тем не менее, многие философы XVIII-XIX-го столетий упорно придерживались механицизма. Физики были настолько ослеплены успехами ньютоновского направления в науке, что упустили из виду проблему объяснения физической природы дальнодействия. И хотя все тот же Дж. Беркли подвергал критике понятие физической силы тяготения с общих позиций своей философии (в сочинении "Алсифрон, или мелкий философ" (1732) он писал:"Поскольку ни ты , ни я не можем определить идею силы, и поскольку… разум и способности людей во многом схожи, мы можем предположить, что … у людей нет ясного представления об идее силы" , воспользовавшись только льшь математическим выражением Закона всемирного тяготения они (в особенности Лагранж и Лаплас) настолько преуспели в применении этого закона для объяснения ряда наблюдаемых аномалий в движениях небесных тел и в обнаружении новых явлений, что проблема физической природы тяготения оказалась погребенной под грудой математических трудов того времени.

Подводя итог, можно сказать, что не только замечательные достижения самого Ньютона, но и сотни результатов, полученных его многочисленными последователями, стали возможными, благодаря тому, что их авторы полагались на математическое описание даже в случаях, когда физическое понимание явления полностью отсутствовало. По существу все эти естествоиспытатели принесли физическое понимание в жертву математическому описанию и математическому предсказанию.

3.КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА

природа материя корпускулярный континуальный частица

Квантовая теория строения атома -- это определенный раздел квантовой механики, объясняющий разнообразие свойств мельчайших частиц вещества. Основоположники ее -- австрийский физик-теоретик Э. Шредингер, французский физик Л. де Бройль и немецкий физик-теоретик В. Гейзенберг -- показали наличие у микрочастиц ряда новых особенностей, которые определяли характер современного атомизма:

корпускулярно-волновой природы элементарных частиц;

то, что волновые характеристики -- это различные проявления единого материального образования. Исследования Л. де Бройля показали, что квантово-механическая природа есть у всех видов материи. Классическая механика исключала возможность дифракции электрона, протона, нейтрона, а экспериментальные данные подтвердили гипотезу де Бройля и определили новый подход к пониманию процессов микромира.

Совершенно новыми оказались и свойства объектов современной атомистики. Принятые в классической механике понятия, характеризующие положение частицы в пространстве и ее движение, теряют теперь всякий смысл. В классической физике траектория давала возможность описать путь, она могла быть представлена в виде линии. В современном атомизме частицы не имеют траектории: можно лишь указать область пространства, в котором имеется определенная вероятность обнаружить частицу.

Опыты Резерфорда. Модель атома Резерфорда

Опыты Резерфорда

В 1911 г. Резерфорд провел исключительные по своему значению эксперименты, доказавшие существование ядра атома. Для исследования атома Резерфорд применил его зондирование (бомбардировку) с помощью б-частиц, которые возникают при распаде радия, полония и некоторых других элементов. Резерфордом и его сотрудниками еще в более ранних опытах в 1909 г. было установлено, что б-частицы обладают положительным зарядом, равным по модулю удвоенному заряду электрона q =+2e, и массой, совпадающей c массой атома гелия, то есть

m_а = 6,62 · 10^-27 кг,

что примерно в 7300 раз больше массы электрона. Позже было установлено, что б-частицы представляют собой ядра атомов гелия. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут изменить траекторию б-частбицы. Их рассеяние (изменение направления движения) может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию б-частиц можно определить характер распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома.