МІНІСТЕРСТВО ВНУТРІШНІХ СПРАВ УКРАЇНИ
Білгородський ЮРИДИЧНИЙ ІНСТИТУТ
Кафедра гуманітарних і соціально-економічних дисциплін
Дисципліна: "Концепції сучасного природознавства"
РЕФЕРАТ
за темою: "Концепція атомізму як концепція корпускулярно-хвильового дуалізму"
Підготував: професор кафедри ГіСЕД,
к.ф.н., доц. Номерків А.Л.
Перевірив: Студент 534 групи
Малявкин Г.М.
Білгород - 2008
В основі атомістичної ідеї лежить питання про межу подільності тіла на частини. Позитивна відповідь на це питання означав, що є такий момент, що подальший поділ будь-якого фізичного тіла стає неможливим, і існує одна або декілька різних частинок-атомів, які становлять основу сущого і з різних комбінацій яких складаються всі тіла. В іншому випадку матерія була б безперервною, нескінченно подільною.
Античні греки вирішували це питання філософськи-умоглядно, і традиція такого підходу протрималася після них ще майже два тисячоліття. Наука ж в сучасному її розумінні виникла лише в XVII столітті, коли експерименту було надано вирішальне право брати участь в обговоренні питань буття і внаслідок чого на допомогу "чистого розуму" були покликані органи почуттів. Саме з цього часу і можна було вже відраховувати справжнє пізнання атома як такого. Але повернемося до первоначалам атомістичної концепції.
Левкіпп (5 століття до н. Е..) - Давньогрецький філософ-матеріаліст, один з творців античної атомістики, був вчителем Демокріта, історична особистість якого, як творця завершеною філософської системи атомістики практично повністю затулила особистість його вчителя. Левкіпп для пояснення різноманіття предметів стверджував існування відносного небуття, тобто наявності порожнечі простору, повністю позбавленого матерії, як своєрідної арени, на якій розігруються все що відбуваються в природі речові процеси. Порожнеча поділяє все суще на безліч елементів. Властивості цих елементів залежать від обмежує їх порожнього простору. Розрізняються вони за величиною, фігурі, руху. Але всі елементи мисляться як однорідні, безперервні і тому неподільні (atomoi). Левкіпп вважав рух властивістю, внутрішньо притаманне атомам.
Демокріт (460-370 до н. Е..) - Давньогрецький філософ-матеріаліст, творець завершеною філософської системи атомістики. Історичне місце філософії Демокріта визначається етапом переходу давньогрецької натурфілософії до вироблення поняття індивідуального буття. Це й знайшло своє відображення у вихідному понятті філософії Демокріта - понятті "атома", як деякого неподільного матеріального індивідуума (грецьке atomos, як і латинське individuum означає «неподільний», який визнається не виникають і не гинуть, не разрушімим, не схильним до якого-небудь впливу ззовні, справжнім буттям, що протистоїть порожнечі як абсолютного ніщо. Атом, таким чином, перетворювався у Демокріта просто в геометричне тіло, яке також неразрушими, вічно і не має яких-небудь фізичних властивостей. Демокріт заперечував нескінченну подільність матерії. Атоми різняться між собою тільки формою, порядком взаємного прямування, і положенням в порожньому просторі, а також величиною і залежить від величини вагою. Вони мають нескінченно різноманітні форми з западинами або опуклостями. Демокріт називає атоми також "фігурами" або "видики", з чого випливає, що атоми Демокріта є максимально малими, далі неподільними фігурами чи статуетками.
У сучасній науці багато сперечалися про те, чи є атоми Демокріта фізичними або геометричними тілами, однак сам Демокріт ще не дійшов до розрізнення фізики та геометрії. З цих атомів, що рухаються в різних напрямках, з їх "вихору" з природної необхідності шляхом зближення взаімноподобних атомів утворюються як окремі цілі тіла, так і весь світ, рух атомів вічно, а число виникають світів нескінченно. Атоми для людини невидимі, а людські відносини пояснюються витіканнями з атомів, "видики", що діють на наші органи почуттів і викликають відповідні відчуття, так що не існує ні солодкого, ні гіркого, ні білого, ні чорного самого по собі, але тільки атоми і порожнеча.
Істотні зміни в атомістичне вчення Демокріта вніс Епікур (342-341 до н. Е..). Вихровий рух атомів замінюється у Епікура падінням, вводиться поняття "ваги атомів". Особливо примітно вчення Епікура про довільне відхилення атомів від падіння по прямій, що обгрунтовують виникнення світів (число яких нескінченно) і свободу індивіда (тобто атома і людини). У боротьбі з традиційним для античної натурфілософії поняттям року (долі) Епікур доходить до безпрецедентного заперечення точної закономірності небесних явищ. Філософська поема Лукреція (1 століття до н. Е..) "Про природу речей", написана у формі дидактичного епосу, викладає вчення Епікура - головним чином його фізику. Можна відзначити, що це єдиний повністю збережений пам'ятник матеріалістичної думки античної історії.
Тому що при електролізі однакову кількість атомів будь-якого одновалентного елемента завжди переносить одне і те ж кількість електрики, можна було припустити, що в природі існує "атом кількості електрики", однаковий в атомах усіх елементів.
Першим вказівкою на складну структуру атома - були досліди з вивчення катодних променів, які виникають при електричному розряді в сильно розріджених газах (у так званій трубці Крукса). Для спостереження цих променів зі скляної трубки, в яку упаяно два металеві електроди, викачується по можливості все повітря і потім пропускається крізь неї струм високої напруги. За таких умов від катода трубки перпендикулярно до його поверхні поширюються "невидимі" "катодні промені", що викликають яскраве зелене свічення в тому місці, куди вони потрапляють. Виявилося, що катодні промені мають також здатністю приводити в рух легко рухливі тіла, які, перебуваючи на їхньому шляху, відхиляються від свого початкового положення.
Було з'ясовано, що дія катодних променів виявляється тільки усередині трубки, так як скло для них виявилося непроникним. Вивчення властивостей катодних променів привело до висновку, що вони складаються з найдрібніших частинок, що несуть негативний заряд і летять зі швидкістю, що досягає половини швидкості світла. Також вдалося визначити масу і величину їхнього заряду. Електричний заряд, таким чином, складав для них сутність їхньої природи.
Виявлений у трубці Крукса електричний заряд отримав надалі назву "елементарного заряду", а в 1891 році ірландський фізик Дж. Стогін запропонував для нього назву "електрон" (від грец. "Бурштин"). Але поки ці міркування в історико-науковому відношенні носили лише чисто гіпотетичний характер.
У катодних трубках електрони відокремлюються від катода під впливом електричних сил. Але вони можуть бути отримані і в інших умовах. Так, наприклад, електрони можуть випускати і при електронній емісії металів, а також при фотоефекті багато речовин також викидають електрони. Виділення електронів найрізноманітнішими речовинами вказує на те, що ці частинки входять до їх складу.
Ще стародавні греки знали, що якщо бурштин натерти шерстю або хутром, то він буде притягати легкі предмети, наприклад пір'я або шматочки соломи. Це явище вивчав Вільям Гільберт (1540-1603), який запропонував назву "електричний" для опису діє в даному випадку сили тяжіння. Ця назва походить від грецького слова "електрон", що означає в перекладі з грецького "бурштин". Гільберт і багато інших вчених, в тому числі і Бенджамін Франклін, досліджували електричні явища. Більша ж частина відкриттів у галузі електрики і магнетизму була зроблена протягом XIX ст.
Було встановлено, що якщо сургучною стрижень, який веде себе так само, як бурштин, натерти вовняною тканиною і зблизити його з скляним стрижнем, натертим шовковою тканиною, то між стрижнями проскакує електрична іскра. Було знайдено також, що між такими стрижнями діє сила тяжіння. Так, якщо сургучною стрижень, який отримав електричний заряд в результаті натирання шерстяною тканиною, підвісити на нитці і наблизити до нього зарядженого скляного стрижня, то заряджений кінець сургучному стрижня повернеться до скляного стрижня. У той же час кінець наелектризованого сургучному стрижня відштовхується від такого ж наелектризованого скляного стрижня.
У результаті експериментального вивчення такого роду явищ склалося уявлення про існування двох видів електрики, що одержали назву смоляного електрики (яке збирається на скляному стрижні). Було встановлено, що протилежні види електрики простягаються, тоді, як однакові відштовхуються. Франклін дещо спростив це подання, прийнявши допущення, згідно з яким може перетікати від об'єкта до іншого об'єкта електрику лише одного виду. Він припустив, що в процесі натирання скляного стрижня шовковою тканиною якийсь електричний "флюїд" переходить з тканини в скло і скляний стрижень стає позитивно зарядженим завдяки надлишку електричного флюїду. У тканині створюється нестачу електричного флюїду, і вона стає негативно зарядженою. Він підкреслював, що насправді не знає, перейшов чи електричний флюїд з шовкової тканини в скляний стрижень або зі скляного стрижня в тканину, і тому рішення вважати електрику на скляному зарядженому стрижні позитивним є дозволені. В даний час дійсно відомо, що коли скляний стрижень натирають шовковою тканиною, то негативно заряджені частки - електрони - переходять зі скляного стрижня на шовкову тканину, і що Франклін в своєму допущенні зробив помилку [Політ Л., Поліні П. Хімія-М: Світ , 1978].
Як було сказано вище, уявлення про містяться в речовинах електричних частинках було висловлено в якості гіпотези англійським ученим Г. Джонстоном Стонеем. Стогін знав, що речовини можна розкладати електричним струмом, - наприклад, воду можна розкласти на водень і кисень. Йому було відомо також про роботи Майкла Фарадея, який встановив, що для отримання певної кількості елемента з того чи іншого його сполуки потрібно певну кількість електрики. Обдумуючи ці явища, стогони в 1874г. і прийшов до висновку про те, що вони вказують на існування електрики у вигляді дискретних одиничних зарядів, причому ці поодинокі заряди пов'язані з атомами. Таким чином, Стогін і запропонував у 1891 р . назву "електрон" для постулированное їм одиниць електрики. Експериментально ж електрон був відкритий в 1897 р . Дж. Дж. Томсоном (1856-1940) в Кембриджському університеті. [Політ Л., Поліні П. Хімія-М: Світ, 1978]
Подальші дослідження показали, що електрон представляє собою частку з негативним зарядом величиною -0,1602 ∙ 10 -18 Кл, з масою, рівною 0,9108 ∙ 10 - 30 кг , Що становить 1 / 1873 маси атома водню. Електрон має дуже невеликі розміри і хоча радіус електрона точно не визначений до цих пір, проте відомо, що він значно менше 1 ∙ 10 - 15 м . А в 1925 р . було встановлено, що електрон обертається навколо власної осі і має магнітний момент. [Політ Л., Поліні П. Хімія-М: Світ, 1978]
Перші експерименти, на підставі яких була фактично доведена реальність існування електронів, були виконані англійським фізиком Дж. Томсоном у 1899 році. На підставі цього була запропонована історично перша модель атома, яка, з точки зору Томсона, являє собою позитивно заряджену рідина, в якій плавають негативні електрони. Науковий гумор обізвав цю модель "пудингом з родзинками".
Протягом 12 років ця модель представлялася науковому світу дуже правдоподібною і на відомому рівні наближення непогано описувала спостережувані властивості процесів випромінювання, за винятком спектрів випромінювання або поглинання світла. Якщо, наприклад, пропустити електричний розряд через який-небудь газ, то атоми цього газу дають світіння. Саме таке випромінювання (світлове) і можна бачити в газорозрядних трубках.
Однак виявилося, що випускається світло має не суцільний спектр, як, скажімо, Сонце або лампа розжарювання, а лінійчатий, тобто в ньому присутні лише виділені лінії певних довжин хвиль (частот, квітів). Якщо взяти водень, в атомі якого, як згодом з'ясувала фізика, є тільки один електрон, то за допомогою моделі атома Томсона можна передбачити появу лінії випромінювання, але тільки одній.
Однак фізиком Бальмером експериментально було виявлено у водню наявність цілої серії ліній випромінювання різних частот. Більш того, множинні серії ліній випромінювання атомів водню були виявлені також в інфрачервоній і в ультрафіолетовій областях. А відомий досвід Резерфорда, в якому позитивно заряджені альфа-частинки пролітали крізь речовину фольги, практично не відхиляючись (тільки мала частина їх відбивалася у зворотний бік), рішуче суперечив Томсонівське моделі атома.
Ця позитивно заряджена частина атома була відкрита в 1911 р . Резерфордом при дослідженні руху альфа-частинок у газах і інших речовинах [Коровін Н.В., Курс загальної хімії - М: Вища школа, 1990].
Альфа-частинки, що викидаються речовинами активних елементів, як з'ясувалося пізніше, представляють собою позитивно заряджені іони гелію, швидкість руху яких досягає близько 20000 км / сек. Завдяки такій величезній швидкості альфа-частинки, пролітаючи через повітря і стикаючись з молекулами газів, вибивають з них електрони. Молекули, що втратили електрони, стають зарядженими позитивно, вибиті ж електрони негайно приєднуються до інших молекул, заряджаючи їх негативно. Таким чином, у повітрі на шляху альфа-часток утворюються позитивно і негативно заряджені іони газу. Здатність альфа-часток іонізувати повітря була використана англійським фізиком Вільсоном для того, щоб зробити видимими шляху руху окремих частинок і сфотографувати їх. Згодом апарат для фотографування частинок отримав назву камери Вільсона.
Досліджуючи шляху руху частинок за допомогою цієї камери, Резерфорд зауважив, що в камері шляхи їх паралельні, а при пропущенні пучка паралельних променів через шар газу або тонку металеву пластинку, вони виходять не паралельно, а трохи розходяться, тобто відбувається відхилення частинок від їх первісного шляху. Деякі частинки відхилялися дуже сильно, деякі зовсім не проходили через тонку пластинку [Коровін Н.В., Курс загальної хімії - М: Вища школа, 1990; Харін О.М., Курс хімії - М: Вища школа, 1983].
Виходячи з цих спостережень, Резерфорд і запропонував свою схему будови атома: у центрі атома знаходиться позитивне ядро, навколо якого за різними орбиталям обертаються негативні електрони. Білгородський ЮРИДИЧНИЙ ІНСТИТУТ
Кафедра гуманітарних і соціально-економічних дисциплін
Дисципліна: "Концепції сучасного природознавства"
РЕФЕРАТ
за темою: "Концепція атомізму як концепція корпускулярно-хвильового дуалізму"
Підготував: професор кафедри ГіСЕД,
к.ф.н., доц. Номерків А.Л.
Перевірив: Студент 534 групи
Малявкин Г.М.
Білгород - 2008
План Реферати | Сторінки |
| Введення | 4 |
| 1. Натурфілософські передумови сучасних атомістичних уявлень | 4 |
| 2. Проблема атома: від філософської ідеї - до фізичних моделями | 5 |
| 3. Світ атома з позиції сучасних наукових уявлень | 14 |
| 4. Ідея корпускулярно-хвильового дуалізму як методологічний принцип | 15 |
| 5. Фізика мікросвіту як практична енергетична проблема | 20 |
| Висновок | 22 |
Введення
Коли говорять про сучасній фізиці, зазвичай мають на увазі дві фундаментальні концепції, що виникли в двадцятому столітті - теорію відносності і квантову теорію як фізичну теорію мікросвіту. Однак в останнє двадцятиріччя до цих фундаментальних галузей знання додалася і ще одна глибока фізична теорія - теорія колективних явищ або синергетика. Але, так чи інакше, в усіх цих названих теоріях присутній принцип атомізму, що має, мабуть, найбільш давні історичні традиції.В основі атомістичної ідеї лежить питання про межу подільності тіла на частини. Позитивна відповідь на це питання означав, що є такий момент, що подальший поділ будь-якого фізичного тіла стає неможливим, і існує одна або декілька різних частинок-атомів, які становлять основу сущого і з різних комбінацій яких складаються всі тіла. В іншому випадку матерія була б безперервною, нескінченно подільною.
Античні греки вирішували це питання філософськи-умоглядно, і традиція такого підходу протрималася після них ще майже два тисячоліття. Наука ж в сучасному її розумінні виникла лише в XVII столітті, коли експерименту було надано вирішальне право брати участь в обговоренні питань буття і внаслідок чого на допомогу "чистого розуму" були покликані органи почуттів. Саме з цього часу і можна було вже відраховувати справжнє пізнання атома як такого. Але повернемося до первоначалам атомістичної концепції.
1. Натурфілософські передумови сучасних атомістичних уявлень
Умоглядне припущення про те, що будь-яка речовина складається з найдрібніших неподільних частинок - атомів, було висловлено близько 2500 років тому давньогрецькими філософами Левкіппа і Демокрітом.Левкіпп (5 століття до н. Е..) - Давньогрецький філософ-матеріаліст, один з творців античної атомістики, був вчителем Демокріта, історична особистість якого, як творця завершеною філософської системи атомістики практично повністю затулила особистість його вчителя. Левкіпп для пояснення різноманіття предметів стверджував існування відносного небуття, тобто наявності порожнечі простору, повністю позбавленого матерії, як своєрідної арени, на якій розігруються все що відбуваються в природі речові процеси. Порожнеча поділяє все суще на безліч елементів. Властивості цих елементів залежать від обмежує їх порожнього простору. Розрізняються вони за величиною, фігурі, руху. Але всі елементи мисляться як однорідні, безперервні і тому неподільні (atomoi). Левкіпп вважав рух властивістю, внутрішньо притаманне атомам.
Демокріт (460-370 до н. Е..) - Давньогрецький філософ-матеріаліст, творець завершеною філософської системи атомістики. Історичне місце філософії Демокріта визначається етапом переходу давньогрецької натурфілософії до вироблення поняття індивідуального буття. Це й знайшло своє відображення у вихідному понятті філософії Демокріта - понятті "атома", як деякого неподільного матеріального індивідуума (грецьке atomos, як і латинське individuum означає «неподільний», який визнається не виникають і не гинуть, не разрушімим, не схильним до якого-небудь впливу ззовні, справжнім буттям, що протистоїть порожнечі як абсолютного ніщо. Атом, таким чином, перетворювався у Демокріта просто в геометричне тіло, яке також неразрушими, вічно і не має яких-небудь фізичних властивостей. Демокріт заперечував нескінченну подільність матерії. Атоми різняться між собою тільки формою, порядком взаємного прямування, і положенням в порожньому просторі, а також величиною і залежить від величини вагою. Вони мають нескінченно різноманітні форми з западинами або опуклостями. Демокріт називає атоми також "фігурами" або "видики", з чого випливає, що атоми Демокріта є максимально малими, далі неподільними фігурами чи статуетками.
У сучасній науці багато сперечалися про те, чи є атоми Демокріта фізичними або геометричними тілами, однак сам Демокріт ще не дійшов до розрізнення фізики та геометрії. З цих атомів, що рухаються в різних напрямках, з їх "вихору" з природної необхідності шляхом зближення взаімноподобних атомів утворюються як окремі цілі тіла, так і весь світ, рух атомів вічно, а число виникають світів нескінченно. Атоми для людини невидимі, а людські відносини пояснюються витіканнями з атомів, "видики", що діють на наші органи почуттів і викликають відповідні відчуття, так що не існує ні солодкого, ні гіркого, ні білого, ні чорного самого по собі, але тільки атоми і порожнеча.
Істотні зміни в атомістичне вчення Демокріта вніс Епікур (342-341 до н. Е..). Вихровий рух атомів замінюється у Епікура падінням, вводиться поняття "ваги атомів". Особливо примітно вчення Епікура про довільне відхилення атомів від падіння по прямій, що обгрунтовують виникнення світів (число яких нескінченно) і свободу індивіда (тобто атома і людини). У боротьбі з традиційним для античної натурфілософії поняттям року (долі) Епікур доходить до безпрецедентного заперечення точної закономірності небесних явищ. Філософська поема Лукреція (1 століття до н. Е..) "Про природу речей", написана у формі дидактичного епосу, викладає вчення Епікура - головним чином його фізику. Можна відзначити, що це єдиний повністю збережений пам'ятник матеріалістичної думки античної історії.
2. Проблема атома: від філософської ідеї - до фізичних моделями
Одними з перших експериментальних фактів, що свідчили про складність дійсного фізичного атома, про його електричну природу стали класичні досліди з електролізу М. Фарадея. На підставі цих дослідів з електролізу різних солей та інших сполук Фарадей з упевненістю стверджував, що електричні заряди є в атомах усіх елементів. Однак на підставі цих дослідів ще не можна було з упевненістю вважати, що являє собою власне електрику, чи є воно безперервної субстанцією або в природі існують неподільні "атоми електрики".Тому що при електролізі однакову кількість атомів будь-якого одновалентного елемента завжди переносить одне і те ж кількість електрики, можна було припустити, що в природі існує "атом кількості електрики", однаковий в атомах усіх елементів.
Першим вказівкою на складну структуру атома - були досліди з вивчення катодних променів, які виникають при електричному розряді в сильно розріджених газах (у так званій трубці Крукса). Для спостереження цих променів зі скляної трубки, в яку упаяно два металеві електроди, викачується по можливості все повітря і потім пропускається крізь неї струм високої напруги. За таких умов від катода трубки перпендикулярно до його поверхні поширюються "невидимі" "катодні промені", що викликають яскраве зелене свічення в тому місці, куди вони потрапляють. Виявилося, що катодні промені мають також здатністю приводити в рух легко рухливі тіла, які, перебуваючи на їхньому шляху, відхиляються від свого початкового положення.
Було з'ясовано, що дія катодних променів виявляється тільки усередині трубки, так як скло для них виявилося непроникним. Вивчення властивостей катодних променів привело до висновку, що вони складаються з найдрібніших частинок, що несуть негативний заряд і летять зі швидкістю, що досягає половини швидкості світла. Також вдалося визначити масу і величину їхнього заряду. Електричний заряд, таким чином, складав для них сутність їхньої природи.
Виявлений у трубці Крукса електричний заряд отримав надалі назву "елементарного заряду", а в 1891 році ірландський фізик Дж. Стогін запропонував для нього назву "електрон" (від грец. "Бурштин"). Але поки ці міркування в історико-науковому відношенні носили лише чисто гіпотетичний характер.
У катодних трубках електрони відокремлюються від катода під впливом електричних сил. Але вони можуть бути отримані і в інших умовах. Так, наприклад, електрони можуть випускати і при електронній емісії металів, а також при фотоефекті багато речовин також викидають електрони. Виділення електронів найрізноманітнішими речовинами вказує на те, що ці частинки входять до їх складу.
Ще стародавні греки знали, що якщо бурштин натерти шерстю або хутром, то він буде притягати легкі предмети, наприклад пір'я або шматочки соломи. Це явище вивчав Вільям Гільберт (1540-1603), який запропонував назву "електричний" для опису діє в даному випадку сили тяжіння. Ця назва походить від грецького слова "електрон", що означає в перекладі з грецького "бурштин". Гільберт і багато інших вчених, в тому числі і Бенджамін Франклін, досліджували електричні явища. Більша ж частина відкриттів у галузі електрики і магнетизму була зроблена протягом XIX ст.
Було встановлено, що якщо сургучною стрижень, який веде себе так само, як бурштин, натерти вовняною тканиною і зблизити його з скляним стрижнем, натертим шовковою тканиною, то між стрижнями проскакує електрична іскра. Було знайдено також, що між такими стрижнями діє сила тяжіння. Так, якщо сургучною стрижень, який отримав електричний заряд в результаті натирання шерстяною тканиною, підвісити на нитці і наблизити до нього зарядженого скляного стрижня, то заряджений кінець сургучному стрижня повернеться до скляного стрижня. У той же час кінець наелектризованого сургучному стрижня відштовхується від такого ж наелектризованого скляного стрижня.
У результаті експериментального вивчення такого роду явищ склалося уявлення про існування двох видів електрики, що одержали назву смоляного електрики (яке збирається на скляному стрижні). Було встановлено, що протилежні види електрики простягаються, тоді, як однакові відштовхуються. Франклін дещо спростив це подання, прийнявши допущення, згідно з яким може перетікати від об'єкта до іншого об'єкта електрику лише одного виду. Він припустив, що в процесі натирання скляного стрижня шовковою тканиною якийсь електричний "флюїд" переходить з тканини в скло і скляний стрижень стає позитивно зарядженим завдяки надлишку електричного флюїду. У тканині створюється нестачу електричного флюїду, і вона стає негативно зарядженою. Він підкреслював, що насправді не знає, перейшов чи електричний флюїд з шовкової тканини в скляний стрижень або зі скляного стрижня в тканину, і тому рішення вважати електрику на скляному зарядженому стрижні позитивним є дозволені. В даний час дійсно відомо, що коли скляний стрижень натирають шовковою тканиною, то негативно заряджені частки - електрони - переходять зі скляного стрижня на шовкову тканину, і що Франклін в своєму допущенні зробив помилку [Політ Л., Поліні П. Хімія-М: Світ , 1978].
Як було сказано вище, уявлення про містяться в речовинах електричних частинках було висловлено в якості гіпотези англійським ученим Г. Джонстоном Стонеем. Стогін знав, що речовини можна розкладати електричним струмом, - наприклад, воду можна розкласти на водень і кисень. Йому було відомо також про роботи Майкла Фарадея, який встановив, що для отримання певної кількості елемента з того чи іншого його сполуки потрібно певну кількість електрики. Обдумуючи ці явища, стогони в 1874г. і прийшов до висновку про те, що вони вказують на існування електрики у вигляді дискретних одиничних зарядів, причому ці поодинокі заряди пов'язані з атомами. Таким чином, Стогін і запропонував у
Подальші дослідження показали, що електрон представляє собою частку з негативним зарядом величиною -0,1602 ∙ 10 -18 Кл, з масою, рівною 0,9108 ∙ 10 -
Перші експерименти, на підставі яких була фактично доведена реальність існування електронів, були виконані англійським фізиком Дж. Томсоном у 1899 році. На підставі цього була запропонована історично перша модель атома, яка, з точки зору Томсона, являє собою позитивно заряджену рідина, в якій плавають негативні електрони. Науковий гумор обізвав цю модель "пудингом з родзинками".
Протягом 12 років ця модель представлялася науковому світу дуже правдоподібною і на відомому рівні наближення непогано описувала спостережувані властивості процесів випромінювання, за винятком спектрів випромінювання або поглинання світла. Якщо, наприклад, пропустити електричний розряд через який-небудь газ, то атоми цього газу дають світіння. Саме таке випромінювання (світлове) і можна бачити в газорозрядних трубках.
Однак виявилося, що випускається світло має не суцільний спектр, як, скажімо, Сонце або лампа розжарювання, а лінійчатий, тобто в ньому присутні лише виділені лінії певних довжин хвиль (частот, квітів). Якщо взяти водень, в атомі якого, як згодом з'ясувала фізика, є тільки один електрон, то за допомогою моделі атома Томсона можна передбачити появу лінії випромінювання, але тільки одній.
Однак фізиком Бальмером експериментально було виявлено у водню наявність цілої серії ліній випромінювання різних частот. Більш того, множинні серії ліній випромінювання атомів водню були виявлені також в інфрачервоній і в ультрафіолетовій областях. А відомий досвід Резерфорда, в якому позитивно заряджені альфа-частинки пролітали крізь речовину фольги, практично не відхиляючись (тільки мала частина їх відбивалася у зворотний бік), рішуче суперечив Томсонівське моделі атома.
Ця позитивно заряджена частина атома була відкрита в
Альфа-частинки, що викидаються речовинами активних елементів, як з'ясувалося пізніше, представляють собою позитивно заряджені іони гелію, швидкість руху яких досягає близько 20000 км / сек. Завдяки такій величезній швидкості альфа-частинки, пролітаючи через повітря і стикаючись з молекулами газів, вибивають з них електрони. Молекули, що втратили електрони, стають зарядженими позитивно, вибиті ж електрони негайно приєднуються до інших молекул, заряджаючи їх негативно. Таким чином, у повітрі на шляху альфа-часток утворюються позитивно і негативно заряджені іони газу. Здатність альфа-часток іонізувати повітря була використана англійським фізиком Вільсоном для того, щоб зробити видимими шляху руху окремих частинок і сфотографувати їх. Згодом апарат для фотографування частинок отримав назву камери Вільсона.
Досліджуючи шляху руху частинок за допомогою цієї камери, Резерфорд зауважив, що в камері шляхи їх паралельні, а при пропущенні пучка паралельних променів через шар газу або тонку металеву пластинку, вони виходять не паралельно, а трохи розходяться, тобто відбувається відхилення частинок від їх первісного шляху. Деякі частинки відхилялися дуже сильно, деякі зовсім не проходили через тонку пластинку [Коровін Н.В., Курс загальної хімії - М: Вища школа, 1990; Харін О.М., Курс хімії - М: Вища школа, 1983].
Отже, через 12 років після відкриття Томсоном факту існування "атома" електрики - електрона Е. Резерфордом був поставлений зазначений вище досвід, на підставі якого їм була запропонована інша модель атома - "планетарна", за принципом побудови Сонячної системи.
Резерфорд припустив, що атом являє собою динамічну систему на зразок Сонячної: замість Сонця в центрі знаходиться масивне позитивно заряджене ядро (це від нього відскакують налітають позитивні частки), а навколо нього по орбітах рухаються негативно заряджені електрони. Таким чином, більша частина атома виявляється порожньою - через неї-то і летять пролітають частинки.
Таким чином, вивчення будови атома практично почалося в 1897-1898 рр.., Після того як була остаточно встановлена природа катодних променів як потоку електронів і були визначені величина заряду і маса електрона. Факт виділення електронів найрізноманітнішими речовинами приводив до висновку, що електрони входять до складу всіх атомів. Але атом, як відомо, електрично нейтральний, з цього випливало, що в його склад мала входити ще одна складова частина, що врівноважує суму негативних зарядів електронів
Але класична електродинаміка не допускає стійкого існування подібної системи.
Доцентрові сили, що виникають при їх обертанні, утримують їх на своїх орбіталях і не дають їм вилетіти. Ця модель атома легко пояснює явище відхилення альфа-часток. Розміри ядра і електронів дуже малі в порівнянні з розмірами всього атома, які визначаються орбітами найбільш віддалених від ядра електронів, тому більшість альфа-часток пролітає через атоми без помітного відхилення.
Тільки в тих випадках, коли альфа-частинки дуже близько підходить до ядра, електричне відштовхування викликає різке відхилення її від початкового шляху. Таким чином, вивчення розсіювання альфа-частинок поклало початок ядерної теорії атома.
Одним із завдань, що стояли перед теорією будови атома на початку її розвитку, було визначення величини заряду ядра різних атомів. Так як атом у цілому електрично нейтральний, то, визначивши заряд ядра, можна було б встановити і число тих, що оточують ядро електронів. У вирішенні цього завдання велику допомогу надало вивчення спектрів рентгенівських променів.
Рентгенівські промені виникають при ударі швидко летять електронів про будь-яке тверде тіло і відрізняються від променів видимого світла тільки значно меншою довжиною хвилі. У той час як короткі світлові хвилі мають довжину близько 4000 ангстремів (фіолетові промені), довжини хвиль рентгенівських променів лежать в межах від 20 до 0,1 ангстрема. Щоб отримати спектр рентгенівських променів, не можна користуватися звичайною призмою або дифракційної гратами. (Дифракційна решітка представляє собою оптичний прилад, сукупність великої кількості паралельних щілин у непрозорому екрані або відображають дзеркальних смужок (штрихів), рівновіддалених один від одного, на яких відбувається дифракція світла. Дифракційна решітка розкладає що падає на неї пучок світла в спектр, що використовується в системі методів під ім'ям спектроскопії.)
Для рентгенівських променів була потрібна решітка з дуже великою кількістю поділок на один міліметр (приблизно 1 млн. /
Досвід блискуче підтвердив припущення Лауе: незабаром вдалося побудувати прилади, які давали можливість отримувати спектр рентгенівських променів майже всіх елементів.
Для одержання рентгенівських спектрів антикатод в рентгенівських трубках роблять з того металу, спектр якого хочуть отримати, або ж наносять з'єднання досліджуваного елемента. Екраном для спектру служить фотопапір; після фотографічного прояви на ній видно всі лінії спектра.
У
Ще до робіт Мозлі деякі вчені припускали, що порядковий номер елемента вказує на кількість зарядів ядра його атома. У той же час Резерфорд, вивчаючи розсіювання альфа-частинок при проходженні через тонкі металеві пластинки, з'ясував, що якщо заряд електрона прийняти за одиницю, то виражається в таких одиницях заряд ядра приблизно дорівнює половині атомної ваги елемента. Порядковий номер, принаймні більш легких елементів, теж дорівнює приблизно половині атомної ваги.
Всі наведені вище результати показали, що заряд ядра чисельно дорівнює порядковому номеру елемента. Таким чином, закон Мозлі дозволив визначити заряди атомних ядер. Тим самим, зважаючи нейтральності атомів, було встановлено і число електронів, що обертаються навколо ядра в атомі кожного елемента [Коровін Н.В., Курс загальної хімії - М: Вища школа, 1990].
Рухомий прискорено заряд, - а що обертається по орбіті електрон саме таким і є, - випускає енергію і повинен дуже швидко впасти на ядро, що фактично відповідає "зникнення" атома, схожого на сонячну систему. Однак атом насправді стійкий, і, отже, він не зовсім відповідає моделі за образом Сонячної системи. Виникла проблема відповідності планетарної моделі реальної дійсності. Стали необхідними у зв'язку з цим нові підходи у дослідженні закономірностей структури атома.
Розвиваючи ядерну теорію Резерфорда, учені прийшли до думки, що складна структура лінійчатих спектрів обумовлена відбуваються усередині атомів коливаннями електронів. По теорії Резерфорда, кожен електрон обертається навколо ядра, причому сила притягання ядра врівноважується відцентровою силою, що виникає при обертанні електрона. Обертання електрона зовсім синхронно його швидким коливанням і повинне викликати випромінення електромагнітних хвиль. Тому можна припустити, що повертається випромінює світло певної довжини хвилі, що залежить від частоти обертання електрона по орбіті. Але, випромінюючи світло, електрон втрачає частину своєї енергії, внаслідок чого порушується рівновага між ним і ядром; для відновлення рівноваги електрон повинний поступово пересуватися ближче до ядра, причому так само поступово буде змінюватися частота обертання електрона і характер випускається їм. Зрештою, вичерпавши всю енергію, електрон повинний "упасти" на ядро, і випромінювання світла припиниться. Якби насправді відбувалася така безупинна зміна руху електрона, то і спектр виходив би завжди безупинний, а не з променями визначеної довжини хвилі. Крім того, "падіння" електрона на ядро означало б руйнування атома і припинення його існування.
Ядерна модель атома Резерфорда одержала свій подальший розвиток завдяки роботам Нільса Бора. в яких вчення про будову атома нерозривно пов'язується з вченням про походження спектрів.
Лінійчатих спектри виходять при розкладанні світла що випускається розпеченими парами або газами
Кожному елементу відповідає свій спектр, що відрізняється від спектрів інших елементів. Більшість металів дає дуже складні спектри, що містять величезне число ліній (у залозі до 5000), але зустрічаються і порівняно прості спектри.
Таким чином, теорія Резерфорда була неспроможна пояснити не тільки закономірності в розподілі ліній спектра, ні і саме існування лінійчатих спектрів.
Датський фізик Нільс Бор сформулювавши в зв'язку з цим постулатівное припущення. Він проголосив, що закони мікросвіту докорінно відрізняються від законів макросвіту, в той час, як модель атома Резерфорда була побудована на принципово макроскопічних уявленнях. Насправді ж електрон в атомі може рухатися по орбіті і не випромінювати, але не за будь-якої орбіті, а тільки за такою, довжина якої відповідає цілому числу довжин хвиль де Бройля, відповідних рухається електрону.
Ясно, що різним швидкостям руху електрона будуть відповідати і різні радіуси орбіт їх руху. Якщо ж електрон якимось чином (скажімо, під впливом зовнішнього поля) перескакує з орбіти на орбіту, то його енергія (точніше, енергія атома в цілому) змінюється, а різницю цих енергій випромінюється (або поглинається) у вигляді кванта з частотою, обумовленою згідно Планку. Розрахунок привів до блискучого згодою з експериментальними результатами Бальмера. Таким чином, був встановлений ще один закон мікросвіту, що дозволяє точно передбачати поведінку мікросистем.
У
Сутність теорії квантів зводиться до того, що промениста енергія випускається і поглинається не безупинно, як приймалося раніш, а окремими малими, але цілком визначеними порціями - квантами енергії. Запас енергії випромінюючого тіла змінюється стрибками, квант за квантом; дробове число квантів тіло не може ні випускати, ні поглинати. Величина кванта енергії залежить від частоти випромінювання: чим більше частота випромінювання, тим більше величина кванта. Кванти променистої енергії називаються також фотонами.
Застосувавши квантові уявлення до обертання електронів навколо ядра, Бор поклав в основу своєї теорії дуже сміливі припущення, або постулати. Хоча ці постулати і суперечать законам класичної електродинаміки, але вони знаходять своє виправдання в тих разючих результатах, до яких приводять, і в тій цілковитій згоді, що проявляється між теоретичними результатами і величезним числом експериментальних фактів.
Постулати Бора полягають у наступному. Електрон може рухатися навколо не по будь-яких орбітах, а тільки по таких, котрі задовольняють визначеним умовам, що випливають з теорії квантів. Ці орбіти одержали назви стійких чи квантових орбіт. Коли електрон рухається по одній з можливих для нього стійких орбіт, то він не випромінює. Перехід же електрона з вилученої орбіти на більш близьку супроводжується втратою енергії. Загублена атомом при кожнім переході енергія перетворюється в один квант променистої енергії. Частота випромінюваного при цьому світла визначається радіусами тих двох орбіт, між якими відбувається перехід електрона. Чим більше відстань від орбіти, на якій знаходиться електрон, до тієї, на яку він переходить, тим більше частота випромінювання.
Найпростішим з атомів є атом водню, навколо ядра якого обертається тільки один електрон. Виходячи з приведених постулатів, Бор розрахував радіуси можливих орбіт для цього електрона і знайшов, що вони відносяться, як квадрати натуральних чисел: 1: 2; 3: ... n. Величина n одержала назву головного квантового числа. Радіус найближчої до ядра орбіти в атомі водню дорівнює 0,53 ангстрема. Обчислені звідси частоти випромінювань, що супроводжують переходи електрона з однієї орбіти на іншу, виявилися в точності співпадаючими з частотами, знайденими на досліді для ліній водневого спектра. Тим самим була доведена правильність розрахунку стійких орбіт, а разом з тим і можливість застосувати постулатів Бора для таких розрахунків.
Надалі теорія Бора була поширена і на атомну структуру інших елементів, хоча це і було пов'язано з деяким труднощами із-за її новизни.
Теорія Бора дозволила розв'язати дуже важливе питання про розташування електронів в атомах різних елементів і установити залежність властивостей елементів від будови електронних оболонок їхніх атомів. В даний час розроблені схеми будови атомів усіх хімічних елементів. Однак, треба мати на увазі, що всі ці схеми є лише більш-менш достовірні гіпотези, що дозволяє пояснити багато фізичних і хімічних властивостей елементів.
Як раніше вже було сказано, число електронів, що обертаються навколо ядра атома, відповідає порядковому номеру елемента в періодичній системі. Електрони розташовані по шарах, тобто кожному шару належить визначене заповнюють чи як би насичують його число електронів. Електрони того самого шару характеризуються майже однаковим запасом енергії, тобто перебувають приблизно на однаковому енергетичному рівні. Вся оболонка атома розпадається на кілька енергетичних рівнів. Електрони кожного наступного шару знаходяться на більш високому енергетичному рівні, чим електрони попереднього шару. Найбільше число електронів М, які можуть знаходитись на даному енергетичному рівні, дорівнює подвоєному квадрату номера шару: N = 2n 2, де n - номер шару; N - найбільша кількість елементів.
Крім того, встановлено, що число електронів у зовнішньому шарі для всіх елементів, крім паладію, не перевищує восьми, а в передостанньому-вісімнадцяти. Електрони зовнішнього шару, як найбільш віддалені від ядра і, отже, найменш міцно зв'язані з ядром, можуть відриватися від атома і приєднуватися до інших атомів, входячи до складу зовнішнього шару останніх. Атоми, які втратили одного або декількох електронів, стають заряджені позитивно, тому що заряд ядра атома перевищує суму зарядів залишилися електронів. Навпаки атоми, що приєднали електрони стають заряджені негативно. Утворені таким шляхом заряджені частки, називаються іонами. Багато іони у свою чергу можуть втрачати чи приєднувати електрони, перетворюючись при цьому чи в електронейтральні атоми, чи в нові іони з іншим зарядом.
Теорія Бора зробила величезні послуги фізики і хімії, підійшовши, з одного боку, до розкриття законів спектроскопії і поясненню механізму лучеиспускания, а з іншого - до з'ясування структури окремих атомів і встановленню зв'язку між ними. Однак залишалося ще багато явищ у цій області, пояснити які теорія Бора не могла.
Так, рух електронів в атомах Бор представляв як просте механічне, проте, воно є складним і своєрідним. Ця своєрідність було пояснено нової квантової теорії.
Відкрите в кінці минулого століття Беккерелем, а потім досліджене П'єром і Марі Кюрі, Резерфордом, Чедвіком, Фермі явище радіоактивності виявило фізично складний склад "атома", "населений" протонами, нейтронами, нейтрино і іншими елементарними частинками. Сформувалася і історично перша струнка фізична теорія мікросвіту квантова механіка. Цей найбільший переворот у фізиці стався на рубежі XX століття. Фізики перейшли межі нової, невідомої досі області, мікросвіт.
Удар за поданнями, що стали звичними, виявився тим більш чутливим, що в кінці XIX століття навіть видатні фізики були переконані в тому, що основні закони природи розкриті, і залишається використовувати їх для пояснення різних явищ і процесів.
Адже до цього фундаментальні принципи класичної механіки Ньютона, електродинаміки Максвелла та ін розділів фізики отримували все нові й нові підтвердження своєї справедливості.
Нікому не спадало на думку, що зі зменшенням, наприклад, маси тіл або збільшенням їх швидкості закони Ньютона, давно вважалися мало не самоочевидними, можуть виявитися неспроможними.
І от з'ясувалося, що атоми піддаються руйнації. Дивні властивості виявив електрон. Його маса зростала зі швидкістю. Основна характеристика тіла - маса, що вважалася з часів Ньютона незмінною, виявилася залежною від швидкості. Але ж масу було прийнято розглядати як міру кількості речовини, що міститься в тілі.
Нові теорії - теорія відносності і квантова механіка стали основою нового наукового світорозуміння, а багато зробила для цього класична фізика зовсім не виявилася відкинутою на "узбіччя" магістрального руху науки, а стала являти собою приватний, або, точніше, граничний випадком теорії відносності та квантової механіки при швидкостях, значно менших швидкості світла, і при розмірах, значно менших розмірів реальних макротіл.
3. Світ атома з позиції сучасних наукових уявлень
Атом складається з мікроскопічно маленького, проте вельми масивного, позитивно зарядженого ядра, оточеного електронами. Ядро складає, таким чином, основну частину маси атома. Воно складається з нейтронів і протонів (загальна назва нуклони), пов'язаних між собою дуже великими ядерними силами, набагато перевищують електричні сили, які пов'язують електрони з ядром. Енергія ядра залежить від того, наскільки сильно його нейтрони і протони утримуються ядерними силами. Енергія нуклона - це енергія, необхідна, щоб видалити один нейтрон або протон з ядра. Якщо два легкі ядра з'єднуються, щоб сформувати більш важке ядро або якщо важке ядро розпадається на два більш легких, то в обох випадках виділяється велика кількість енергії.| н |
До мікрооб'єктами зазвичай відносять молекули, атомні ядра, елементарні частинки. Досить багатий сьогодні список елементарних частинок включає в себе кванти електромагнітного поля (фотони) і дві групи частинок: так звані адрони і лептони. Для адронів характерно сильне (ядерне) взаємодія, тоді як лептони ніколи не беруть участь в сильних взаємодіях. До лептонам відносяться електрон, мюон і два нейтрино - електронне і мюонне.
Група адронів істотно чисельнішою. До них відносяться нуклони (протон і нейтрон), мезони (група частинок, маса яких менша за масу протона) і гіперонів (група частинок, маса яких більша за масу нейтрона). Майже всім елементарних частинок відповідають античастинки. Виняток тут становлять лише фотон і деякі нейтральні мезони.
Говорячи про характеристики мікрооб'єктів, перш за все, свідчать про їх масі спокою і електричному заряді. Наприклад, маса електрона m = 9,1 ∙ 10 -
Маса молекули, атома, ядра дорівнює сумі мас складових даний мікрооб'єкт частинок за вирахуванням деякої величини, званої дефектом маси. Дефект маси дорівнює поділеній на квадрат швидкості світла енергії, яку треба затратити для того, щоб "розвалити" мікрооб'єкт на складові його частки (цю енергію прийнято називати енергією зв'язку). Чим сильніше пов'язані один з одним частинки, тим більше дефект маси. Найбільш сильно пов'язані нуклони в атомних ядрах - припадає на один нуклон дефект маси перевищує 10m.
Величина електричного заряду будь-якого мікрооб'єкт кратна величині заряду електрона; остання дорівнює 1,6 ∙ 10 -19 Кл. Поряд із зарядженими існують нейтральні мікрооб'єкти (наприклад, фотон, нейтрино, нейтрон). Електричний заряд складного мікрооб'єкт дорівнює алгебраїчній сумі зарядів складових його частинок.
4. Ідея корпускулярно-хвильового дуалізму як методологічний принцип
Класична фізика знайомить з двома видами руху-корпускулярним і хвильовим. Для першого характерні локалізація об'єкта в просторі та існування певної траєкторії його руху. Для другого характерно, навпаки, делокалізація в просторі; з хвильовим рухом не зіставляється ніякого локалізованого об'єкта - це є рух самого середовища. На рівні макроявищ корпускулярне і хвильовий рух чітко розмежовані; одна справа - рух кинутого каменя, інше - рух хвилі, що набігає на прибережний пісок.Ці звичні уявлення, як було підкреслено вище, не можуть бути перенесені в квантову механіку.
На рівні мікроявленій вказане вище чітке розмежування між двома видами руху в істотній мірі стирається - рух мікрооб'єкт характеризується одночасно і хвильовими і корпускулярним властивостями. Якщо схематично розглядати класичні корпускули і класичні хвилі як два граничних випадку опису руху матерії, то мікрооб'єкти повинні зайняти в цій схемі місце десь посередині. Вони не є ні "чистими" (у класичному розумінні) корпускулами, ні "чистими" хвилями - вони є чимось якісно іншим. Можна сказати, що мікрооб'єкт в якійсь мірі схожий на корпускул, в якійсь мірі - на хвилю, причому цей захід залежить, зокрема, від умов, в яких розглядається мікрооб'єкт. Якщо в класичній фізиці корпускула і хвиля - дві взаємовиключні один одного протилежності (або частка, або хвиля), то тепер, на рівні мікроявленій, ці протилежності об'єднуються в рамках єдиного мікрооб'єктів. Ця обставина і прийнято називати корпускулярно-хвильовим дуалізмом ("дуалізм" означає "двоїстість").
Спочатку ідея дуалізму була застосована до електромагнітного випромінювання. Ще в
E = hω, p = hω / с.
Пізніше (з
Дуже яскраво корпускулярні властивості електромагнітного випромінювання проявилися в ефекті Комптона (
У
Е = hω, p = 2πh / λ
(Другий з цих співвідношень відомо як формула де Бройля).
Для фотонів ці співвідношення виконуються автоматично, якщо у формулі p = hω / c підставити ω = 2πc / λ. Наукова сміливість гіпотези де Бройля полягала в тому, що наведені співвідношення передбачалися виконуються для всіх мікрооб'єктів, зокрема для таких, у яких є маса спокою і які до цього асоціювалися з корпускулами.
Гіпотеза де Бройля отримала в
У
До класичного розуміння мікрооб'єкт як корпускули приводить процес механічного "роздроблення" оточуючих нас тіл на все більш і більш дрібні "частинки". Тому цілком природно, що в звичайному нам розумінні мікрооб'єкти асоціюються насамперед з корпускулами. Цьому сприяє й той факт, що більшості мікрооб'єктів характерна певна маса спокою і певні заряди. Безглуздо говорити, наприклад, про половину електрона, що володіє половинною масою та половинним електричним зарядом цілого електрона, в самих термінах "мікрочастинка", "елементарна частинка" відображено уявлення про мікрооб'єкти як про таку собі частинок (корпускул).
Проте як це випливає з попереднього розгляду, мікрооб'єкт вельми істотно відрізняється від класичної корпускули. Перш за все, він не має лінійної траєкторії, що є незмінним атрибутом класичної корпускули. Використання при розгляді мікрооб'єкт таких корпускулярних характеристик, як координата, імпульс, момент, енергія, обмежується рамками співвідношень невизначеностей. Взаємоперетворення мікрооб'єктів, мимовільні розпади, наявність специфічного неунічтожаемого власного моменту (спина), здатність проходити крізь потенційні бар'єри - все це свідчить про те, що мікрооб'єкти зовсім не тотожні класичним корпускул.
Корпускулярним уявленням в класичній фізиці протистоять хвильові представлення. Не дивно тому, що разюча відмінність мікрооб'єктів від класичних корпускул пояснюють наявністю у них хвильових властивостей. Вельми показово в цьому відношенні наступне зауваження де Бройля: "В оптиці протягом століття занадто нехтували корпускулярним способом розгляду в порівнянні з хвильовим. Не робилася чи в теорії матерії зворотна помилка? Чи не думали ми занадто багато про картину" часток "і не нехтували чи надмірно картиною хвиль? ".
Питання, підняте де Бройля, абсолютно доречне. Однак слід побоюватися надмірного збільшення "хвильового" аспекту при розгляді мікрооб'єктів. Необхідно пам'ятати, що, якщо, з одного боку, мікрооб'єкт не є класичною корпускул, то точно так само, з іншого боку, він не є і класичної хвилею.
Досить повчальний аналіз однієї досить поширеної помилки, припускається при спрощеному розгляді квантової механіки. Продемонструємо цю помилку на двох прикладах.
Перший приклад. Стверджується, що хвильові властивості електрона дозволяють вивести умова квантування моменту, яке в теорії Бора постулюється. Цей "висновок" роблять наступним чином. Нехай 2r n π - довжина n-ної борівської орбіти. За орбіті рухається електрон з дебройлевской довжиною хвилі λ n = 2πh / p n. Основне припущення полягає в тому, що на довжині орбіти має укладатися n-разів довжина хвилі електрона λ n. Отже, 2r n π = nλ n. Звідси негайно виходить шукане умова квантування моменти:
p n r n = nh.
Другий приклад. Стверджується, що хвильові властивості електрона дозволяють вивести формулу для енергетичних рівнів у потенційній ямі, якщо припустити, що різним стаціонарним станам відповідає певне число півхвиль де Бройля, вкладається на ширині ями (за аналогією з числом півхвиль, укладаються на довжині струни, закріпленої на кінцях) . Позначаючи через а ширину одномірної прямокутної потенційної ями, записують a = nλ n / 2, звідки негайно приходять до шуканого результату:
E n = n 2 π 2 h 2 / 2ma 2.
Обидва кінцевих результату правильні, вони випливають з суворої теорії. Однак продемонстрований тут "висновок" цих результатів треба визнати неспроможним. В обох випадках допущена одна й та ж принципова помилка: в основу покладено невірне припущення, ніби електрон в потенційній ямі має певну довжину хвилі де Бройля, або, інакше кажучи, певний імпульс. Однак, згідно співвідношенню Δp x Δx> h, імпульс мікрооб'єктів у зв'язаному стані характеризується невизначеністю Δp> h / a. Оскільки в наведених вище прикладах Δp> h / λ> h / a, то отже, імпульс по порядку величини такої ж, як і диктується співвідношенням Δp x Δx> h невизначеність імпульсу. Ясно, що в таких умовах не можна говорити про якийсь значенні імпульсу електрона (а відповідно, і його дебройлевской довжини хвилі) навіть приблизно.
Наведені приклади явно демонструють перебільшення хвильового аспекти. Ототожнення знаходиться в потенційній ямі електрона з класичною хвилею всередині якогось "резонатора" неправомірно. Образ електронної хвилі в "резонаторі" є таке ж спрощення, як і образ електрона-кульки, що рухається за класичною орбіті. Слід знати, що під терміном "дебройлевская хвиля" аж ніяк не приховується якась класична хвиля. Це всього лише віддзеркалення в наших уявленнях факту наявності у мікрооб'єкт хвильових властивостей.
Якщо мікрооб'єкт не є ні корпускул, ні хвилею, то, може бути, він являє собою якийсь симбіоз корпускули і хвилі? Робилися різні спроби модельно зобразити такий симбіоз і тим самим наочно змоделювати корпускулярно-хвильовий дуалізм. Одна з таких спроб пов'язана з поданням мікрооб'єкт як хвильового освіти, обмеженого у просторі і в часі. Це може бути хвильовий пакет, про який ми вже говорили. Це може бути і просто "обривок" хвилі, званий зазвичай хвильовим цугом. Інша спроба пов'язана з використанням моделі хвилі-пілота, згідно з якою мікрооб'єкт є якесь "з'єднання" корпускулярної "серцевини" з деякою хвилею, що управляє рухом "серцевини".
Один з варіантів моделі хвилі-пілота розглянуто в книзі Д. Бома:
"Спочатку постулируем, що з частинкою (наприклад, електроном) пов'язане" тіло ", що займає малу область простору; в більшості застосувань на ядерному рівні його можна розглядати як матеріальну точку. В якості наступного кроку припустимо, що з" тілом "пов'язана хвиля, без якої тіло не виявляється. Ця хвиля являє собою коливання якогось нового поля (ψ-поля), до деякої міри схожого на гравітаційне і електромагнітне, але має свої власні характерні риси. Далі припускаємо, що ψ-поле і "тіло" взаємодіють. Ця взаємодія повинно буде приводити до того, що "тіло" буде прагне знаходиться в області, де інтенсивність ψ-поля має найбільше значення. Здійсненню цієї тенденції руху електрона заважають невпорядковані руху, які відчувають тілом, які могли б виникнути, наприклад, в наслідок флуктуації самого ψ- поля. Флуктуації викликають тенденцію блукання "тіла" з усього доступного йому простору. Але здійсненню цієї тенденції заважає наявність "квантової сили" яка спрямовує "тіло" в області, де інтенсивність ψ-поля найбільш висока. У результаті отримаємо якийсь розподіл "тел ", переважна в областях з найбільшою інтенсивністю ψ-поля."
Не виключено, що подібні моделі можуть здатися з першого погляду привабливими - хоча б у силу своєї наочності. Проте необхідно відразу ж підкреслити - всі ці моделі неспроможні з наукової точки зору сучасної фізичної теорії. Ми не будемо виявляти, в чому саме полягає неспроможність розглянутої моделі хвилі-пілота; відзначимо лише громіздкість цієї моделі, що використовує такі штучні поняття, як "ψ-поле", яке "до деякої міри поході на гравітаційне і електромагнітне", або "квантова сила ", яка відображає взаємодію якогось" тіла "з ψ-полем.
Однак неспроможність подібних моделей пояснюється не приватними, а глибокими, принциповими причинами. Слід заздалегідь визнати безуспішною будь-яку спробу буквального тлумачення корпускулярно-хвильового дуалізму, яку спробу якимось чином змоделювати симбіоз корпускули і хвилі. Мікрооб'єкт не є симбіозом корпускули і хвилі.
Як же слід розуміти корпускулярно-хвильовий дуалізм?
В даний час корпускулярно-хвильовий дуалізм розуміють як потенційну здатність мікрооб'єкт виявляти різні свої властивості в залежності від тих чи інших зовнішніх умов, зокрема, умов спостереження. Як писав В. А. Фок, "у атомних об'єктів в одних умовах виступають на передній план хвильові властивості, а в інших - корпускулярні; можливі й такі умови, коли і ті, і інші властивості виступають одночасно. Можна показати, що для атомного об'єкту існує потенційна можливість проявляти себе, в залежності від зовнішніх умов, або як частка, або як хвиля, або проміжним чином. Саме в цій потенційної можливості різних проявів властивостей, притаманних мікрооб'єктів, і складається дуалізм хвиля-частинка. Будь-яка інша, більш буквальне розуміння цього дуалізму у вигляді будь-якої моделі неправильно ".
Наведемо простий приклад. Нехай пучок електронів проходить крізь екран з щілинами і потім потрапляє на екран-детектор. При проходженні через щілини електрони реалізують свої хвильові властивості, що обумовлює характерне для інтерференції розподіл електронів за щілинами. При попаданні ж на екран-детектор електрони реалізують свої корпускулярні властивості - кожен з них реєструється в деякій точці екрану. Можна сказати, що електрон проходить крізь щілину як хвиля, а реєструється на екрані як частка.
У зв'язку з цим говорять за одних обставин, що "мікрооб'єкт є хвиля", а при інших - "мікрооб'єкт є частка". Таке трактування корпускулярно-хвильового дуалізму неправильна. Незалежно ні від яких обставин мікрооб'єкт не є ні хвилею, ні часткою, ні навіть симбіозом хвилі і частинки. Це є якийсь досить специфічний об'єкт, здатний залежно від обставин проявляти в тій чи іншій мірі корпускулярні і хвильові властивості. Розуміння корпускулярно-хвильового дуалізму як потенційної здатності мікрооб'єкт проявляти в різних зовнішніх умовах різні властивості є єдино правильне розуміння. Звідси, зокрема, випливає висновок: наочна модель мікрооб'єкт принципово неможлива.
5. Фізика мікросвіту як практична енергетична проблема
Енергетична проблема - одна з найважливіших проблем, які сьогодні доводиться вирішувати людству. Вже стали звичними такі досягнення науки і техніки, як засобу миттєвої зв'язку, швидкий транспорт, освоєння космічного простору. Але все це вимагає величезних витрат енергії. Різке зростання виробництва та споживання енергії висунув нову гостру проблему забруднення навколишнього середовища, яке становить серйозну небезпеку для людства.Світові енергетичні потреби в найближчі десятиліття будуть інтенсивно зростати. Якої-небудь одне джерело енергії не зможе їх забезпечити, тому необхідно розвивати всі джерела енергії та ефективно використовувати енергетичні ресурси.
Як відомо, в основі виробництва теплової та електричної енергії лежить процес спалювання копалин енергоресурсів - вугілля, нафти і газу, а в атомній енергетиці - це поділ ядер атомів урану і плутонію при поглинанні ними нейтронів.
Масштаб добутку та витрачання копалин енергоресурсів, металів, споживання води, повітря для виробництва необхідної людству кількості енергії величезний, а запаси ресурсів, на жаль, обмежені. Особливо гостро стоїть проблема швидкого вичерпання запасів органічних природних енергоресурсів. Але
Світові запаси всіх енергоресурсів оцінюються величиною 355 Q, де Q - одиниця теплової енергії, що дорівнює Q = 2,52 · 1017 ккал = 36.109 тонн умовного палива (т.у.п.), тобто палива з калорійністю 7000 ккал / кг, так що запаси енергоресурсів становлять 12,8 · 1012 т.у.п.
З цієї кількості приблизно 1 / 3 тобто ~ 4,3 · 1012 т.у.п. можуть бути вилучені з використанням сучасної техніки при помірній ціні топліводобичі. З іншого боку сучасні потреби в енергоносіях складають 1,1 · 1010 т.у.п. / рік, і ростуть зі швидкістю 3-4% на рік, тобто подвоюються кожні 20 років.
Легко оцінити, що органічні копалини ресурси, навіть якщо врахувати ймовірне уповільнення темпів зростання енергоспоживання, будуть значною мірою витрачені в майбутньому столітті.
Відзначимо до речі, що при спалюванні викопного вугілля і нафти, які мають сірчистого близько 2,5%, щорічно утворюється до 400 млн. т. сірчистого газу і оксидів азоту, тобто близько
Використання ж енергії атомного ядра, розвиток атомної енергетики фактично знімає гостроту цієї проблеми. Дійсно, відкриття ділення важких ядер при захопленні нейтронів, яка зробила наше століття атомним, додало до запасів енергетичного викопного палива істотний внесок ядерного пального. Запаси урану у земній корі оцінюються величезним числом 1014 тонн. Однак основна маса цього багатства знаходиться у розсіяному стані - у гранітах, базальтах. У водах світового океану кількість урану досягає 4.109 тонн. Однак багатих родовищ урану, де видобуток була б недорога, відомо порівняно небагато. Тому масу ресурсів урану, яку можна добути при сучасній технології та при помірних цінах, оцінюють у 108 тонн. Щорічні потреби в урані становлять, за сучасними оцінками, 104 тонн природного урану. Так що ці запаси дозволяють, як сказав академік А. П. Александров, "прибрати Дамоклів меч паливної недостатності практично на необмежений час".
Інша важлива проблема сучасного індустріального суспільства-забезпечення збереження природи, чистоти води, повітряного басейну.
Відома занепокоєння вчених з приводу "парникового ефекту", що виникає через викиди вуглекислого газу при спалюванні органічного палива, і відповідного глобального потепління клімату на нашій планеті. Та й проблеми загазованості повітряного басейну, "кислих" дощів, отруєння річок наблизилися в багатьох районах до критичної межі.
Атомна енергетика не споживає кисню і має незначну кількість викидів при нормальній експлуатації. Якщо атомна енергетика замінить звичайну енергетику, то можливості виникнення "парника" з важкими екологічними наслідками глобального потепління будуть усунені.
Надзвичайно важливою обставиною є той факт, що атомна енергетика довела свою економічну ефективність практично у всіх районах земної кулі. Крім того, навіть при великому масштабі енерговиробництва на АЕС атомна енергетика не створить особливих транспортних проблем, оскільки вимагає незначних транспортних витрат, що звільняє суспільства від тягаря постійних перевезень величезних кількостей органічного палива.
Але ж є і ще одна проблема про яку зараз згадують із прикрістю і говорять з великим побоюванням.
У 1939 році вперше вдалося розщепити атом урану. Минуло ще 3 роки, і в США був створений реактор для здійснення керованої ядерної реакції. Потім у
Висновок
Перші уявлення про те, що речовина складається з окремих неподільних частинок, з'явилося в глибокій старовині. У стародавній Індії визнавалося не тільки існування первинних неподільних частинок речовини, але і їх здатність з'єднуватися один з одним, утворюючи нові частинки.Французький вчений П'єр Гассенді ввів поняття про молекулу, під якою він розумів якісно нове утворення, складене шляхом з'єднання декількох атомів.
На думку англійського вченого Р. Бойля, світ корпускул (молекул), їх рух і "сплетіння" дуже складні. Світ у цілому і його дрібні частини-це доцільно влаштовані механізми. Великий російський учений М. В. Ломоносов розвинув і обгрунтував вчення про матеріальні атомах і корпускули. Він приписував атомам не тільки неподільність, але й активний початок - здатність до руху і взаємодії.
Англійський вчений Дж. Дальтон розглядав атом як найменшу частку хімічного елемента, що відрізняється від атомів інших елементів насамперед масою.
Великий внесок в атомно-молекулярне вчення внесли французький вчений Ж. Гей-Люссак, італійський вчений А. Авогадро, російський вчений Д. І. Менделєєв. У 1860 році в м. Карлсруе відбувся міжнародний конгрес хіміків. Завдяки зусиллям італійського вченого С. Канніццаро були прийняті наступні визначення атома і молекули: молекула - "кількість тіла, яке набирає реакції і визначальне хімічні властивості", атом - "найменша кількість елемента, що входить до частки (молекули) з'єднань.
Встановлені С. Канніццаро атомні маси елементів послужили Д. І. Менделєєву основною при відкритті періодичного закону.
Література
I. Основна1. Блохінцев Д.І. Основи квантової механіки. М., 1976.
2. Горбачов В.В. Концепції сучасного природознавства. М., 2003.
3. Карпенків С.Х. Концепції сучасного природознавства. М., 2000.
4. Липкин Г. Квантова механіка. М., 1977.
5. Тарасов Л.В. Основи квантової механіки. М., 1978.
Додаткова
1. Концепції сучасного природознавства / Под ред. С.І. Самигіна. Ростов н / Д, 2001.
2. Кращі реферати. Концепції сучасного природознавства. Ростов н / Д, 2002.
3. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. М., 2002.
4. Скопин А.Ю. Концепції сучасного природознавства. М., 2003.
5. Соломатін В.А. Історія та концепції сучасного природознавства. М., 2002.