Атомистическая концепция строения мира

Федеральное агентство по образованию

филиал

Государственного  образовательного учреждения

высшего профессионального образования-

всероссийского  заочного финансово-экономического института

в г. Туле 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Концепции современного естевствознания»

на тему: «Атомистическая концепция строения мира» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                         

                                                  Тула 2009 г. 

Содержание:

Введение

1. Развитие идей атомизма в истории науки

2. Современная теория атомизма

3. Квантовая  модель атома. Роль элементарных частиц и физического вакуума в строении атома.

Заключение

Список используемой литературы

 

Введение. 

   Атомистическая  гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

   В физику представления об атомах как о  последних неделимых структурных  элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома  начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном Превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. Изучение радиоактивности было продолжено французскими физиками супругами Пьером и Марией Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

   История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку  электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

   Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1902 г. первую модель атома — положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Эта идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой

   В представленной контрольной работе будут рассмотрена история развития понятия «атом» и идей атомизма. Затем изложено современное понимание сущности атома и вскрыты особенности понимания атома с позиций квантовых представлений, с выявлением роли элементарных частиц и физического вакуума в понимании его сущности.

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Развитие идей  атомизма в истории науки. 

   В истории  физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы была концепция атомизма.

    Атоми́зм — натурфилософская и физическая теория, согласно которой чувственно воспринимаемые (материальные) вещи состоят из неделимых частиц — атомов. Возникла в древнегреческой философии. Дальнейшее развитие получила в философии и науке Средних веков и Нового времени.

Термин атомизм  употребляется в двух смыслах. В  широком смысле атомизмом называется любое учение об атомах, в узком — древнегреческая философская школа V-IV веков до н. э., учение которой является самой ранней исторической формой атомизма. В обоих случаях употребляется также термин атоми́стика. Термин атомисти́ческий материали́зм является более узким, так как некоторые сторонники учения об атомах считали атомы идеальными.

   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.) и запечатленная 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.). Согласно их учению существуют только атомы и пустота. Атомы — мельчайшие неделимые, невозникающие и неисчезающие, качественно однородные, непроницаемые (не содержащие в себе пустоты) сущности (частицы), обладающие определённой формой. Атомы бесчисленны, так как пустота бесконечна. Форма атомов бесконечно разнообразна. Атомы являются первоначалом всего сущего, всех чувственных вещей, свойства которых определяются формой составляющих их атомов. Демокрит предложил продуманный вариант механистического объяснения мира: целое у него представляет собой сумму частей, а беспорядочное движение атомов, их случайные столкновения оказываются причиной всего сущего. В атомизме отвергается положение элеатов о неподвижности бытия, поскольку это положение не дает возможности объяснить движение и изменение, происходящее в чувственном мире. Стремясь найти причину движения, Демокрит «раздробляет» единое бытие Парменида на множество отдельных «бытий»-атомов, мысля их как материальные, телесные частицы.

   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

 

2. Современная теория атомизма. 

   Помимо  изучения макрокосма (наблюдаемого «мира  вокруг нас»), наука ставит вопрос о  строении и законах микромира (молекул, атомов, субатомных частиц). Последние могут существенно отличаться от привычных нам законов, действующих для видимых невооруженным глазом объектов.

   Представление о существовании мельчайших частиц вещества — атомов и молекул —  является одним из важнейших положений  современной физики.

Наука давно уже не рассматривает атомы как неделимые частицы (скажем, как абсолютно твердые шарики). Известно, что они состоят из более мелких частиц — электронов и находящегося в центре атома тяжелого ядра; последнее, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Однако планетарная модель атома, описывающая его как миниатюрную солнечную систему, оказалась несостоятельной: согласно классической теории электромагнетизма, электроны, играющие роль планет, должны были бы излучать энергию и неизбежно упасть на ядро за микроскопически малые промежутки времени. Кроме того, такая модель не может объяснить полной тождественности атомов данного химического элемента (ведь орбиты электронов могут располагаться на любом расстоянии от ядра). Решение этих проблем дала лишь квантовая механика, которая описывает движение электрона в атоме как стоячую волну с помощью набора целых квантовых чисел (опять пифагорейская гармония!). Отметим, кстати, что существование различных частот вибраций и соответствующих уровней сознания для всех состояний материи является одной из центральных идей оккультизма.

   Квантовая теория позволила полностью объяснить  расположение элементов в таблице  Менделеева (см. гл. 8), в том числе  имевшиеся там «нарушения», связанные  с редкоземельными металлами  и т. д., вокруг которых было столько спекуляций в оккультной литературе конца XIX-начала XX вв. (см., напр., «Тайную доктрину» Е. П. Блаватской). 

   Современная физика выступает против положения  Демокрита [о неизменности атомов] и  встает на сторону Платона и пифагорейцев. Элементарные частицы не являются вечными и неразложимыми единицами материи, фактически они могут превращаться друг в друга… В современной квантовой теории едва ли можно сомневаться в том, что элементарные частицы в конечном счете суть математические формы, только гораздо более сложной и абстрактной природы [чем платоновы многогранники]… Математическая симметрия, играющая центральную роль в правильных телах платоновской философии, составляет ядро основного уравнения [речь идет об единой теории элементарных частиц]. Уравнение — только математическое представление всего ряда свойств симметрии, которые, конечно, не так наглядны, как платоновские тела. В современной физике речь идет о свойствах симметрии, которые соотносятся с пространством и временем и находят свое математическое выражение в теоретико-групповой структуре основного уравнения (В. Гейзенберг, Физика и философия, С. 36, 37). 
 
 

 

3. Квантовая модель  атома. Роль элементарных частиц и физического вакуума в строении атома. 

   Атом  похож на тончайший механизм, детали которого действуют чрезвычайно согласованно. Раскрытие устройства этого самого маленького из всех существующих "механизмов" явилось настоящим триумфом человеческой цивилизации.

   Одним из инструментов, который помог "заглянуть" внутрь невидимых, микроскопических атомов, послужила квантовая теория.

   Модель  атома, предложенная Э. Резерфордом  в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам  движутся электроны.

   Ядро  имеет положительный заряд, а электроны - отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов - атом электрически нейтрален.

   Неразрешимое  противоречие этой модели заключалось  в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться  вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно  должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.

   Следующее противоречие связано с тем, что  спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.  

   В 1913 г. великий датский физик Н. Бор  применил принцип квантования при  решении вопроса о строении атома  и характеристике атомных спектров.

   Модель  атома Н. Бора базировалась на планетарной  модели Э. Резерфорда и на разработанной  им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

   1) в  каждом атоме существует несколько  стационарных состояний (говоря  языком планетарной модели, несколько  стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

   2) при  переходе электрона из одного  стационарного состояния в другое  атом излучает или поглощает  порцию энергии. 

   Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины  не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, почему атомы  химических элементов не испускают  излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое.

   Теория  атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствами электрона. Длина волны движущегося в атоме электрона равна примерно 10-8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том случае, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравнению с размерами системы. Другими словами, следует учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.