Концепция атомизма и элементарные частицы

Содержание

Введение

Атомистика - учение о прерывистом, дискретном (зернистом) строении материи, ее ступенчатой организации. Оно уходит глубокими корнями во времена Древнего Востока и Древней Греции, когда оно было всего лишь гениальной догадкой и не основывалось на каких-либо эмпирических данных. Но, тем не менее, зародившаяся именно в то время, эта теория определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания.

Эта концепция, несомненно, обладает огромными возможностями для объяснения свойств и особенностей сложных тел с помощью свойств более простых элементов и частиц посредством метода редукции, т.е. сведения сложного к простому, составного к элементарному. В разное время и на определенном этапе познания были и различные теории строения материи - исторически элементарными и неделимыми частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки.

И даже сейчас, когда мы знаем, что атом вовсе не является последней, неделимой частицей материи и имеет сложное строение, тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции.

Все, это в совокупности определило актуальность темы нашего исследования.

Поэтому целью нашей работы является анализ концепции атомизма и современных представлений об элементарных частицах.

Исходя из цели, необходимо решить следующие задачи:

 рассмотреть сущность элементарных частиц, их общие свойства и классификацию;

 проанализировать кварковую  модель адронов;

изучить строение атомного ядра и  ядерные процессы.

Объектом исследования являются элементарные частицы, а предметом – их рассмотрение в концепции атомизма.

Методы исследования: сравнение, сопоставление, ретроспективный (исторический) метод, анализ литературных источников.

Структура: работа представлена следующими разделами: введение, основная часть, состоящая из шести параграфов, заключение, список литературы.

1. История развития атомизма

Представление о неделимых мельчайших частицах материи, возникшее еще в глубокой древности, сопровождало развитие воззрений на природу на протяжении всей истории научного познания.

Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло, как известно, в античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа — Демокрита. Согласно этому учению, в мире существуют только атомы и пустота. Все в этом мире образуется из них, может изменяться, возникать и исчезать, но атомы, из которых состоят тела, остаются неизменными. Они могут лишь переходить от одних тел к другим. 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, теория об атомах стала несколько более конкретна, чем натурфилософия древних, но всё же ещё в большей мере оставалась абстрактной и мало связанной 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 нерастворения (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. 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.

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 его развитии: 1) натурфилософский атомизм древности, 2) механический атомизм 17—18 вв., 3) химический атомизм 19 в. и 4) современный физический атомизм.

2. Элементарные частицы

После того как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц, идея поиска таких частиц заняла главное место в физических исследованиях. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных, основных частиц, которые впоследствии стали называть элементарными. В точном смысле слова такие частицы не должны содержать каких-либо других элементов. Однако в обычной практике физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или частями атомных ядер, за исключением протона и нейтрона. Иногда элементарные частицы называют также субъядерными частицами.

Первая элементарная частица  — электрон (е^-) — была открыта еще в конце XIX в. Она представляет собой наименьшую единицу электрического заряда.

Вторая частица, названная  протоном (р), входящая в состав ядра атома, была открыта Э. Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке атомов альфа-частицами. Ее масса почти 2000 раз превосходит массу е^-, но заряжена положительно.

Третья частица — нейтрон  (n⁰)— была открыта в составе космического излучения и так названа потому, что она является нейтральной и не несет электрического заряда.

Четвертая частица, названная фотоном (γ), является квантом излучения света и была введена для объяснения фотоэффекта.

Все эти частицы и составили первоначальный запас элементарных частиц.

Начиная с 1930-х гг. физики, занявшись  исследованием космических лучей, год за годом открывают в них  новые элементарные частицы, число  которых неуклонно растет. В 1932 г. был открыт позитрон (е⁺), первая античастица¹, теоретически предсказанная известным английским физиком П. Дираком, но впервые обнаруженная в космических лучах. Она оказалась равной по массе электрону, но заряженной положительно. Аналогично этому такая всепроницающая легкая частица, как нейтрино (n), была предсказана видным швейцарским физиком В. Паули в 1936 г., а экспериментально открыта лишь в 1953 г. То же самое можно сказать о предвидении японским физиком X. Юкавой существования π(пи)-мезонов, которые были открыты в 1947 г. Еще раньше были открыты мюоны (неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином ½)². Эти частицы по массе занимают промежуточное положение между массой электрона, которую они превышают примерно в 200 раз, и массой протона. В дальнейшем были обнаружены К⁺ и К^-мезоны и Λ(лямбда)-гипероны, частицы, обладающие необычными свойствами, которые были названы «странными».

Если раньше большинство элементарных частиц открывали в космических лучах, то начиная с 50-х гг. XX в. основным средством их обнаружения и исследования становятся ускорители. С их помощью было открыто многочисленное семейство нестабильных и короткоживущих, так называемых резонансных частиц, а в 1955 т. — антипротон, год спустя — антинейтрон. В 1970—1980-х гг. обнаружено большое количество так называемых очарованных и красивых частиц, которые в 3—10 раз превосходили массу протона.

Этот краткий обзор показывает, как в последние десятилетия  интенсивно развивались исследования элементарных частиц, число которых сейчас, видимо, приближается к 400. Такое количество и разнообразие частиц служит явным свидетельством в пользу того, что они вряд ли могут считаться подлинно элементарными, не образованными из других частиц. Во всяком случае, многообразие элементарных частиц и особенно разнообразие их свойств требуют обсуждения и классификации.

3. Общие свойства элементарных частиц

1. Все элементарные частицы отличаются  крайне малыми размерами и  массами. Большинство из них  имеют размеры порядка 10^-13 см, а массы, сравнимые с массой протона, т.е. 1,6 * 10^-24 г. Масса электрона гораздо меньше, составляет 0,9* 10^-27 г. Этим объясняются те квантовые свойства и закономерности, которые им присущи.

2. Наиболее характерным свойством  элементарных частиц является  их способность взаимодействовать друг с другом, в процессе которого они превращаются в иные частицы. Такие процессы наиболее изучены в ядерных реакциях, когда одни атомы превращаются в другие. Подобные явления происходят как в естественных условиях, когда один радиоактивный элемент преобразуется в другой, так и в искусственных, когда ядро атома бомбардируется нейтронами.

3. Поскольку различные взаимодействия  частиц проходят с разной интенсивностью, постольку в настоящее время выделяют 4 основных типа взаимодействия. По интенсивности, с которой происходят взаимодействия элементарных частиц, выделяют сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия.

Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным, и именно оно обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах. В свободном состоянии нейтрон, например, является нестабильной частицей и распадается с образованием протона, электрона и нейтрино. Но в связанном состоянии в рамках ядра он становится по своим свойствам сходным с протоном. Сильное взаимодействие является короткодействующим, его радиус составляет  10 ^-13 см. В стабильном веществе взаимодействие между протонами и нейтронами при не слишком высокой температуре способствует лишь усилению связи между ними. Однако если происходит столкновение ядер или их частей — нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией, тогда могут произойти различные ядерные реакции. Наиболее примечательной является реакция термоядерного синтеза, сопровождающаяся выделением огромной энергии.