Концепция атомизма и элементарные частицы

Впервые такую радиоактивность  обнаружил французский ученый А. Беккерель в 1896 г. Изучая соли урана, а затем и чистый уран, он заметил, что они непрерывно излучают энергию, которую Беккерель назвал радиоактивной. Дальнейшее исследование явления радиоактивности другими учеными, и в особенности супругами М. Склодовской-Кюри и П. Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий, позволило выявить ряд свойств и закономерностей радиоактивного излучения. Было установлено, что все радиоактивные вещества испускают три рода лучей, которые были названы α-, β- и γ-лучами. При анализе α-лучи оказались ядрами гелия, β-лучи сначала связывали с испусканием электрона, но теперь мы знаем, что они характерны для слабого взаимодействия вообще, γ-лучи обладают большой проникающей способностью и во многом аналогичны жестким рентгеновским лучам.

Первое объяснение естественной радиоактивности  было достигнуто с помощью представления  о превращении одних химических элементов в другие, которое, как мы знаем, привело к революции в естествознании и отказу от прежних взглядов на атомы как мельчайшие, неизменные и неделимые частицы вещества. Впоследствии с помощью квантовой механики удалось дать более адекватное объяснение механизму радиоактивных процессов.

В 1940 г. русские ученые Г.Н. Флеров и  К.А. Петржак открыли новый вид  радиоактивного превращения, связанный со спонтанным, или самопроизвольным, делением атомных ядер. Но явление радиоактивности, наблюдаемое в естественных условиях, вряд ли по своему значению и роли в физико-химических исследованиях можно сравнить с искусственной радиоактивностью, которая вызывается и контролируется самим ученым. Преимущества такого исследования очевидны: во-первых, ученый получает при этом возможность экспериментировать с явлениями, во-вторых, — и это главное — он создает искусственные элементы, которые не встречаются в природе.

Первыми такую искусственную радиоактивность  наблюдали французские физики супруги И. и Ф. Жолио-Кюри, получившие изотоп фосфора. В настоящее время наиболее эффективным средством, способным вызвать искусственную радиоактивность или получить изотопы, служат, как мы уже знаем, нейтроны. В принципе искусственная радиоактивность не отличается от радиоактивности естественной, поскольку обе они основываются на разрушении ядра атома и превращении одних атомов в другие.

Особого внимания заслуживает процесс деления тяжелых ядер, который может происходить как естественно, так и искусственно. В последнем случае для этого следует бомбардировать ядро нейтронами. В 1939 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман, бомбардируя уран нейтронами, обнаружили, что при этом образуются ядра щелочноземельных элементов. В том же году австрийские физики Л. Майтнер и О. Фриш установили, что при бомбардировке ядра урана-235 нейтронами оно делится на два осколка и при этом испускается 2—3 свободных нейтрона. Эти нейтроны, попадая на другие ядра, могут вызвать их деление и таким способом вызвать цепную реакцию. В результате этого выделяется огромное количество энергии вследствие принципа дефекта массы, рассмотренного выше. Для сравнения можно отметить, что энергия, получаемая в результате цепной реакции деления 1 кг урана, в несколько миллионов раз больше, чем, например, при сжигании того же количества угля.

Однако осуществить такую цепную реакцию весьма трудно, поскольку  для этого требуется уран-235, которого в природном уране содержится всего 0,7%. Поэтому необходимо из урановой руды выделить достаточное количество урана-235, чтобы могла начаться цепная реакция. Эта критическая масса составляет несколько десятков килограммов. Такая реакция будет, однако, неуправляемой и может привести к большому взрыву, как и в водородной бомбе. Но реакция, которая происходит в водородной бомбе, имеет принципиально иной характер. Она основана на термоядерном синтезе, т.е. на соединении легких ядер водорода при очень высокой температуре, в сотни миллионов градусов, которая получается путем взрыва атомной бомбы, сконструированной вместе с водородной бомбой. Огромная температура, выделяемая при атомном взрыве, создает условия для термоядерного синтеза ядер водорода и выброса получаемой при этом гигантской энергии.

Ядерные реакции записываются подобно  химическим. Например, в результате реакции деления ядра урана при столкновении с нейтронами образуются ядра цезия и рубидия и два нейтрона:

Облучение ядра нейтронами наиболее часто используется для осуществления ядерных реакций. Дело в том, что электрически нейтральный нейтрон не испытывает кулоновского отталкивания протонов ядра и легко в него проникает. Выделяющиеся в реакциях распада нейтроны могут вызвать деление других ядер, благодаря чему возникает цепная реакция - лавинообразный процесс. Этот процесс может завершиться взрывом.

Взрыв можно предотвратить, если часть  нейтронов удалить из делящегося вещества, тогда реакцией деления можно управлять. Описанный процесс называется цепной реакцией деления. Схема цепной реакции показана на рис.2.

Аналогичные термоядерные процессы, т.е. реакции синтеза легких ядер и превращения их в более тяжелые  ядра, постоянно происходят в недрах звезд, в частности нашего Солнца. Использование термоядерной энергии в земных условиях связано с поисками управляемого термоядерного синтеза, что навсегда решило бы энергетические проблемы человечества.

Заключение

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

Атомистическая концепция, как  уже говорилось выше, опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно в конечном итоге свести к свойствам составляющих его мельчайших частиц. Трудности, которые возникают при таком подходе, с общей, мировоззренческой точки зрения связаны, во-первых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, во-вторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними. Поэтому с философской точки зрения особенно интересными представляются новые подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних неделимых и фундаментальных ее частиц, а скорее выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств материальных образований. Такая точка зрения высказывалась еще В. Гейзенбергом, но пока не получила дальнейшего развития. По-видимому, на объединении концепций атомизма и дискретности, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного подхода — с другой, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи. Во всяком случае, редукционистская тенденция, связанная с попытками сведения свойств и закономерностей разнообразных сложных объектов и явлений к простым свойствам составляющих их элементов, в настоящее время наталкивается на серьезные трудности, преодоление которых возможно путем поиска альтернативных путей исследования.

Непрекращающаяся жажда познания, желание постичь тайны мироздания, стремление найти окончательную истину сопровождают развитие науки со времени ее возникновения. На примере эволюции концепции атомизма, начиная от Античности и кончая нашими днями, мы видим, какой огромный прогресс совершила наука за более чем две с половиной тысячи лет своего развития. При этом самые значительные успехи были достигнуты за четыре последних столетия, а практическое применение концепция атомизма получила лишь с техническим воплощением ее идей в атомной энергетике.

Список литературы

1. Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени: истоки, эволюция, перспективы // Вестник КемГУ. -2010. -№4. – С. 12-19.
2. Барашков В.С. Кварки, протоны, Вселенная. – М.: Глэсс, 2000. – 230 с.
3. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.- 419 с.
4. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.- 221 с.
5. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: краткий курс: учеб. пособие для вузов. М.: Высшее образование, 2007. – 240 с.
6. Фейнман Р. Характер физических законов. – Спб.: Питер, 2001. – 327 с.
7. Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания: курс лекций / Изд. 4-е. — Ростов н/Д: Феникс, 2005. — 480 с.

¹ Античасти́ца — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой заряд, барионное и лептонное квантовое число).

² Спин (англ. spin — вертеть[-ся]) — собственный момент импульса (или магнитный момент) элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома. Спин измеряется в единицах и равен J , где J — характерное для каждого сорта частиц целое (в т. ч. нулевое) или полуцелое положительное число — т. н. спиновое квантовое число, которое обычно называют просто спином.

³ Радиоактивность - самопроизвольный распад ядер с испусканием различных частиц.