Микромир

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ФИЛИАЛ

ГОСУДАРСТВЕННОГО  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 

       РОССИЙСКАЯ  АКАДЕМИЯ  ПРАВОСУДИЯ

Кафедра правовой информатики, информационного  права

и естественнонаучных дисциплин 
 
 
 
 

По  дисциплине:

«Концепции  современного естествознания»

на  тему:

«микромир». 
 
 
 

Выполнил:

    Студент группы

    курса, очного отделения

    В.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Воронеж 2006. 
 
 

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10^-24 с. 

Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи, позже, в XVIII в. была возрождена 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. 

В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для  описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными, были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представления о строении материи. Открытие электрона ,затем протона, фотона и нейтрона показали, что атом имеет сложную структуру. Исследование строения атома становится важнейшей задачей физики XX века. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

      История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона (1897г.) — отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Исследование строения атома становится важнейшей задачей физики XX века.

      После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 году нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц. В том числе: позитрон (античастица электрона); мезоны - нестабильные микрочастицы; различного рода гипероны - нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10^-22 - 10^-24 с); нейтрино - стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино - античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.

     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. Существовало несколько моделей строения атома.

   В 1902 г. английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил первую модель атома — положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг».

   В 1911 г. Э. Резерфорд предложил модель атома, которая напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10~12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10~8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов, 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.

   Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. А. Беккерелем Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов радиоактивных элементов в результате ядерных излучений.

   Вопросы радиоактивности различных элементов  изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты  новые элементы — полоний и радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества. 

Рождение  и развитие представлений  о квантах. 

При переходе к исследованию микромира оказались  разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией, одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. 

Первый  шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Плавком. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях — квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии — квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h. E = Ну, ставшим впоследствии знаменитым (где hy — квант энергии, у — частота). 

Если  введение кванта еще не создало настоящей  квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания. 

Первым  физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его был  А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. 

Квантовая теория света, или фотонная теория А. Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. 

Эйнштейновское  представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом. 

Правильность  такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение  в экспериментах американского  физика Р. Э. Милликена. Открытое в 1923 г. американским физиком А. Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света. 

Возникла  парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как  волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции  проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте — корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности — присущая ему порция энергии — вычислялась через чисто волновую характеристику — частоту у (Е= Ну). 

Как и  все великие естественно-научные  открытия, новое учение о свете  имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн «отбросил» в гораздо более обширной области физических явлений. 

Представление о квантах электромагнитного поля — фотонах — один из наиболее фундаментальных вкладов в разработку квантовой теории. Уже поэтому А. Эйнштейн должен рассматриваться как один из величайших ее создателей. Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору разработать модель атома. 

Теория  атома Н. Бора. 

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор  применил принцип квантования при  решении вопроса о строении атома  и характеристике атомных спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при планетарной модели атома Э. Резерфорда. Модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него но своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Вместо сил тяготения, действующего 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. 

Модель  атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, 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;