РЕФЕРАТ

на тему:

 

“Физика частиц - дискретные объекты. Корпускулярная модель частицы. От Аристотеля до Ньютона.”

Содержание

Физика частиц - дискретные объекты 3

Корпускулярная модель атома 5

От физики Аристотеля до физики Ньютона 7

4. Идея планетарной модели атома 12

5. Список литературы 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Физика частиц – дискретные объекты.

Понятие дискретности в физике и химии обозначает атомистичность частицы, зернистость ее строения. Данное понятие касается всего окружающего нас.

Употребляется дискретность (от лат. discretus - разделенный, прерывистый), в качестве противопоставления непрерывности. Таким образом, дискретное изменение некоторой величины во времени является изменением, происходящим через какие-то интервалы времени. Приведем пример - система целых чисел в противопоставлении системе действительных чисел является дискретной.

Дискретность пространственно-временного строения и состояния материи, составляющих ее элементов, видов и форм существования, процесса движения, развития – эти понятия включает в себя прерывность, в основе которой положена делимость, а также относительно самостоятельное существование ее составляющих , например, электронных частиц, ядер, атомов, молекул, кристаллов, организмов, планет и т. д.

Химики при изучении разных веществ - жидких, твердых, газообразных – обнаружили возможность разложить некоторые из них на более простые. Хотя есть и такие вещества, которые разложению не подлежат, называемые химическими элементами. Было открыто более 100 элементов, среди которых около 20 можно встретить в живых организмах.

Если раскрошить кусочек графита на самые мельчайшие частицы, но еще сохраняющие свойства углерода. Подобная частица носит название атома (атом - это единица вещества) углерода. Но атомы не элементарны, они состоят из электронов, протонов и нейтронов, которые сегодня принято считать элементарными. В ХХ веке ученые доказали дискретность атома. Следовательно, строительных материалов у природы не 100, а всего 3. Может быть, очень скоро ученые докажут и их дискретность. Уже предложена модель, подтверждающая подобные предположения.

Состояние теории элементарных частиц не является законченным и скорее всего напоминает теорию Бора до момента возникновения квантовой механики.

Изучение элементарных частиц и явлений, закономерностей микромира, проникая в ультрамалые субатомные пространственно-временные области, происходит вплоть до 10 -15 см и до 10 -27 сек.

На чрезвычайно малых расстояниях окружающее нас пространство, согласно теоретическим предположениям ученых, обладает необыкновенно сложной мелкозернистой структурой с огромной плотностью энергии. Количества энергии, которое содержится в каждом кубическом микрометре этой среды вполне достаточно для создания многих триллионов галактик.

В вакууме, в каждой точке пространства находятся “нерожденные” частицы и поля всех возможных видов. Хотя они обладают недостаточным количеством энергии для появления в качестве реальных частиц.

Нулевые колебания вакуума – это наличие бесконечного множества подобных скрытых частиц. К примеру, в вакууме во всех направлениях движутся фотоны всех возможных энергий и частот. Но мы ничего не ощущаем, поскольку эти частицы летят во всех направлениях, и их потоки взаимно уравновешивают друг друга. Тогда, когда однородность потока скрытых частиц нарушается, начинают проявляться нулевые колебания в вакууме.

На основе весьма общих теоретических соображений в физике микромира по одной из систематик все элементарные частицы делятся на 3 класса:

I - фотоны - порции электромагнитного излучения,

II - электроны и нейтрино,

III класс - андроны - их известно сейчас несколько сотен, таким образом является самым многочисленным классом. К нему относятся протон, нейтрон и мезон – частицы, имеющие массы, промежуточные между массой электрона и массой протона. Преобладающая часть андронов - нестабильные частицы с очень малым сроком жизни. Самые мало живущие частицы - резонансы.

Имеются также частицы, которые по массе превосходят в несколько раз массу протона. Имеется версия, что “спектр масс” элементарных частиц простирается бесконечно. Если данное высказывание верно, следовательно при некоторых условиях в ультрамалых пространственно-временных областях могут рождаться макроскопические и даже космические объекты. По крайней мере современная теория элементарных частиц считает это весьма реальным.

По одной из гипотез выйдя из исходного состояния Вселенная вначале была абсолютно пустой, а излучение и все вещество появились из вакуума.

Образование же метагалактики получилось в итоге распада сверхтяжелого суперадрона массой приблизительно10 56 г., который называют “первоатомом”, т. е. сверхплотным сгустком материи, давшим начало наблюдаемой Вселенной. Распад “первоатома” на более мелкие адроны породил образование протоскоплений галактик, а его последующие распады на адроны с еще меньшими массами привели к образованию галактик.

С точки зрения процесса, который мы называем Вселенной, микромир и мегакосмос - две его стороны. Физика микромира проникла в область явлений, которые характеризуются масштабами порядка 10 -15 см, астрофизика изучает объекты, для которых характерны расстояния вплоть до 10 28 см. Не зависимо от величины размера космической системы, ее состав можно разбить на элементарные частицы. Мы также являемся частью мегакосмоса, также как и все окружающие нас объекты мегакосмоса.

2. Корпускулярная модель атома

У Демокрита атом превращался просто в геометрическое тело, которое является неразрушимым и вечным. Он считал ложным представление о бесконечной делимости материи. Различие между атомами состоит только в форме, порядке взаимного следования, и положении в пустом пространстве, а также в величине и зависящей от величины тяжести. Их формы весьма разнообразны с впадинами или выпуклостями. Другое “Демокритовское” название атомов - “фигуры” или “видики”. Из данной информации следует, что атомы Демокрита максимально малые, впоследствии неделимые фигуры или статуэтки. Немало было споров в современной науке о том, что атомы Демокрита являются физическими или геометрическими телами, но сам Демокрит по сущности не дошел до различения физики и геометрии. Как отдельные целые тела, так и весь мир, может образовываться из этих атомов, движущихся в различных направлениях, а также из их “вихря” по естественной необходимости путем сближения взаимноподобных атомов. Движение атомов вечно, а число возникающих миров бесконечно. Человек не может увидеть атом, а человеческие отношения объясняются истечениями из атомов, “видиками”, которые действуют на наши органы чувств. Следовательно, нет ничего ни сладкого, ни горького, ни белого, ни черного самого по себе, существуют лишь атомы и пустота .

Атомистическое учение Демокрита было существенно изменено под влиянием Эпикура (342-341 до н. э.). Он заменяет вихревое движение атомов падением и вводит понятие “веса атомов”. Немаловажную роль имеет учение Эпикура о произвольном отклонении атомов от падения по прямой, которое несет обоснование возникновения бесконечного числа миров и свободу индивида (т. е. атома и человека). Эпикур в борьбе с традиционным для античной натурфилософии понятием рока беспрецедентно отрицает точную закономерность небесных явлений.

Написанная в форме дидактического эпоса философская поэма Л у к р е ц и я (1 век до н. э.) “О природе вещей”, излагает учение Эпикура, т. е. его физику. Это памятник материалистической мысли древности сохранившийся полностью. Поэма Лукреция включает в себя 6 книг, где в первых двух излагается атомистическая теория мироздания и идея к о р п у с к у л я р н о й модели атома.

3. От Аристотеля до Ньютона.

Построение целостной астрономической картины мира - геоцентрической системы Аристотеля-Птоломея исходило из того, что непосредственно наблюдаемые перемещения небесных светил есть их действительные перемещения. Отсюда был сделан вывод о центральном положении Земли во Вселенной.

А р и с т о т е л ь (384-322 до н. э.)

Космология Аристотеля при всех достижениях (сведение всей суммы видимых небесных явлений и движений светил в стройную теорию) в некоторых частях была отсталой в сравнении с космологией Демокрита и пифагоризма. Влияние геоцентрической космологии Аристотеля сохранялось вплоть до Коперника. Аристотель руководствовался планетной теорией Евдокса Книдского, но приписал планетным сферам реальное физическое существование: Вселенная состоит из ряда концентрических сфер, движущихся с различными скоростями и приводимых в движение крайней сферой неподвижных звезд. “Подлунный” мир, то есть область между орбитой Луны и центром Земли, есть область беспорядочных неравномерных движений, а все тела в этой области состоят из четырех низших элементов: земли, воды, воздуха и огня. Земля, как наиболее тяжелый элемент, занимает центральное место, над ней последовательно располагаются оболочки воды, воздуха и огня. “Надлунный” мир , то есть область между орбитой Луны и крайней сферой неподвижных звезд, есть область вечноравномерных движений, а сами звезды состоят из пятого - совершеннейшего элемента - эфира[2].

П т о л о м е й (2 век до н. э.) - древнегреческий ученый. Разработал так называемую геоцентрическую систему мира, согласно которой все видимые движения небесных светил объяснялись их движением вокруг неподвижной Земли. Основное сочинение Птоломея по астрономии - “Великое материальное построение астрономии в 13 книгах” или “Альмагест” на арабском. В “Альмагесте” впервые законы видимых движений небесных тел были установлены настолько, что стало возможным предвычислять их положение[2].

Система Аристотеля-Птоломея верно отразила некоторые особенности Земли как небесного тела: то, что Земля - шар, что все тяготеет к ее центру. Таким образом это было учение собственно о Земле. На уровне своего времени она отвечала основным требованиям, которые предъявлялись к научному знанию. Во-первых, она с единой точки зрения объясняла наблюдаемые перемещения небесных тел и, во-вторых, давала возможность предвычислять их будущие положения. В то же время нельзя не отметить, что теоретические построения древних греков носили чисто умозрительный характер - они были совершенно оторваны от эксперимента.

Известно, что геоцентрическая система Аристотеля - Птоломея просуществовала вплоть до ХVI столетия, до появления гелиоцентрического учения Коперника. Это учение явилось величайшей революцией в естествознании, положившей начало развитию науки в ее современном понимании.

Развитие естествознания, труды Коперника, Галилея, Ньютона убедительно показали несостоятельность геоцентризма. Коперник показал, что за видимыми движениями небесных светил скрывается совсем иное явление - обращение Земли вокруг Солнца, то есть мир не таков, каким мы его непосредственно наблюдаем. Коперниковская революция в естествознании утвердила важнейший принцип: необходимо искать подлинную сущность вещей, скрытую за их внешней видимостью.

К о п е р н и к (1473-1543 до н. э.) - создатель гелиоцентристской системы мира. Начал с попыток усовершенствовать геоцентрическую систему мира, изложенную в “Альмагесте” Птоломея. Многочисленные работы в этом направлении сводились к более точному определению элементов тех диферентов и эпициклов, посредством которых Птоломей представил движения небесных тел.

Коперник, поняв зависимость между видимыми движениями планет и Солнца, хорошо известную еще Птоломею, на этой основе построил гелиоцентрическую систему мира. Благодаря ей правильное объяснение получил ряд непонятных ранее закономерностей движения планет. Таблицы, составленные Коперником, нашли большое значение в развитии мореплавания. Результаты труда были обобщены Коперником в сочинении “Об обращении небесных сфер”. Здесь он сохраняет представление о конечной Вселенной, ограниченной сферой неподвижных звезд. Философское значение гелиоцентрической системы состояло в том, что Земля, считавшаяся раньше центром мира, низводилась до положения одной из планет. Возникла новая идея - идея о единстве мира, о том, что “небо” и “земля” подчиняются одним и тем же законам. Революционный характер взглядов Коперника был понят католической церковью лишь после того, как Галилей и другие развили философские следствия его учения. В 1619 году декретом инквизиции книга Коперника “впредь до исправления” была внесена в “Индекс запрещенных книг” и оставалась под запретом до 1828 года [2].

Гелиоцентрическая система Коперника сама отнюдь не явилась окончательным решением вопроса о мироздании. В процессе дальнейшего развития она в качестве составной части вошла сначала в систему Гершеля о Галактике, а затем в систему о расширяющейся Метагалактикие. Система Коперника явилась описанием Солнечной системы, система Гершеля - нашей Галактики.

Учение Коперника получило свое дальнейшее обоснование в экспериментальной физике Галилея, завершившейся созданием ньютоновской механики, объединившей едиными законами движения перемещение небесных тел и земных объектов.

 

Г а л и л е й (1564-1642)

Физика Аристотеля показалась Галилею неубедительной, и Галилей стал убежденным последователем Коперника. На основании сведений об изобретенной в Голландии зрительной трубе Галилей строит свой первый трехкратный телескоп, затем усовершенствует его до 32-кратного, делает при помощи его ряд открытий (колоссальную удаленность звезд, 4 спутника у Юпитера, вращение Солнца, солнечные пятна, фазы Венеры, распад Млечного пути на звезды, изучает движение спутников Юпитера).

Галилей считал, что мир бесконечен, а материя вечна. Во всех процессах ничто не уничтожается и не порождается - происходит лишь изменение взаимного расположения тел или их частей. Материя состоит из абсолютно неделимых атомов, ее движение - единственное, универсальное механическое перемещение. Небесные светила подобны Земле и подчиняются единым законам механики.

Галилей написал книгу “Диалог о двух главнейших системах мира”, в которой системы Коперника и Птоломея представлены в разговорах трех собеседников. Книга вышла под названием “Диалог о приливах и отливах”. По требованию инквизиции он был вынужден отречься от учения Коперника и 9 лет считался узником инквизиции с запретом разговоров о движении Земли и печатания трудов. Но в 1638 году в Голландии появляется перевод его “Диалога” [2].

К е п л е р (1571-1630)

Вся жизнь Кеплера была посвящена обоснованию и развитию гелиоцентрического учения Коперника. Важнейшим аргументом в пользу центрального положения Солнца являются три закона Кеплера, положившие конец прежнему представлению о равномерных круговых движениях небесных тел. Солнце, занимая один из фокусов эллиптической орбиты планеты, является, по Кеплеру, источником силы, движущей планеты. Законы Кеплера, навсегда вошедшие в основу теоретической астрономии, получили объяснение в механике Ньютона, в частности в законе всемирного тяготения. Уже сам Кеплер рассуждал о “тяжести”, действующей между небесными телами, и объяснил приливы и отливы земных океанов воздействием Луны [2].

Д е к а р т (1596-1650)

Основная черта философского мировоззрения Декарта - дуализм души и тела, “мыслящей” и “протяженной” субстанции. Отождествляя материю с протяжением, Декарт понимает ее не столько как вещество физики, сколько как пространство стереометрии. В противоположность средневековым представлениям о конечности мира и качественных разнообразий природных явлений Декарт утверждает, что мировая материя (пространство) беспредельна и однородна, она не имеет пустот и делима до бесконечности (это противоречило идеям возрожденной во времена Декарта античной атомистики, которая мыслила мир состоящим из неделимых частиц, разделенных пустотами). Каждую частицу материи Декарт рассматривает как инертную и пассивную массу. Движения, которые Декарт сводил к перемещениям тел, возникает всегда только в результате толчка, сообщаемого данному телу другим телом. Общей же причиной движения в дуалистической концепции Декарта является бог [2].

Г ю й г е н с (1629-1695) - нидерландский механик, физик и математик проделал цикл оптических работ, который завершил “Трактатом о свете”, в которой впервые изложил и применил к объяснению оптических явлений волновую теорию света. К “Трактату о свете” он добавил в виде приложения рассуждение “О причинах тяжести”, в котором он близко подошел к открытию закона всемирного тяготения. В своем последнем трактате “Космотеорос” (1698), опубликованном посмертно, Гюйгенс основывается на теории о множественности миров и их обитаемости. В 1717 году трактат был переведен на русский язык по приказанию Петра I [2] .

Г у к (1635-1703) - английский естествоиспытатель, предвосхитил закон всемирного тяготения Ньютона. D 1679 году он высказал мнение, что если сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния, то планета должна двигаться по эллипсу. Гук придерживался волновой теории света и оспаривал корпускулярную, теплоту считал результатом движения частиц вещества [2].

Н ь ю т о н (1643-1727)

Был этот мир глубокой тьмой окутан.

Да будет свет! И вот явился Ньютон.

(Эпиграмма XVIII века.)

Вершиной научного творчества Ньютона являются “Начала”, в которых Ньютон обобщил результаты, полученные его предшественниками и свои собственные исследования и создал впервые единую стройную систему земной и небесной механики, которая легла в основу всей классической физики. Здесь Ньютон дал определения исходных понятий - количества материи, эквивалентного массе, плотности; количества движения, эквивалентного импульсу, и различных видов силы. Формулируя понятие количества материи, Ньютон исходил из представления о том, что атомы состоят из некой единой первичной материи; плотность Ньютон понимал как степень заполнения единицы объема тела первичной материей.

Ньютон рассматривал движение тел под действием центральных сил и доказал, что траекториями таких движений являются конические сечения (эллипс, гипербола, парабола). Он изложил свое учение о всемирном тяготении, сделал заключение, что все планеты притягиваются к Солнцу, а спутники - к планетам с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния и разработал теорию движения небесных тел. Ньютон показал, что из закона всемирного тяготения вытекают законы Кеплера и важнейшие отступления от них. Кеплер, изучая движение планет Солнечной системы, сформулировал свои знаменитые простые законы. Простые потому, что все многообразие движений всех планет свелось к трем арифметическим соотношениям. Но возник вопрос: откуда взялись эти соотношения? Ответ на этот вопрос дал Ньютон созданием ньютоновской механики и формулировкой закона всемирного тяготения. Если бы результатом деятельности Ньютона было только объяснение законов Кеплера, то, по существу, никакого упрощения не произошло бы. Три закона заменились бы одним, из которого они весьма сложно выводятся. Но механика Ньютона объясняла ограниченное количество явлений для механической картины Вселенной. Так он объяснил особенности движения Луны, рассмотрел задачи притяжения сплошных масс, теории приливов и отливов, предложил теорию фигуры Земли [2].

Название, которое получила Ньютоновская механика - классическая. В последствии она не только не пошатнулась, но и стала еще более достоверной. В дальнейшем определились пределы применимости механики Ньютона.

Одним из основоположников физической химии был М. В. Л о м о н о с о в (1711-1765) - первый русский ученый - естествоиспытатель мирового значения. Он решил написать трактат, объединивший в одно стройное целое всю физику и химию на основе атомно-молекулярных представлений - большую “корпускулярную философию”. Ему не удалось осуществить полностью то, что он хотел, но большая часть его физических трудов это подготовительные материалы к этой работе. По мнению Ломоносова по всем свойствам вещества с помощью представления о различных чисто механических движениях корпускул, в свою очередь состоящих из атомов можно дать исчерпывающее объяснение о веществе.

“Размышления о причине теплоты и холода” (1744) – это его труд, в котором он пришел к предположению, что теплота обусловлена вращательными движениями частиц вещества. При попытках построения кинетической теории газов была использована эта гипотеза в ХIХ в.

Формулировку философского принципа сохранения материи и движения Ломоносов положил в основу молекулярно - кинетической теории: “ Все перемены, в натуре встречающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому... сей всеобщий естественный закон простирается в сами правила движения: ибо тело, движущее своей силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое у него движение получает ”.

В 1827 году английский ботаник Броун открыл броуновское движение - беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе. Его закономерности служат наглядным подтверждением основных положений молекулярно-кинетической теории. Взвешенные частицы, видимые только под микроскопом, движутся независимо друг от друга и описывают сложные зигзагообразные траектории. Броуновское движение не ослабевает со временем и не зависит от химических свойств среды. Движение растет с увеличением температуры среды и со снижением ее вязкости и размеров частиц.

На основе молекулярно-кинетической теории, согласно которому молекулы жидкости или газа находятся в постоянном тепловом движении, причем импульсы различных молекул неодинаковы по величине и направлению в 1905-1906 годах Эйнштейном было дано последовательное объяснение броуновского движения. Удары, испытываемые частицей, не будут компенсироваться, если поверхность частицы, помещенной в такую среду, мала. Таким образом, в результате “бомбардировки” молекулами броуновская частица приходит в беспорядочное движение. Она меняет направление своей скорости своей скорости примерно 10 14 раз в секунду, а также свою величину.

Английский химик и физик Фарадей (1791-1867) открыл законы электролиза - веский довод, служащий в пользу дискретности вещества и электричества.

В результате экспериментов первые результаты, из которых можно было сделать вывод о сложной структуре атомов и о наличии внутри атомов электрических зарядов были получены Фарадеем в 1833 году.

Утверждение Фарадея заключается в том , что “ материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею ”.

В 1860 году русский химик Менделеев и еще 6 русских химиков участвовали в Международном конгрессе химиков в Карлсруэ. На котором были строго разграничены понятия: атом, молекула, не различавшиеся до этого, что создавало массу беспорядков.

Менделеев, читая курс неорганической химии в Петербургском университете не нашел ни одного учебного пособия, которое мог бы использовать в качестве основы преподавания, начал писать свой классический труд “Основы химии”. По его словам “ ...тут много самостоятельного... , а главное - периодичность элементов ”.

В 1869 году он составил таблицу “Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве”. Менделеев исправил атомные веса некоторых известных элементов, предсказал существование и свойства еще неизвестных элементов и все это на основе периодического закона.

“ Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает ”, - именно так видел его будущее Менделеев.

4. И дея планетарной модели атома.

Правильные представления о строении атома были сделаны не сразу. Первый результативный эксперимент, который свидетельствовал о сложности атомов и о существовании у них внутренней структуры электрической природы, был выполнен Фарадеем. По результатам опытов по электролизу различных солей и иных соединений появилось утверждение о том, что электрические заряды содержатся в атомах всех элементов. Но все-таки оставалось выяснить, в чем же заключается электричество, и представляет ли оно непрерывную субстанцию или в природе существуют неделимые “атомы электричества”.

Можно было предположить, что в природе имеется “атом количества электричества”, одинаковый в атомах всех элементов, учитывая, что при электролизе одинаковое количество атомов любого одновалентного элемента всегда переносит одно и то же количество электричества. Этот заряд назвали элементарным, а в 1891 году ирландский физик Дж. Стоней предложил название электрон.

Доказательство реальности существования электронов, получились в результате экспериментов, выполненных в 1899 году английским физиком Дж. Томсоном. Модель его атома выглядела как положительно заряженная жидкость, в которой плавали отрицательные электроны. В течение 12 лет эта модель считалась достаточно правдоподобной, пока в 1911 году из опытов Резерфорда, не получилась планетарная модель атома. Нильс Бор сформулировал основные положения теории атома. Это произошло на рубеже ХХ века и послужило величайшим переворотом в физике.

В это время перед лицом новых фактов великие принципы классической физики обнаружили свою несостоятельность. Физики открыли новую неизведанную область - микромир.

Это нанесло крушительный удар по привычным представлениям, тем более что в конце ХIХ века даже выдающиеся физики были убеждены в том, что основные законы природы раскрыты, и осталось только с помощью них объяснить различные явления и процессы. Потому как фундаментальные подтверждения здесь находили и основные принципы классической механики Ньютона, электродинамики Максвелла и др. разделы физики.

Никто не догадался, что, например, с уменьшением массы тел или увеличением их скорости законы Ньютона, казавшиеся само собой разумеющимися, могут стать нереализуемыми.

Но оказалось, что атомы со временем разрушаются. Странные свойства обнаружил электрон, масса которого росла со скоростью. Масса, основная характеристика тела, считавшаяся со времен Ньютона неизменной, оказалась зависящей от скорости. Хотя массу рассматривали в качестве меры количества вещества, содержащегося в теле.

Но все это лишь послужило поводом для развития новых теорий ХХ века - теории относительности и квантовой механики. Классическая физика оказалась частным, или, точнее, предельным случаем теории относительности при скоростях, гораздо меньших по значению скорости света.

Список литературы

Кемп П., Арме К. Введение в биологию. М., Мир, 1986.

Большая Советская Энциклопедия в 30 томах. Под ред. ПрохороваА.М., 3 издание, М., Советская энциклопедия, 1970.

Мякишев Г.Я. Элементарные частицы. М., Просвещение, 1977.

Комаров В.Н. Атеизм и научная картина мира. М., Просвещение, 1979.

Физический энциклопедический словарь. М., Советская энциклопедия, 1970.

Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Шефер Н.И. Факультативный курс физики. М., Просвещение, 1979.

Спасский Б.И. Физика для философов. М., Московский университет, 1989.

Крейчи Мир глазами современной физики. М., Мир, 1974.

Кемпфер Путь в современную физику. М., Мир, 1972.