Тема 2. Атомизм.

План:

1. Определение атомизма и основные его положения. Роль атомизма в исследовании свойств вещества.

2. Открытие электрона и создание первых моделей атома. Модель Бора.

3. Идеи атомизма в химии. Создание периодической системы химических элементов.

4. Открытие радиоактивности.

5. Модели строения ядра.

6. Современные воплощения атомизма: квантовая механика, ядерная физика, физика молекулярных соединений и т. д.

1.Определение атомизма и основные его положения. Роль атомизма в исследовании свойств вещества.

Атомизм утверждает, что материя состоит из отдельных чрезвычайно малых частиц, называемых атомами. До конца XIX в. они считались неделимыми. Для современного атомизма характерно признание не только атомов, но и других частиц материи как более крупных, чем атомы (например, молекул), так и более мелких (атомные ядра, электроны и др.). С точки зрения современного атомизма, электроны - это «атомы» отрицательного электричества, фотоны - «атомы» света и т.д. Атомизм распространяется и на биологические явления, в том числе на явления наследственности. В более широком смысле под атомизмом понимается иногда дискретность вообще какого-нибудь предмета, свойства, процесса (социальный атомизм, логический атомизм). Атомизм выступал почти всегда как материалистическое учение. Поэтому борьба вокруг него отражала, прежде всего, борьбу между материализмом и идеализмом в науке. Атомизм уже с древности был направлен против идеалистического и религиозного взгляда на мир, ибо всё сущее он объяснял при помощи частиц материи, не прибегая к сверхъестественным причинам. Материалистическое течение в атомизме исходит из тезиса, согласно которому атомы материальны, существуют объективно и познаваемы. Идеалистическая позиция выражается в отрицании реальности атомов; в объявлении их лишь удобным средством систематизации опытных данных, в отрицании их познаваемости. Атомистические воззрения первоначально (на Др. Востоке, в античных Греции и Риме, отчасти в средние века у арабов) были лишь гениальной догадкой, превратившейся затем в научную гипотезу (XVII-XVIII вв. и первые две трети XIX в.) и, наконец, в научную теорию. С самого зарождения и до конца 1-ой четверти XX в. в основе атомизма лежала идея о тождестве строения макро- и микрокосмоса. Цель данной работы - изучить развития концепции атомизма в истории от Демокрита до наших дней.

 Возникновение теории атомизма

Атомистический материализм Демокрита

Концепция атомизма была предложена представителем досократического периода развития древнегреческой философии Левкиппом ещё в V в. и развита его учеником Демокритом Абдерским. Основным предметом философствования у досократиков был космос. Согласно их учению, существуют только атомы и пустота. Атомы - мельчайшие неделимые, не возникающие и неисчезающие, качественно однородные, непроницаемые (не содержащие в себе пустоты) частицы, обладающие определённой формой. Демокрит предложил вариант объяснения строения мира Он описал мир как систему атомов в пустоте, отвергая бесконечную делимость материи, постулируя не только бесконечность числа атомов во Вселенной, но и бесконечность их форм. Атомы, согласно этой теории, движутся в пустом пространстве (Великой Пустоте, как говорил Демокрит) хаотично, сталкиваются и вследствие соответствия форм, размеров, положений и порядков либо сцепляются, либо разлетаются. Образовавшиеся соединения держатся вместе и таким образом производят возникновение сложных тел. Само же движение - свойство, естественно присущее атомам. Тела - это комбинации атомов. Разнообразие тел обусловлено как различием слагающих их атомов, так и различием порядка сборки, как из одних и тех же букв слагаются разные слова. Так, например, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать; у твёрдых тел они шероховаты, поэтому они накрепко сцепляются друг с другом; у воды - гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов. Это учение получило название «атомистический материализм».

Древнегреческий философ-материалист Эпикур (341-270 гг. до н.э.) признает, что тела состоят из атомов. Отличие физики Эпикура от физики Демокрита состоит в понимании движения атомов. Демокрит утверждал, что движение атомов в пустоте определяется внешней механической необходимостью. Эпикур же считал, что атомы свободно отклоняются от прямолинейного движения. При движении атомы самопроизвольно отклоняются от прямолинейного движения и переходят в криволинейное. В этом состоит оригинальный вклад Эпикура в развитие атомистики. Самоотклонение атомов необходимо Эпикуру для того, чтобы объяснить их столкновение между собой. Этим он объясняет свободу, которая присуща атомам: под действием тяжести атомы двигаются или по прямой, или беспорядочно, и при этом происходят случайные отклонения и столкновения.

Корпускулярно-кинетическая теория

М.В. Ломоносов утверждал, что все вещества состоят из корпускул - молекул, которые являются «собраниями» элементов - атомов. В своей диссертации «Элементы математической химии» учёный даёт такое определение: «Элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел. Корпускула есть собрание элементов, образующее одну малую массу». М.В.Ломоносов указывает на различие «однородных» корпускул, то есть состоящих из «одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом», и «разнородных» - состоящих из различных элементов. Тела, состоящие из однородных корпускул, то есть простые тела, он называет началами. На основании этих убеждений, Ломоносов создает «корпускулярно-кинетическую теорию тепла. Достаточное основание теплоты, по Ломоносову, заключается «в движении какой-то материи», так как при прекращении движения уменьшается и теплота, а движение не может произойти без материи; «во внутреннем движении материи», так как недоступно чувствам; «во внутреннем движении собственной материи» тел, то есть не посторонней и «во вращательном движении частиц собственной материи тел».

Учёный указывает на шарообразную форму элементов. Именно Ломоносову принадлежит мысль о «внутреннем вращательном» («коловратном») движении частиц», сущность которого заключается в том, что повышение температуры тела связано со скоростью вращения корпускул.

Открытие существования молекулы и атома

Теория Дж. Дальтона

Первым действительно научным обоснованием атомистической теории, убедительно продемонстрировавшим рациональность и простоту гипотезы о том, что всякий химический элемент состоит из мельчайших частиц, явилась работа английского школьного учителя математики Дж.Дальтона (1766-1844), статья которого, посвященная этой проблеме, появилась в 1803. Атомные постулаты Дальтона имели то преимущество перед абстрактными рассуждениями древнегреческих атомистов, что его законы позволяли объяснить и увязать между собой результаты реальных опытов, а также предсказать результаты новых экспериментов. Он постулировал, что: 1) все атомы одного и того же элемента тождественны во всех отношениях, в частности, одинаковы их массы; 2) атомы разных элементов имеют неодинаковые свойства, в частности, неодинаковы их массы; 3) в соединение, в отличие от элемента, входит определенное целое число атомов каждого из составляющих его элементов; 4) в химических реакциях может происходить перераспределение атомов, но ни один атом не разрушается и не создается вновь. (В действительности, как выяснилось в начале 20 в., эти постулаты не вполне строго выполняются, т.к. атомы одного и того же элемента могут иметь разные массы, например водород имеет три такие разновидности, называемые изотопами; кроме того, атомы могут претерпевать радиоактивные превращения и даже полностью разрушиться, но не в химических реакциях, рассматривавшихся Дальтоном.) Основанная на этих четырех постулатах атомная теория Дальтона давала самое простое объяснение законов постоянных и кратных отношений. Однако она не давала никаких представлений о строении самого атома.

Броуновское движение

Шотландский ботаник Роберт Броун в 1827 году проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам». Наблюдавшееся Броуном явление назвали «броуновским движением». Объяснение броуновского движения движением невидимых молекул было дано только в последней четверти XIX в., но далеко не сразу было принято всеми учеными. В 1863 году преподаватель начертательной геометрии Людвиг Кристиан Винер (1826-1896) предположил, что явление связано с колебательными движениями невидимых частиц.