Вопросы для самоконтроля:

1. Что является предметом исследования термодинамики?

2. Что такое теплород?

3. Что такое флогистон?

4. Что такое температура? Теплота и температура - это одно и то же?

5. Расскажите о системах измерения температуры, разработанных Фаренгейтом, Цельсием, Реомюром, Кельвином?

6. Сформулируйте первое начало термодинамики? Чем оно отличается от закона сохранения теплоты?

7. Что такое энтропия? В каких единицах она измеряется?

8. Что такое «вечный двигатель второго рода»? Почему он невозможен?

9. Сформулируйте гипотезу «тепловой смерти» Вселенной. Верна ли она?

10. Что такое «точка бифуркации»?

Литература.

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск, 1997, с.639-657, 683-732, 773-791.

2. Воронов В.К., Гречнева М.В., Сагдеев Р.З. Основы современного естествознания. - М., 1999, с.79-83, 94-96.

3. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М., 1998, с.160-165.

4. Кокин А.В. Концепции современного естествознания. - М., 1998, с.14-27.

5. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М., 1997, с.81-90.

6. Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания. - С.-Пб, 2000, с.193-215.

7. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. - М., 1999.

Тема 8. Современные представления о строении вещества План

1. Две основных протохимических идеи древности. Алхимия.

2. Закон сохранения массы и закон постоянства состава.

3. Понятие атома и молекулы. Основные концепции химической связи.

4. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева.

5. Открытие электрона. Модель атома Томсона.

6. Эксперимент Резерфорда и планетарная модель атома.

7. Модель атома водорода по Бору и постулаты Бора.

8. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.

9. Энергия связи ядра. Природа радиоактивности.

10. Элементарные частицы. Концепция кварков.

1. Структура материи интересовала людей с древнейших времен. Так, в эпоху Античности сформировались две основные концепции строения вещества: теория элементов, в наиболее развернутом виде фигурирующая у Аристотеля, и атомистическая теория Демокрита. Аристотель допускал бесконечную делимость материи, что позволяло получить из всякого вещества всякое иное. Напротив, концепция Демокрита предполагала существование абсолютного предела деления материи, вследствие чего элементарные структуры никак не могли трансформироваться друг в друга.

В Средние века доминировало аристотелевское понимание структуры материи, которое послужило концептуальной базой для формирования алхимии, конечной целью которой являлось получение «философского камня» - гипотетической материальной структуры, превращающей все металлы в золото. Поиски философского камня велись преимущественно эмпирически – методом проб и ошибок, что обусловило эмпирический характер химии как науки.

2. Новый этап в развитии химии начинается в 17-18 веках, когда учение Аристотеля об элементах вытесняется атомистическими представлениями. Именно в этот период открываются такие важные эмпирические закономерности как закон охранения массы и закон постоянства состава.

3. В концептуальном плане химия, в отличие от физики, была предельно проста. Считалось, что все вещества состоят из простейших элементарных частиц – атомов, соединение которых друг с другом дает молекулу. При этом молекула определялась как мельчайшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства, тогда как атом представляет собой мельчайшую частицу вещества, которая может быть получена химическими методами.

Атомистическая концепция строения материи предполагала решение вопроса о природе химической связи. Первая из ее концепций – механическая – предполагала соединение атомов в молекулу при помощи специальных механических устройств: крючочков и петелек. Эта концепция была подвергнута критике Лейбницем, последовательно отрицающим атомизм.

Более сложная концепция – гравитационная – постулировала соединение атомов в молекулу под действием гравитационных сил. Последнее не соответствовало всем имеющимся фактам; если бы причиной химической связи было гравитационное взаимодействие атомов, механическое взаимодействие тел сопровождалось бы их склеиванием.

Согласно электрохимической концепции химической связи, атомы представляли собой микроскопические магниты, взаимодействующие друг с другом по закону Кулона. Данная концепция не могла объяснить все существующие виды химической связи. Только в рамках электронной концепции химической связи, сформировавшейся в 20-м столетии, основную теоретическую проблему химии удалось решить окончательно. Выяснилось, что химическая связь возникает вследствие перекрытия внешних электронных оболочек атомов.

4. Преимущественно эмпирический характер химии приводил к тому, что расширение химических знаний осуществлялось преимущественно кумулятивно и экстенсивно: путем случайного открытия новых элементов и химических соединений. Если в эпоху Античности было известно 4 элемента, а в Средние Века – 14, то к 1830 году их число составляло уже 55. В данной связи естественным образом возникал вопрос об их классификации.

В 1829 году немецкий химик Иоганн Вольфганг Деберейнер (1780 - 1849) предложил классифицировать элементы посредством их разделения на триады, где химические свойства среднего элемента представляли собой среднее арифметическое химических свойств крайних элементов. Деберейнер рассмотрел такие триады как «хлор - бром – йод», «кальций - стронций – барий» и «сера - селен – теллур».

Одним из первых, кто предложил классифицировать химические элементы по возрастанию их атомного веса был английский химик Джон Александер Рейна Ньюлендс (1837 - 1889). В 1864 году он формулирует закон октав, в соответствии с которым элементы разделялись на группы по семь элементов, располагавшихся вертикально друг за другом, причем, сходные по химическим свойствам элементы, как правило, оказывались в одном горизонтальном ряду. Например, с натрием соседствовал калий, с кальцием – магний и т.п.

В 1870 году немецкий химик Лотар Мейер (1830 - 1895) опубликовал систему элементов, более точную, нежели система Ньюлендса. Он показал, что последние периоды должны быть длиннее первых. Однако за год до этого, в 1869 году, русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834 - 1907) публикует свой периодический закон.

В отличие от Майера, Менделеев оставил незаполненными ячейки для еще не открытых химических элементов, предсказав их химические свойства. Первым из предсказанных Менделеевым элементов в 1875 году был открыт галлий (именовавшийся у Менделеева экаалюминием). В 1879 году шведский химик Ларс Фредерик Нильсон (1840 - 1899) открыл скандий, тождественный экабору, а в 1886 году немецкий химик Клеменс Александр Винклер (1838 - 1904) открывает германий. Тождественный экакремнию.

5. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - величайший вклад России в мировую науку. Она теоретически завершает химию как науку, поскольку, по аналогии с географией, здесь уже невозможно открыть ничего принципиально нового, информация о чем не содержалась бы в периодическом законе.

Следующий этап развития представлений о строении вещества был связан с атомной и ядерной физикой. В 1899 году открывается первая элементарная частица – электрон, и становится ясно, что атом делим. В данной связи Томсоном была предложена первая модель атома, согласно которой последний представляет собой сферическое положительно заряженное тело, внутри которого закреплены отрицательно заряженные электроны. Иначе говоря, атом по мнению Томсона должен напоминать пудинг с изюмом.

6. В начале ХХ-го века центром атомных исследований становится лаборатория Резерфорда, где изучалась внутренняя структура различных веществ посредством их бомбардировки альфа-частицами с последующим анализом спектров рассеяния подобных частиц.

У Резерфорда существовал набор т.н. «провальных» экспериментов, разработанных специально для обучения аспирантов. Во время выполнения одного из таких экспериментов Гейгер и Марсден обратили внимание на то обстоятельство, что одна из двадцати тысяч альфа-частиц отражается от фольги, изготовленной из исследуемого вещества, и под острым углом летит обратно.

Пытаясь теоретически осмыслить данное открытие, Резерфорд формулирует планетарную модель атома, согласно которой атом состоит из компактного положительно заряженного ядра, вокруг которого по эллиптическим орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Однако данная модель противоречила классической электродинамики, в соответствии с которой электрон, двигаясь в поле ядра, должен постоянно излучать энергию, что за короткое время (порядка стомиллионной доли секунды) должно приводить к его падению на ядро.

7. Последнее обстоятельство принудило Бора осуществить нетривиальный шаг: отказаться от классической электродинамики ради сохранения планетарной модели атома. Бор формулирует ряд постулатов, составивших теоретическую основу новой науки – квантовой механики, возникновение которой, в свою очередь, повлекло за собой четвертую глобальную научную революцию, осуществлявшуюся параллельно с третьей – релятивистской.

По мнению Бора, электроны движутся вокруг ядра атома по эллиптическим орбитам в соответствии с законом Кулона (1); существуют особые разрешенные орбиты, двигаясь по которым электрон не излучает энергию (2); при переходе на более низкую орбиту электрон излучает порцию (квант) энергии, а при переходе на более высокую орбиту поглощает квант энергии (3).

8. Модель Бора позволяла объяснить лишь простейший из атомов – водород, содержащий один протон и один электрон. В более сложных случаях возникали две проблемы: (1) почему электроны, находящиеся на более низких орбитах, не выбрасывают из атома электроны, находящиеся на более высоких орбитах; (2) почему ядро, содержащее более одного протона, не распадается.

Оригинальное решение первой из данных проблем предложил Гейзенберг. По его мнению, одно из основных понятий классической механики – скорость тела в точке – является внутренне противоречивым. Поскольку, если тело находится в точке, оно не должно двигаться, а если тело движется, оно не может находиться в точке. Гейзенберг приходит к выводу, что нельзя одновременно точно знать, где находится тело и с какой скоростью оно движется. Всегда существует некая неопределенность, которая должна быть больше, нежели квант энергии.

В результате электрон оказывается как бы размазанным по орбите, подобно тому, как мы не можем видеть отдельные лопасти крутящегося вентилятора, а видим некое полупрозрачное облачко. Именно подобная «размазанность» электрона и делает электронные оболочки устойчивыми.

Вероятностный подход Гейзенберга, по мнению Эйнштейна, делал квантовую механику «неполной», что повлекло за собой его известную полемику с Бором. Более того, соотношение неопределенностей Гейзенберга позволяло интерпретировать реальность в субъективно-идеалистическом ключе: атом стабилен только потому, что мы не знаем, где конкретно находятся в нем электроны.

9. Проблема устойчивости атомного ядра была решена методом ad hoc, посредством постулирования существования определенного рода сил, получивших наименование ядерных. Им соответствует т.н. сильное взаимодействие, значительно превосходящее все другие известные типы взаимодействий: гравитационные, слабые, электромагнитные.

Ядерные силы являются короткодействующими, что проявляется в неустойчивости и самопроизвольном распаде достаточно массивных ядер. Подобное явление было случайно открыто французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852 – 1908) в 1896 году и названо радиоактивностью. Впоследствии большой вклад в изучение этого явления внесли Пьер и Мария Кюри, которая открыла два радиоактивных элемента – радий и полоний, став единственной в истории женщиной, дважды лауреатом Нобелевской премии: по физике и по химии.

10. Последующее развитие представлений о строении вещества связано с открытием огромного количества элементарных частиц в дополнение к трем основных частицам: электрону, протону и нейтрону. Постепенно число известных частиц возросло до 350, что заставило ученых задуматься о проблеме их классификации. В 1964 году американским физиком М. Гелл-Маном была предложена квартовая модель, согласно которой элементарные частицы представляют собой всевозможные сочетания трех кварков и трех антикварков. Впоследствии открытие новых элементарных частиц заставило увеличить количество кварков до шести.

Последующее развитие концепций строения вещества стали тормозить непреодолимые технические трудности. В настоящее время не удается объективировать даже кварки, в то время как теоретики разработали новые теории, самой известной из которых является теория струн, где все материальные объекты сводятся к единственному – струне, колебательные моды которой и задают все материальное многообразие.