Концепция атомизма и элементарных частиц

     СОДЕРЖАНИЕ 

1. Введение.
2. Концепция атомизма и элементарные частицы.
3. Революция в естествознание и возникновение учения о строении атома.
4. Дальнейшие развитие концепции атомизма
5. Кварковая модель адронов.
6. Концепции атомизма. Дискретность и непрерывность материи.
7. Заключение
8. Список используемой литературы.

1. ВВЕДЕНИЕ

     Предшествующие  концепции не допускали существования  пустоты. А раз в мире все заполнено, то движение невозможно - данный принцип  утверждался Парменидом и обосновывался  Законом Элейским (5 в. до н.э.). Атомистическая концепция, начало которой было положено Левкиппом и Демокритом, исходила из признания пустоты и движущихся в ней атомов - бесчисленных неделимых  частиц (отличающихся друг от друга  величиной и формой), различные  сочетания которых образуют множество  окружающих вещей. Кроме признания  пустоты для атомистической концепции  характерно также признание принципов  сохранения материи (ничто не может  возникнуть из ничего) и сохранения форм материи (природа все разлагает  на тела и в ничто ничего не переводит, т.е. в природе повторяются постоянно  одни и те же формы материи). Наличие  пустоты (вакуума) было необходимо для  существования движения, ибо в  заполненном мире вещам двигаться  некуда.

     Эпикур, в отличие от Демокрита, исходившего  из господства необходимости в мире атомов, привнес в атомистику идею случайного отклонения атомов от закономерных траекторий, благодаря чему они могут  сталкиваться и образовывать тела. Поскольку в объяснениях Демокрита  и Эпикура отсутствуют представления  о взаимном притяжении атомов, то соединение их в целостность при образовании  вещей обусловливалось наличием у атомов крючочков.

     Лукреций  Кар (1 в до н.э.) избирательность атомов при объединении в тела объяснялось  на основе принципа "подобный стремится  к подобному". В поэме "О природе  вещей" Лукреций в поэтической  форме изложил основные положения  атомистической концепции. Важной является идея об обмене тел своими "истечениями" - своеобразном прообразе дальнодействующих  силах притяжения. Идея атомистики оказалась столь плодотворной, что  просуществовала до настоящего времени.

     Концепция атомистики в период античности не могла опираться на экспериментальное  доказательство существование атомов. Она опиралась на факты наблюдения типа "ступени дворцов постепенно стираются", "запахи переносятся", "вблизи моря одежда увлажняется" и т.д., что позволило предположить существование невидимых частиц, из которых состоит все многообразие вещей. 
 
 

2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

     Представление о неделимых мельчайших частиц материи, возникшее еще в глубокой древности, сопровождало развитие воззрений на природу на протяжении все истории. Впервые понятие об атоме как  последней и неделимой частице  тела возникло в античной Греции в  рамках натурфилософского учения школы  Левкиппа - Демокрита, согласно которому в мире существуют только атомы, которые движутся в пустоте. Различные комбинации атомов образуют самые разнообразные видимые тела. Конечно, эта гипотеза не основывается на каких-либо эмпирических данных и бала лишь гениальной догадкой, но тем не менее она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания. И хотя сейчас мы знаем, что атом вовсе не является последней и неделимой частицей материи и имеет сложное строение, все  же тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции.

      Эта концепция, как уже отмечалось выше, несомненно обладает огромными возможностями  для объяснения свойств сложных  тел и систем с помощью свойств  более простых элементов частиц. Однако такое объяснение достигает, как легко заметить, посредством  редукции, т.е. сведения сложного к простому, и поэтому трудно согласиться  с идеей, что все многообразие сложного о качественного разнообразного мира может быть сведено к немногим свойствам небольшого числа простых,  элементарных частиц.

     И так, мы рассмотрим концепцию атомизма в широкой исторической перспективе, начиная от строения атома и кончая элементарными частицами. 

3. РЕВОЛЮЦИЯ В ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ И ВОЗНИКНОВЕНИЕ  УЧЕНИЯ О СТРОЕНИИ АТОМА

     Гипотеза  об атомах как неделимых частицах вещества была возрождена в естествознании и прежде всего в физике и химии  для объяснения таких эмпирических законов, как законы Бойля-Мариотта и Гей-Люсака  для идеальных  газов, теплового расширения тел  и различных химических законов. В самом деле, закон Бойля-Мариотта утверждает, что объем газа обратно  пропорционален его давлению, но не объясняет почему. Аналогично этому  при нагревании тела его размеры  увеличиваются, но эмпирический закон  теплового расширения не объясняет  причину такого расширения.

      Очевидно, что для такого объяснения необходимо выйти за рамки наблюдаемых зависимостей, которые выражаются в эмпирических законах, и обратиться к теоретическим гипотезам и законам. В отличие от эмпирических законов они содержат понятия и величины, относящиеся к ненаблюдаемым объектам. Именно такими объектами являются атомы, а также образованные из них молекулы. С помощью атомов и молекул кинетической теории вещества убедительно объясняются все перечисленные и другие известные эмпирические законы. Действительно, чтобы ответить на вопрос: почему объем газа увеличивается вдвое, когда его давление уменьшается на сколько же, мы представляем себе газ, состоящий из огромного числа атомов или молекул, движущихся беспорядочно в разных направлениях и с разной скоростью. Непосредственно наблюдаемое и измеряемое уменьшение давление газа мы истолковываем как  увлечение свободного пробега составляющих его атомов и молекул, вследствие чего возрастает объем, занимаемый газом. Аналогично этому расширение тел при нагревании объясняют возрастанием средней скорости движущихся молекул.

      Таким образом, свойства наблюдаемых нами тел и законов их поведения  мы объясняем с помощью простых  свойств невидимых атомов и молекул. При этом свойства более сложных образований, какими являются молекулы, объясняются также с помощью атомов, так что атомы оказываются последними, далее неразложимыми частицами вещества, а точнее, химических элементов. Поэтому атом в химии обычно определяют как  наименьшую часть или единицу химического элемента.

      Объяснения, при которых свойства сложных  веществ или тел пытаются свести к свойствам более простых  их элементов или составных частей, называют редукционистскими. Такой способ анализа способствовал большому прогрессу в развитии естествознания. С его помощью удалось объяснить не только свойства многочисленных тел и явлений, но и эмпирических законов, которые управляют ими.

      Однако  попытка сведения всех многообразных  и сложных свойств и закономерностей  тел и явлений окружающего  мира к более простым вряд ли могла  считаться успешной, хотя бы потому, что на каждом уровне познания раскрывались новые границы и находились новые  неделимые последние частицы  материи. Вплоть до конца прошлого века такой частицей  считался атом, но крупнейшие открытия в физике привели к отказу от такой точки зрения. Среди этих открытий следует отметить, во-первых, обнаружение явлений естественной радиоактивности таких химических элементов, как радий и уран. Оказалось, что эти элементы в естественных условиях испускают специфические радиоактивные лучи в результате превращаются в другие химические элементы, а в конечном итоге – в свинец. Именно так истолковал радиоактивные превращения английские физики Эрнест Резерфорд (1871-1937) и Фредерик Содди (1977-1956). Отсюда непосредственно следовательно, что атомы вовсе не являются неизменными, неделимыми и последними кирпичиками мироздания. Вскоре после радиоактивности была открыта мельчайшая частица электричества – электрон. В 1913 г Э.Резерфорд, исследуя рассеяние а-частиц атомами тяжелых элементов, показал, что основная часть массы атома сосредоточена его центральной части – ядре, так как вдали от него а-частицы проходят беспрепятственно. Основываясь на этих экспериментах, он предложил планетарную модель атома, согласно которой вокруг массивного ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны.

      В последствие эта модель была значительно  модифицирована известным датским  физиком Нильсон Бором (1885-1962) и  другими ученными. Оказалось, что  электроны не могут вращаться  по любим орбитам, а только по стационарным, ибо в противном случае они  непрерывно излучали энергию и упали  бы на ядро, а атом самопроизвольно  разрушился. Ничего подобного, однако, не наблюдается, так как атомы  являются весьма устойчивыми образованиями. Все эти и связанные с ними революционные открытия невозможно было понять и объяснить с точки  зрения старой, классической физики, и  поэтому в первое время немало ученых считали, что они не только подрывают материалистический взгляд на природу, но и отрицают объективное  содержание физической науки. Если прежние  понятия и принципы этой науки  меняются, то, следовательно, в них  не содержится никакой истины. Так  восприняли новые открытия в физике некоторые ученые. Соответственно одна часть ученых стала рассматривать  научные истины просто как условные соглашения, принимаемые в целях  обобщения эмпирического материала, другая – как полезные инструменты  для предсказаний, третья- как средства для «экономии мышления».

     Таким образом, из относительности научных  истин, из того, что они неполно, не целиком верно, а лишь приблизительно отражают свойства и закономерности природы, был сделан совершенно ошибочный  вывод, что они вообще не являются объективными истинами, т.е. знание, содержащееся в них, не зависит от человека. Все  это породило кризис в физике в  конце XIX в начале XX вв., выход из которого следовало искать в переходе от старых понятий и принципов классической физики, оказавшихся неадекватными для изучения свойств материи на атомном уровне, к новым понятиям и теориям, которые бы верно отражали эти свойства и закономерности.

     Такой новой фундаментальной теорией, как мы видели, стала квантовая  механика, которая ввела совершенно неизвестные для классической физики принципы дуализма волны и частицы,  неопределенности (неточности) и  дополнительности, а вместо универсальных законов прежней физики стала широко применять статистические законы и вероятности методы исследования.

     4. ДАЛЬНЕЙШИЕ РАЗВИТИЕ  КОНЦЕПЦИИ АТОМИЗМА 

     После того, когда физики установили, что  атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц, идея поиска таких частиц заняла главное место в их исследованиях. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразия сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных, фундаментальных частиц, которые в последствии были названы элементарными. В строгом смысле слова такие частицы не должны содержать в себе какие-либо другие элементы. Однако в обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или атомными ядрами, за исключение протона и нейтрона. Наиболее известными элементарными частицами являются электрон, фотон, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны и нейтрино. Позже были открыты частица с весьма экзотическими названиями: странные частицы, мезоны со скрытым «очарованием», «очарованные» частицы, ипсилион-частицы, разнообразные резонансные частицы и многие другие. Общее их число превышает 350. Поэтому вряд ли такие частицы можно назвать подлинно элементарными, не содержащими других элементов. Это убеждение усиливается в связи с гипотезой о существовании кварков, из которых, по предположению, построены все известные элементарные частицы.

      По-видимому, все частицы, которые в настоящее  время считаются элементарными, являются специфическими формами существования  материи, которые не объединены в  ядра и атомы, в следствии чего их часто называют субъядерными частицами.

      Исторически электрон был первой элементарной частицей, открытой еще в конце прошлого века известным английским физиком  Дж. Дж. Томсоном (1856-1940). В 1919г. Э.Резерфорд, бомбардируя атомы а-частицы, открыл протоны. В начале века был открыт фотон, в 1932г такая необычная частица, как лишенный заряд нейтрона, спустя четыре года – первая анти - частица – позитрон, которая по массе равна электрону, но обладает положительным зарядом. В дальнейшем при исследовании космических лучей были обнаружены многие другие элементарные частицы, в частности мюоны и различные типы мезонов.

      С начала 50-х годов основным средством  открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их помощью удалось открыть такие античастицы, как антипротон и антинейтрон. С того времени физики стали выдвигать гипотезы о существовании антивещественного и даже антиматериального мира. В 1970 и 1980-е годы поток открытий новых элементарных частиц усилия, и ученные заговорили даже о семействе элементарных частиц, которые назвали «странными», «очарованными» и «красивыми».

      Одна  из характерных особенностей элементарных частиц состоит в том, что они  имеют крайне незначительные массы  и размеры. Масса большинства из них – порядка массы протона, т.е. 1,6 х 10^-24 г, а размеры порядка 10^-16 см. Другое их свойство заключается в способности рождаться и уничтожаться, т.е. испускаться и поглащаться при взаимодействии с другими частицами. Мы уже приводили пример превращения пары электрон и позитон в два фотона: 

е^- + е⁺ → 2Y

      Подобные же взаимопревращения происходят и с другими элементарными частицами, поэтому термин «аннигиляция», означающий буквально исчезновение или превращение в ничто, не совсем подходит характеристики взаимопревращения элементарных частиц.

      По  интенсивности, с которой происходит взаимодействия между элементарными  частицами, их делят на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

      Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным и именно оно обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах.

      Электромагнитное  взаимодействие менее интенсивно по своему характеру и определяет специфику связи между электронами и ядрами в атоме, а также между атомами в молекуле.

      Слабое  взаимодействие – наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в частности распад так называемых квазичастиц.

      Гравитационное  взаимодействие происходит на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайне малости масс частиц дает весьма малые эффекты, но его сила значительно возрастает при взаимодействии масс.

      Приведенная классификация взаимодействий имеет  относительный характер, так как  существенно зависит от энергии  частиц. Во всяком случае она относится  лишь к взаимодействию частиц, обладающих не слишком большой энергией.

      По  типу взаимодействия, в котором участвуют  элементарные частицы, все они за исключением фотона, могут  быть отнесены к двум группам.

• К первой относятся адроны, для которых характерно наличие сильного взаимодействия, но они могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействии
• Ко второй группе принадлежит лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

   Помимо  общих групповых характеристик, элементарные частицы обладают даже специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По временя жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относится электрон, протон, фотон и нейтрон. Квазистабильные частицы распадаются вследствие электромагнитного6 и слабого взаимодействия. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия. Спин характеризуют собственный момент количества движения частицы и измеряется целым или полуцелым значением, кратным постоянной Планка. Та у протона и электрона он равен ½, а у фотона 0. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону. 

     5. КВАРТОВАЯ МОДЕЛЬ  АДРОНОВ 

     Большое число элементарных частиц и в  особенности адронов у же в  начале 1950-х годов побудило физиков  заняться поиском закономерностей в распределении их масс и других квантовых чисел. Эти поиски привели американского физика М.Гелл-Мана (р.1929) к гипотезе, что все адроны являются комбинациями кварков.

     По  современным представлениям кварки – гипотетические материальные объекты, из которых состоят все адроны, т.е. частицы, участвующие в сильном  взаимодействии. К ним относятся  все мезоны и барионы, а также  многочисленные нестабильные (резонансные) элементарные частицы. Согласно новой  гипотезе, мезоны состоят из кварка и антиквара, барионы (тяжелые частицы, такие, как протон, нейтрон и им подобные) – из трех кварков. Гипотеза кварков стала необходимой для объяснения динами различных процессов, в которых участвуют адроны. Но хотя она теоретически необходима, никакого экспериментального подтверждения, не смотря на многочисленные поиски с помощью ускорителей высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде, их не было найдено. Это заставило физиков предположить, что здесь мы встречаем принципиально новыми явлениями природы, которое называются удержанием кварков. Однако это мнение не является общепринятыми и встречает различные возражения.

     На  пути создания непротиворечивой теории элементарных частиц возникает немало трудностей, связанных, например, с  получением бесконечного большого значения для некоторых физических величин, неясностью механизма определения  массы «истинных» элементарных частиц и рядом других проблем. В последние  годы наметались 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 включением гравитационного взаимодействия в общую структуру взаимодействия элементарных частиц. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     6. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА. ДИСКРЕТНОСТЬ И  НЕПРЕРЫВНОСТЬ МАТЕРИИ. 

     Строение  материи интересует естествоиспытателей еще с античных времен. В Древней Греции  обсуждались две противоположные гипотезы строения материальных тел. Одну из них предложил древнегреческий мыслитель Аристотель. Она заключается в том, что вещество делиться на более мелкие частицы и нет предела его делимости. По существу, эта гипотеза означает непрерывность вещества. Другая гипотеза выдвинута древнегреческим философом Левкиппом (V в. До н.э.) и развита его учеником Демикритом, а затем его последователем философом-материалистом. Эпикуром (ок. 341-270 до н.э.). В ней предполагалось, что вещество состоит из мельчайших частиц -  атомов. Это и есть концепция атомизма – концепция дискретного квантового строения материи. По Демокриту, в природе существуют только атомы и пустота. Атомы – неделимые, вечные, неразрушительные элементы материи.

     Реальность  существования атомов вплоть до конца  XIX в. Подвергалась сомнению. В то время объяснения многих результатов химических реакций не нуждались в понятии атома. Для них, как и для количественного описания движения частиц, вводилось другое понятие – молекула. Существование молекул экспериментально доказано французским физиком Жанном Перреном (1870-1942) при наблюдении броуновского движения. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле – от двух до соте, тысяч и миллионов.

     Неделимость атомов как составной части молекулы долгое время не вызывала сомнений. Однако к началу  XX в. Физические опыты показали, что атомы состоят из более мелких частиц. Так, в 1897 г. Английский физик Д. Томсон (1956-1940) открыл электрон – составную часть атома. В следующем году он определил отношение его заряда к массе, а в 1903 г. Предложил одну из первых моделей атома.

     Атомы химических элементов по сравнению  с наблюдаемыми телами очень малы: их размер – от 10^-10 до 10^-9 м, а масса – 10^-27 – 10^{-25 кг.} Они имеют сложную структуру и состоят из ядер и электронов. В результате дальнейших исследований выяснилось, что и ядра атома состоят из протонов и нейтронов, т.е. имеют дискретное строение. Это означает, что концепция атомизма для ядер характеризует структуру материи на ее нуклонном уровне.

     В настоящее время принято считать, что не только вещество, но и другие виды материи – физическое поле и физический вакуум – имеют дискретную структуру. Даже пространство и время, согласно квантовой теории поля, в сверхмалых масштабах образуют хаотически меняющуюся пространственно-временную среду с ячейками размером 10^-35 м и временем 10^-43 с. Квантовые ячейки настолько малы, что их можно не учитывать при описании свойств атомов, нуклонов и т.п., считая пространство и время непрерывности.

     Основной  вид материи – вещество, находящееся  в твердом и жидком состояниях, - воспринимается обычно как непрерывная, сплошная среда. Для анализа и  описания свойств такого вещества в  большинстве случае учитывается  только его непрерывность. Однако то же вещество при объяснении тепловых явлений, химических связей, электромагнитного  излучения и т.п., рассматривается  как дискретная среда, состоящая  из взаимодействующих между собой  атомов и молекул.

     Дискретность  и непрерывность присущи и  для другого вида материи –  физического поля. Гравитационное, электрическое, магнитное и другие поля при решении многих физических задач принято считать непрерывными.  Однако в квантовой теории поля предполагается, что физические поля дискретны.

     Для одних и тех же видов материи  характерна и непрерывность, и дискретность. Для классического описания природных явлений и свойств материальных объектов достаточно учитывать непрерывные свойства материи, а для характеристики различных микропроцессов  - ее дискретность свойства. Непрерывность и дискретность – неотъемлемые свойства материи.

     7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

     Атомистическая  теория строения материи легла в  основу всего дальнейшего развития теоретического естествознания, а представлении  неделимости атома было остановлено  физикой только на пороге XX в., когда  она получила в свое распоряжение новые мощные экспериментальные  средства. Впрочем, неделим фотон, который  непрерывно движется в пространстве…

     Атомистическая  концепция опирается на представления  о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического  тела можно в конечном итоге свести к свойствам составляющих его  мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала  признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки. 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8. СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Рузавин Г.И.

Концепция современного естествознания: Учебник  для вузов.- М.: Культура и спорт. ЮНИТ, 1999 - 288с. 

2. Карпенков С.Х.

Концепция современного естествознания : Учебник  для вузов / С.Х. Карпенко – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш.шк., 2003-488 с.: ил. 

3. Акимов  О.Е.

Естествознание: Курс  лекций – М.: ЮНИТ – ДАНА, 2001 – 639с.;иил 

4. Карпенков С.Х.

Основные  концепции естествознания: Учебное  пособие. – 2-е изд. и доп. – М.: Академический Проект, 2002 – 368с.