Атомистическая концепция строения мира

Введение

В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные  системы, были сформированы новые представления  о свойствах микрочастиц, которые  описываются квантовой механикой. Представление об атомах как неделимых  мельчайших частицах веществ возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность. К этому времени работами А. Лавуазье (1743–1794),           М.В. Ломоносова и Д. Дальтона (1766–1844) была доказана реальность существования атомов

Однако в это время  вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал. До конца XIX в. господствовало метафизическое убеждение, что атом есть наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи. При всех химических превращениях разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на более мелкие части. Различные предположения о строении атома долгое время не подтверждались какими-либо экспериментальными данными. Лишь в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения при определенных условиях одних атомов в другие. На основе этих открытий начало быстро развиваться учение о строении атома.

Целью работы является изучение атомистической концепции строения мира и современного учения об атоме.

Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие  задачи:

- дать анализ идей атомизма;

- изложить суть современной  теории атомизма.

1.Анализ развития идей атомизма.

Одной из вершин античной культуры являлось атомистическое учение Демокрита, основоположника античного материализма. Демокрит учил, что реально существует не только бытие, но и небытие. Бытие - это атомы, небытие - пустота, пустое пространство. Пустота неподвижна и беспредельна; она не оказывает никакого влияния на находящиеся в ней тела, на бытие. Идея пустоты привела Демокрита к идее бесконечного пространства, где во всех направлениях беспорядочно носятся, перемещаются атомы (как пылинки в солнечном луче). 
Атом - неделимая, совершенно плотная, непроницаемая, не воспринимаемая чувствами (вследствие своей, как правило, малой величины), самостоятельная частица вещества, атом неделим, вечен, неизменен. Атомы никогда не возникают и никогда не погибают. Они бывают самой разнообразной формы - шарообразные, угловатые, крючкообразные, вогнутые, выпуклые и т.п. Атомы различны по размерам. Они невидимы, их можно только мыслить. В процессе движения в пустоте атомы сталкиваются друг с другом и сцепляются. Сцепление большого количества атомов составляет вещи. Возникновение и уничтожение вещей объясняются сложением и разделением атомов; изменение вещей - изменением порядка и положения атомов. Если атомы вечны и неизменны, то вещи преходящи и изменчивы. Таким образом, атомизм соединил в одной картине рациональные моменты двух противоположных учений - учений Гераклита и Парменида: мир вещей текуч, изменчив, а мир атомов, из которых состоят вещи, неизменен, вечен. 
           По Демокриту, мир в целом - это беспредельная пустота, начиненная многими отдельными мирами. Отдельные миры образовались в результате того, что множество атомов, сталкиваясь друг с другом, образуют вихри - кругообразные движения атомов. В вихрях крупные и тяжелые атомы скапливаются в центре, а более легкие и малые вытесняются к периферии. Так возникли земля и небо. Небо образует огонь, воздух, светила. Земля - центр нашего мира, на краю которого находятся звезды. Каждый мир замкнут. Число миров бесконечно. Многие из них могут быть населенными. Демокрит впервые описал Млечный Путь как огромное скопление звезд. Миры преходящи: одни из них только возникают, другие находятся в расцвете, а третьи уже гибнут. 
           Исторической заслугой античного атомизма являлось также формулирование и разработка принципа детерминизма (причинности). В соответствии с этим принципом любые события влекут за собой определенные следствия и в то же время представляют собой следствие из некоторых других событий, совершавшихся ранее. Демокрит понимал принцип детерминизма механистически, отождествляя причинность и необходимость. Все, что происходит в мире, не только причинно обусловлено, но и необходимо, неизбежно. Он отвергал объективное существование случайности, говоря, что человек называет событие случайным, когда не знает (или не хочет узнать) причины события. Мир атомистов - мир сплошной необходимости, в котором нет объективных случайностей. 
           Концепция атомизма - одна из самых эвристичных, одна из самых плодотворных и перспективных научно-исследовательских программ в истории науки. На основе принципа атомизма, рассмотрения тел как суммы бесконечно большого числа малых неделимых атомов Демокрит сформулировал идею математического метода неделимых, позволяющего определять отношения площадей фигур или объемов тел. Метод неделимых, возрожденный в европейской математике в XVI-XVII вв., стал одной из вех на пути создания интегрального исчисления. Концепция атомизма сыграла огромную роль в развитии представлений о структуре материи, в ориентации движения естественно-научной мысли на познание все более глубоких структурных уровней. 
           С самого зарождения и до конца 1-й четверти ХХ в. в основе Атомизма лежала идея о тождестве строения макро и микрокосмоса. Из непосредственно наблюдаемой расчленённости видимого макромира (прежде всего звёздного) на отдельные более или менее обособленные друг от друга тела был сделан вывод, что природа, будучи единой, должна быть устроена в малейшей своей части так же, как и в величайшей. Древние атомисты считали поэтому непрерывность материи кажущейся, как кажется издали сплошной куча зерна или песка, хотя она состоит из множества отдельных частичек. 

 Идея о полном подобии строения макро и микрокосмоса, казалось бы, окончательно восторжествовала после создания в начале ХХ в. планетарной модели атома, основу которой составляло положение, что атом построен подобно миниатюрной Солнечной системе, где роль Солнца выполняет ядро, а роль планет — электроны, вращающиеся вокруг него по строго определенным орбитам. Почти вплоть до 2-й четверти ХХ в. идея единства строения макро и микрокосмоса понималась слишком упрощённо, прямолинейно, как полное тождество законов и как полное сходство строения того и другого. Отсюда микрочастицы трактовались как миниатюрные копии макротел (как чрезвычайно малые шарики), двигающиеся по точным орбитам, которые совершенно аналогичны планетным орбитам, с той лишь разницей, что небесные тела связаны силами гравитационного взаимодействия, а микрочастицы — электрического.

Атомизм, атомное  учение, атомистика - это учение о  прерывистом, дискретном (зернистом) строении материи. 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 Атомизм 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.  

 Виды Атомизм различаются  тем, какими конкретными физическими свойствами наделяются атомы и другие частицы материи, как характеризуются формы движения атомов. Первоначально Атомизм носил сугубо абстрактный, натурфилософский характер: атомам приписывались лишь самые общие свойства (неделимость, способность двигаться и соединяться между собой), которые не были связаны с какими-либо измеримыми свойствами макротел. В ХVII—XVIII вв., когда развилась механика, Атомизм приобрёл механистический характер; этот вид Атомизм был несколько более конкретен, чем натурфилософия древних, но всё же ещё в большей мере оставался абстрактным и мало связанным с опытной наукой. Атомам приписывались теперь чисто механические свойства. Представители «механики контакта» считали, что причиной соединения атомов является фигура, геометрическая форма, наделяли атомы крючочками, посредством которых атомы якобы сцепляются между собой; иногда атомы изображались в виде зубчатых колесиков, зубцы которых подходят друг к другу в случае растворения тел или не подходят в случае их нерастворения                         (М. В. Ломоносов). Представители «механики сил» (динамики) объясняли взаимодействие атомов наподобие гравитационного тяготения. Поэтому здесь играл роль только вес частиц, а не их геометрическая форма (она принималась шаровидной, как у небесных тел). От динамики И. Ньютона берёт начало особая ветвь Атомизм (хорватский физик Р. И. Бошкович), в которой сочетается идея Г. Лейбница о непространственных монадах (в виде геометрических точек — центров сил) с понятием «силы» (Ньютон). Этот динамический Атомизм явился предвосхищением современного Атомизм, в котором неразрывно сочетается представление о дискретности материи с идеей неразрывности материи и движения (или «силы» в прежнем понимании). Исходя из взглядов Ньютона, Дж. Дальтон (1803) создал химический Атомизм, способный теоретически обобщать и объяснять наблюдённые химические факты и предвидеть явления, ещё не обнаруженные на опыте. Дальтон наделил атомы «атомным весом», т. е. специфической массой, характерной для каждого химического элемента. В «атомном весе» нашла своё выражение мера химического элемента, представляющая собой единство его качественной (химическая индивидуальность) и количественной (значение «атомного веса») сторон. Развитие этого представления привело впоследствии к созданию                   Д. И. Менделеевым периодической системы химических элементов             (1869—71), которая, по сути дела, есть узловая линия отношений меры химических элементов. В середине XIX в. Атомизм в химии получил дальнейшую конкретизацию в учении о валентности (шотландский химик Атомизм С. Купер, немецкий химик ф. Атомизм Кекуле) и особенно в теории «химического строения» (Атомизм М. Бутлеров, 1861). Атомы стали наделяться валентностью, т. е. способностью присоединять 1, 2 и более атомов водорода, валентность которого была принята за 1.  

 После открытия электрона (английский физик Дж. Дж. Томсон, 1097), создания теории квантов (М. Планк, 1900) и введения понятия фотона (Атомизм Эйнштейн, 1905) Атомизм принял характер физического учения, причём идея дискретности была распространена на область электрических и световых явлений и на понятие энергии, учение о которой в XIX в. опиралось на представления о непрерывных величинах и функциях состояния  

 Если старый Атомизм  исходил из того, что «последние»,  «неделимые» атомы находятся  во внешнем отношении друг  к другу, пространственно сополагаясь одни с другими, то новый Атомизм признаёт такие взаимодействия частиц материи, в результате которых они испытывают коренные изменения, теряют свою самостоятельность, свою индивидуальность и как бы растворяются полностью друг в друге, претерпевая глубочайшие качеств, изменения. Так, примером подобных взаимодействий является взаимопревращение элементарных частиц материи. 

 Неисчерпаемость электрона  наглядно обнаружилась после  неудачи попыток построить модель  атома, исходя из представления об электронах-шариках (или даже точках), наделённых определенной массой и зарядом и двигающихся вокруг ядра по законам классической механики. Ядерная же физика показала, что электрон может рождаться из нейтрона, гиперонов и мезонов (с выделением нейтрино), может поглощаться и исчезать как частица в атомном ядре (при захвате), может сливаться с позитроном, словом, испытывать такие многообразные и сложные коренные превращения, которые неоспоримо свидетельствуют о его реальной неисчерпаемости. В истории познания каждый крупный успех Атомизм составлял не только революцию в физическом учении о материи и её строении, но вместе с тем очередное поражение идеалистического взгляда на природу (хотя сам по себе Атомизм, конечно, отнюдь не всегда и не во всех своих конкретных формах непосредственно выражал научную истину).  

 После открытия позитрона И. и Ф. Жолио-Кюри наблюдали (1933) превращение позитронов и электронов в фотоны; наблюдалось также рождение пары — электрона и позитрона — при прохождении фотона -g-лучей вблизи атомного ядра. Эти явления были истолкованы как аннигиляция (уничтожение) материи и как её рождение из энергии. Развивая Атомизм, физики-материалисты (С. И. Вавилов, Ф. Жолио-Кюри и др.) показали, что в данном случае происходит взаимопревращение одного физического вида материи (вещества) в другой её вид (свет). Следовательно, и в этом отношении Атомизм нанёс своими открытиями удар идеализму.

2. Суть современной теории атомизма.

 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 суть "атомы" отрицательного электричества, фотоны - "атомы" света и т.д. атомизм распространяется и на биологические явления, в том числе на явления наследственности.  
  Современный атомизм, воплотившийся в квантовую механику, не отрицает единства природы в большом и малом, но раскрывает качественное различие микро и макрообъектов: микрочастицы представляют единство противоположностей прерывности и непрерывности, корпускулярности и волнообразности. Это — не шарики, как думали раньше, а сложные материальные образования, в которых дискретность (выраженная в свойствах корпускулы) определенным образом сочетается с непрерывностью (выраженной в волновых свойствах). Поэтому и движение таких частиц (например, электрона вокруг атомного ядра) совершается не по аналогии с движением планеты вокруг Солнца (т. е. не по строго определённой орбите), а скорее по аналогии с движением облака («электронное облако»), имеющего как бы размытые края. Такая форма Атомизм названа современным (квантовомеханическим) Атомизм. Важнейшую черту современного Атомизм составляет Атомизм действия, связанный с тем, что движение, свойства и состояния различных микрообъектов поддаются квантованию,      т. е. могут быть выражены в форме дискретных величин и отношений. В итоге вся физика микропроцессов, поскольку она носит квантовый характер, оказывается областью приложения современного Атомизм Постоянная Планка (квант действия) есть универсальная физическая константа, которая выражает количественную границу, разделяющую две качественно различные области: макро и микроявлений природы. Физический (или квантово-электронный) Атомизм достиг особенно больших успехов благодаря созданию (Н. Бор, 1913) и последующей разработке модели атома, которая с физической стороны объясняла периодическую систему элементов. Создание квантовой механики (Л. де Бройль, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг, П. Дирак и др., 1924—28) придало Атомизм квантово- механический характер. Успехи ядерной физики, начиная с открытия атомного ядра (Э. Резерфорд, 1911) и кончая открытием серии элементарных частиц, особенно нейтрона (английский физик Дж. Чедвик, 1932), позитрона (1932), мезонов различной массы, гиперонов и др., также способствовали конкретизации Атомизм Одновременно в XX в. шло развитие химического Атомизм в сторону открытия частиц более крупных, чем обычные молекулы (коллоидные частицы, мицеллы, макромолекулы, частицы высокомолекулярных, высокополимерных соединений); это придавало Атомизм надмолекулярно-химический характер. В итоге можно выделить главные виды Атомизм, которые явились вместе с тем историческими этапами в развитии Атомизм: 1) натурфилософский Атомизм древности,       2) механический Атомизм XVII—XVIII вв., 3) химический Атомизм XIX в. и            4) современный физический Атомизм 

 С открытиями в области атомизма связаны крупные научные эпохи. «Новая эпоха начинается в химии с атомистики..., — писал Энгельс, — а в физике, соответственно этому, — с молекулярной теории» («Диалектика природы», 1969, с. 257). Революцию в физике на рубеже XIX и XX вв. вызвали, по словам В. И. Ленина, «новейшие открытия естествознания — радий, электроны, превращение элементов...» (Полн. собр. соч., 5 изд., т. 23, с. 44). Начало века атомной энергии непосредственно связано с дальнейшим развитием современным физическим Атомизм  

 Достижение каждой  более глубокой ступени в познании  материи и её дискретных видов  (её строения), соответственно —  сущности более высокого порядка, не завершает движения познания в глубь материи, а кладет лишь новую веху на этом пути. «Молекула..., — писал Энгельс, — это — «узловая точка» в бесконечном ряду делений, узловая точка, которая не замыкает этого ряда, но устанавливает качественную разницу. Атом, который прежде изображался как предел делимости, теперь — только отношение...»(Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 31, с. 258). Сопоставление атомов с электронами Ленин рассматривал как конкретизацию положения о единстве конечного и бесконечного, где конечное есть лишь звено в бесконечной цепи отношений: «Применить к атомам versus электроны. Вообще бесконечность материи вглубь...» (Полн. собр. соч., 5 изд., т. 29, с. 100). 

 Для понимания философской стороны атомизм чрезвычайно важно проведённое Энгельсом разграничение между старым и новым Атомизм Старый Атомизм признаёт абсолютную неделимость и простоту «последних» частиц материи, всё равно, будут ли этими частицами считаться атомы химических элементов (Дальтон и другие химики) или частицы первоматерии (Бойль и др.). Новый Атомизм фактически исходит из отрицания каких-либо «последних», абсолютно простых, неизменных и неделимых частиц или элементов материи. Отвергая абсолютную неделимость или непревращаемость любой сколь угодно малой частицы материи, новый Атомизм признаёт относительную устойчивость каждого дискретного вида материи, его качественную определённость, его относительную сохраняемость в известных границах. Например, делимый некоторыми физическими способами, атом неделим химически и в химических процессах ведёт себя как некое целое, неделимое. Точно так же и молекула: делимая (разложимая) химически на атомы, она в тепловом движении (до известных пределов, когда не наступает термическая диссоциация вещества) ведёт себя тоже как некое целое, неделимое.  

 Новый Атомизм показывает, что процесс деления материи имеет свои многочисленные границы, при достижении которых совершается переход от одной ступени дискретности материи к другой, качественно от неё отличной; количеств, операция деления приводит, т. о., к выходу за пределы данного вида частиц и переходу в область другого их вида. В этом отношении новый Атомизм противостоит, с одной стороны, идее абсолютной делимости материи до бесконечности (Аристотель, Р. Декарт, динамисты), представляющей пример «дурной бесконечности» (Гегель), а с другой стороны — идее старого Атомизм с его признанием лишь одного вида частиц материи, которыми одноактно завершается (точнее: обрывается) процесс деления материи. 

 На философские  основы современного Атомизма  указал ещё Энгельс: «Новая атомистика отличается от всех прежних тем, что она... не утверждает, будто материя только дискретна, а признаёт, что дискретные части различных ступеней... являются различными узловыми точками, которые обусловливают различные качественные формы существования всеобщей материи...» («Диалектика природы», 1969, с. 257). 

 Особенно важно  в новом Атомизм признание  взаимопревращаемости любых дискретных  видов материи, неисчерпаемости  любой сколь угодно малой её частицы. «... Диалектический материализм, — писал Ленин, — настаивает на приблизительном, относительном характере всякого научного положения о строении материи и свойствах ее, на отсутствии абсолютных граней в природе, на превращении движущейся материи из одного состояния в другое, по-видимому, с нашей точки зрения, непримиримое с ним и т.д.» (Полн. собр. соч., 5 изд., т. 18, с. 276). Примером служит взаимопревращение частиц света (фотонов) и частиц вещества (пары — электрона и позитрона — в процессе её рождения из фотонов и обратного её перехода в фотоны при аннигиляции пары). 

 Отрицание каких-либо  «последних», «абсолютно неизменных»  и т. Д. частиц материи оправдывается  всем ходом углубления человеческого  познания в строении материи  (Полн. собр. соч., 5 изд., т. 18, с. 277).

3. Анализ квантовой модели атома. Роль элементарных частиц и физического вакуума в строении атома.

Н.Бор (1885–1962) работал  в 1912–1913 у Резерфорда, когда тот  проводил опыты по рассеянию, и вернулся в 1913 в Копенгаген с множеством новых  идей. Требовал своего объяснения ряд явлений, помимо только что открытых в «ядерных» экспериментах по рассеянию. Теперь, когда была отвергнута томсоновская модель атома, узкие, дискретные спектральные линии в излучении разрядных трубок и эмпирические закономерности в их частотах казались еще менее понятными.

Был и другой атомный  эффект, открытый в 1887 Г.Герцем (1857–1894), а именно фотоэффект. Суть его в  том, что свет, падающий на свежеочищенную поверхность металла, выбивает из нее  электроны, если частота света достаточно высока. Для каждого металла имеется своя пороговая частота. Опыты показали, что тормозящее электростатическое поле, уменьшающее до нуля ток фотоэлектронов, не зависит от интенсивности света, но зависит от его длины волны. Электромагнитная теория, согласно которой свет представляет собой электромагнитные волны, оказалась не в состоянии объяснить это, поскольку по этой теории для испускания электрона с любой скоростью атому нужно только достаточно долго поглощать энергию. В 1905 А.Эйнштейн (1879–1955) предложил объяснение фотоэффекта, которое полностью согласовалось с экспериментальными данными, но требовало коренного пересмотра существовавшей концепции света как волнового процесса. Эйнштейн предположил, что свет переносит энергию порциями, которые называются фотонами или квантами света, причем их энергия дается выражением E = hV, где V – частота света, а h – «постоянная Планка», Как часто происходит с научными открытиями, оказалось, что гипотеза «квантов» Эйнштейна имеет в своей основе более раннюю теорию. М.Планк (1858–1947) первым привлек идею квантования для объяснения наблюдаемого спектрального состава излучения нагретых тел. Ему удалось объяснить спектр, предположив, что гармонические осцилляторы поглощают и излучают лишь дискретные порции энергии hV. Бор сформулировал следующие постулаты, составляющие основу квантовой теории атома.