Атом. Атом как основа строения материи. Атом как основа строения материи
 Скачать 30.71 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Республики Казахстан Медицинский университет Караганды Кафедра: Фармацевтических наук и химии Реферат на тему: Атом как основа строения материи Приготовил: Жансерік Ілияс, группа 1-016 ОМ1 Проверила: Махмудова Алмагуль Сатыбалдиевна Введение Тема атомного строения и атомизма имеет актуальность во многих сферах жизни, ведь все тела являются суммой бесконечного числа крошечных неделимых атомов. Атомизм оказал огромное влияние на развитие представления людей о строении материи и на познание более глубоких структурных уровней. Также не стоит забывать, что существуют и другие частицы материи, которые крупнее чем атом (молекула) или даже мельче (ядро, электроны и др.). Атомизм нашего времени не отрицает единства природы в малом и большом, но показывает разницу между макро и микрообъектами. Задачи и цели моей работы заключаются в объяснении сущности атома в современном мире и его структурной важности в материи. Анализ развития идей атомизма в истории науки Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом в целом электрически нейтрален, следовательно, он должен содержать в себе еще другую составную часть, заряженную положительно, причем ее заряд должен уравновешивать сумму отрицательных зарядов электронов. Атом – это неделимая, совершенно плотная, непроницаемая, невоспринимаемая 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 (поворота) 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. С самого зарождения и до конца 1-й четверти 20 в. в основе Атомизм 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. Признание единства строения макро и микрокосмоса открывало путь к перенесению на атомы таких механических, физических или химических свойств и отношений, которые обнаруживались у макротел. Исходя из теоретически предугаданных свойств атомов, можно было сделать заключение о поведении тел, образованных из атомов, а затем экспериментально проверить это теоретическое заключение на опыте. Идея о полном подобии строения макро и микрокосмоса, казалось бы, окончательно восторжествовала после создания в начале 20 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 20 в. идея единства строения макро и микрокосмоса понималась слишком упрощённо, прямолинейно, как полноетождество 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 утверждает, что материя состоит из отдельных чрезвычайно малых частиц; до конца 19 в. они считались неделимыми. 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 все 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. Виды Атомизм различаются тем, какими конкретными физ. свойствами наделяются атомы и другие частицы материи, как характеризуются формы движения атомов. В 17—18 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 19 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. В 19 в. атомы наделялись всё новыми свойствами, в которых резюмировались соответствующие химические и физические открытия. В связи с успехами электрохимии атомам стали приписываться электрические заряды (электрохимическая теория шведского учёного И. Я. Берцелиуса), взаимодействием которых объяснялись химические реакции. Открытие законов электролиза (М. Фарадей) и особенно создание теории электролитической диссоциации (шведский учёный С. Атомизм Аррениус, 1887) привели к обобщению, выраженному в понятии «ион». Ионы это осколки молекул (отдельные атомы или их группы), несущие противоположные по знаку целочисленные электрические заряды. Дискретность зарядов ионов непосредственно подводила к идее дискретности самого электричества, что вело к идее электрона, к признанию делимости атомов. Во 2-й пол. 19 в. Атомизм конкретизировался как молекулярно-физическое учение, благодаря разработке молекулярно-кинетической теории газов, раскрывающей связь между тепловой и механическими формами движения. Основные положения молекулярной гипотезы зародились ещё в 17 (П. Гассенди) и 18 вв. (Ломоносов), но приобрели экспериментальный базис лишь благодаря тому, что закон объёмных отношений газов, открытый Ж. Л. Гей-Люссаком (1808), был объяснён при помощи представления о молекулах (Атомизм Авогадро, 1811). С тех пор молекулам приписывались такие физические свойства и движения, которые при их суммировании давали бы значения макроскопических свойств газа как целого, например температуры, давления, теплоёмкости и т.д. В дальнейшем Атомизм в физике развился в особую ветвь статистической физики. 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 19 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 не всегда и не во всех своих конкретных формах непосредственно выражал научную истину). Так, открытие Дальтоном закона простых кратных отношений в химии привело в начале 19 в. к крушению идеалистической теории динамизма (Кант, Шеллинг, Гегель и др.), согласно которой основу природы составляет не материя, а прерывные силы. В конце 19 в. в физике и химии получило распространение феноменологическое, агностическое течение, связанное с термодинамикой и наиболее отчётливо обнаружившееся в энергетическом мировоззрении (В. Оствальд, 1895). Энергетизм, как и махизм, отрицал реальность атомов и молекул; он пытался построить всю физику и химию на представлении о чистой энергии, комплексом различных видов которой объявлялась сама материя и все её свойства. Успехи физики и химии на рубеже 19 и 20 вв., особенно подсчёт числа ионов — газовых частиц, несущих электрические заряды, а также изучение «броуновского движения» и др. показали совпадение значений Авогадро числа, определённого самыми различными физическими методами. В конце 1-й четверти ХХв. оказалось, что выбрасываемые при b-распаде электроны уносят только часть энергии, теряемой ядром. Отсюда был сделан вывод, что другая её часть попросту уничтожается. Материалистическое решение возникшей трудности (В. Паули, 1931) состояло в предположении, что при b-распаде наряду с электроном из ядра вылетает другая, неизвестная ещё частица материи, с очень малой массой и электрически нейтральная, которую назвали «нейтрино». Без представления о нейтрино невозможно понять многие ядерные превращения, а также и превращения элементарных частиц (мезонов, нуклонов, гиперонов). 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. 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 Атомизма названа современным Атомизмом. Важнейшую черту современного Атомизма 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 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 20 в. шло развитие химического Атомизм в сторону открытия частиц более крупных, чем обычные молекулы - это придавало Атомизм надмолекулярно-химический характер. В итоге можно выделить главные виды Атомизм, которые явились вместе с тем историческими этапами в развитии Атомизм: -натурфилософский Атомизм древности -механический Атомизм 17—18 вв. -химический Атомизм 19 в. -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». Революцию в физике на рубеже 19 и 20 вв. вызвали, по словам В. И. Ленина, «новейшие открытия естествознания — радий, электроны, превращение элементов...». 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...». 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...» 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 перво-материи (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…» 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.». 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). Анализ квантовой модели атома. Роль элементарных частиц и физического вакуума в строении атома. Квантовая модель атома предполагает, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов, не имеющих заряда. Также ядро окружено электронами, которые в свою очередь имеют отрицательный заряд. Квантовая механика опровергает возможность движения электронов вокруг ядра по каким- либо определенным траекториям. Кроме того, квантовая механика предполагает, что химические свойства атомов определяются конфигурацией их электронной оболочки, однако количество нейтронов в ядре не являет на химические свойства элемента. Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов, а нейтронов в ядре обычно больше, чем протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна. Помимо атома материальной основой мира в настоящее время считается физический вакуум, представляющий собой среду, в который отсутствуют частицы вещества и поля. Дирак видел вакуум как огромное количество электронов с отрицательной энергией, представляющих однородный фон, не влияющих на прохождение в нем электромагнитных процессов. Он считал, что отсутствие электронов с отрицательной энергией связано с тем, что они представляют собой сплошной невидимый фон. Когда в вакуум попадает фотон, электрон с отрицательной энергией может перейти в электрон с положительной энергией. Открытие в 1932 году позитрона привело к открытию античастиц, которые аннигилируют с элементарными частицами. В результате стало известно, что вакуум обладает сложной структурой, из которой могут рождаться пары: частица и античастица. Вакуум обладает рядом особенностей: наличие в нем полей с энергией, равной нулю, и отсутствие реальных частиц. Для объяснения полей с нулевой энергией существует понятие виртуальной (возможной) частицы, обладающей малым сроком жизни, по отдельности не обнаруживаемой, но оказывающие суммарное воздействие на элементарные частицы. Она объясняет рождение и исчезновение частиц в вакууме. Реакции и взаимодействия элементарных частиц происходят благодаря вакуумному виртуальному фону, также подверженному влиянию элементарных частиц. при этом элементарные частицы сами же порождают виртуальные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны. В настоящее время признанной является концепция физического вакуума, Г.И. Шипова. Однако она подвержена дискуссиям, та как существует множество противников данного учения. Суть теории заключается в том, что пространство искривлено и закручено, а использование дополнительных угловых координат для описания полей кручения привело к распространению принципа относительности на физические поля. Уравнения, разработанные Г.И. Шиповым, после преобразований приводят к уравнениям и принципам детерминированной квантовой теории. Элементарные частицы в данной теории - это предельный случай образования при стремлении массы или заряда к постоянной величине. В основном состоянии абсолютный вакуум имеет нулевые средние значения момента импульса и других характеристик и в невозмущенном состоянии наблюдаем. Разные состояния вакуума возникают при его флуктуациях. Если источник заряд, то его состояние это электромагнитное поле, если масса, то гравитационное поле, если спин, то это поле кручения. В целом физический вакуум представляет собой источник материи и энергии, которые реализовались во Вселенной или все еще находящихся в скрытом состоянии. Заключение Свойства предметов определяются свойствами атомов, так как последние отличаются друг от друга по своему объему и фигуре. Величина атома влияла на тяжесть предмета. Наиболее легкими считались самые мелкие и гладкие шаровидные атомы огня, которые составляли воздух, а также душа человека. Атомы чувственно не воспринимаемы за счет своего малого размера, а также за счет отсутствия чувственных качеств - цвета, запаха, вкуса и др. Число атомов бесконечно, так же как их конфигураций, что обусловливает бесконечную разность в направлениях и скоростях их движений приводит к их столкновениям. Таким образом, все строение вселенной и ее образование строго детерминировано и обусловлено постоянным движением материи, а не творением Бога. То есть учение атомизма опровергало религиозно-мифологические и метафорически-умозрительные представления о надприродном мире, о вмешательстве богов. Наглядная и простая ядерная модель атома, предложенная Резерфордом, явно противоречила классической электродинамике. Система вращающихся вокруг ядра электронов не может быть устойчивой, так как электрон при таком вращении должен непрерывно излучать энергию, что, в свою очередь, должно привести к его падению на ядро и к разрушению атома. Между тем атомы являются устойчивыми системами. Изучению распределения электронов в атомах уделяется большое внимание, так как поведение атомов в химических реакциях в значительной мере зависит от того, насколько прочно их электроны удерживаются на своих орбитах. |