Современные представления об устройстве Вселенной

Лекция 7: «Концепция вещества: концепция строения атома»

Вещество – философская категория, означающая структурность всех без исключения тел во Вселенной.

Основными структурными элементами вещества в нашей Вселенной являются атомы и молекулы.

Авторы одной из первых концепций атомизма древнегреческие ученые Левкипп (500 – 440 год до н.э.) и его ученик Демокрит Абдерский (460 – 370 год до н.э). утверждали, что мироздание состоит из двух сущностей: атомов и пустоты. Пустота бесконечное вместилище атомов. Атомы – мельчайшие, неделимые, однородные частицы, обладающие определенной формой. Они, бесчисленны и из них состоят все тела во Вселенной. Атомы вечны (неуничтожимы) и значит, вечна, состоящая из них

Вселенная.

Согласно Левкиппу и Демокриту, главным свойством атомов является вечное хаотичное движение в вечном и безграничном пространстве (пустоте).

По форме атомы достаточно разнообразны и очень малы. Они не могут восприниматься через органы чувств человека. В результате столкновений атомов возникают различные тела. При их разрушении, атомы высвобождаются и создают новые тела. Значит по Левкиппу и Демокриту, атомы никуда не деваются и не разрушаются, а лишь переходят из одних тел в другие.

Не напоминает ли это утверждение закон сохранения материи? Достаточно современно, не правда ли? Для Левкиппа и Демокрита нет сомнений в материальности, состоящей из атомов и пустоты Вселенной и ее бесконечности! Тела возникают и разрушаются только благодаря столкновениям тех или иных атомов.

Эпикур Самосский (341 - 270 год до н. э.) основал известное учение эпикуреизм, одной из основ которого был материалистический атомизм.

Эпикур принимает исходное космологическое положение: ничто не откуда не берется и никуда не девается. Иначе говоря, атомы, а значит и Вселенная, по Эпикуру, вечны и неизменны. Вселенная безгранична: бесчисленно количество атомов и бесконечна пустота, в которой они находятся и перемещаются.

Эпикур говорил, что все окружающие нас миры и небесные тела сформировались из материальных масс и со временем разложатся снова на атомы.

Дополняя Демокрита, Эпикур утверждает, что атомы различаются между собой не только по форме, но и по весу! Вспомним об этом, изучая Периодический закон Д.И.Менделеева, также первоначально расположившего в своей таблице атомы в зависимости от их весов!

Интересны представления Эпикура о характере движения атомов в пустоте. Он считал, что они способны двигаться, не только прямолинейно, но и криволинейно, колебаться в одной точке пространства. Кроме того, Эпикур, в отличие от сторонника детерминизма Демокрита, допускал случайность в направлении и характере движения частиц, что провоцирует столкновения между ними и образование тел.

Материалистические представления Демокрита и Эпикура разделял и великий древнегреческий ученый Платон (427 – 347 год до н. э.) (родился в Афинах) считавший, что атомы имеют форму идеальных Платоновских тел (правильных многогранников).

Современные представления о строении атома достаточно сложны. Современная концепция строения атома состоит из концепции ядра и концепции электронных орбит.

Концепция строения атомного ядра.

Ядро атома состоит из располагающихся в центре, наиболее тяжелых незаряженных частиц – нейтронов ( ). Они создают центр гравитационного притяжения ядра и всего атома, что соответствует закону всемирного тяготения: .

Вокруг нейтронов располагаются гораздо более легкие, положительно заряженные частицы – протоны ( ), придающие всему ядру положительный заряд, численно равный количеству протонов в ядре.

Протоны перемещаются на различных расстояниях от центра ядра в зависимости от их запаса энергии: чем больше кинетическая энергия протона, тем дальше он от центра ядра.

В целом, ядро атома похоже по своей организации на строение мега объектов Вселенной, например на галактики. В центре группа крупных незаряженных частиц, взаимосвязанных друг с другом. Вокруг них на разных расстояниях вращаются относительно небольшие заряженные частицы, придающие заряд всему ядру.

Концепция электронных орбит.

Электрон – небольшая, отрицательно заряженная частица, обращающаяся вокруг ядра атома по определенной орбите ( ). Общее количество электронов в атоме равно количеству протонов в ядре, так что общий заряд атома равен нулю.

В свободном состоянии в нормальных условиях электроны не существуют. Они связаны в атомах, что для них энергетически выгоднее – в атоме они практически не тратят энергию на свое перемещение.

Как и вообще в природе, в движении электронов не существует хаоса. Орбита электрона – кратчайший путь частицы вокруг ядра, обеспечивающий ей перемещение с минимальными энергетическими затратами, без столкновений с другими частицами: электронами и ядром.

Простейшая орбита электрона это шар или S - орбита. Но, на одной орбите может быть не более двух электронов. А если размер ядра и его заряд позволяет присоединять большее количество электронов?

В соответствии с принципом минимума энергии электроны стремятся находиться на минимальном расстоянии от ядра, что позволяет им тратить меньше энергии на свое движение, т.е. существование. Однако, если шарообразная орбита уже занята парой электронов, а новая шарообразная орбита будет обладать большим радиусом, т.е. электроны расположатся на большем удалении от ядра, что энергетически им не выгодно.

Для того, чтобы не удаляться далеко от ядра электроны располагаются на орбитах, позволяющих одновременно не удаляться дальше от ядра и огибать уже расположенные на прежней орбите электроны. Такая орбита называется p – орбита. Таких орбит может быть три. И на каждой из них может быть по два электрона.

А если электронов может располагаться вокруг ядра больше, да и заряд ядра позволяет. Тогда возникает d- облако. Таких облаков может быть пять, а всего электронов на них до десяти.

Для атомов элементов с очень большими размерами и зарядами ядер возможно образование f - облаков. Их количество семь, а электронов может быть до четырнадцати.

Степень сложности электронных орбит атомов определяется размерами и структурой атомных ядер: количеством в них нейтронов и протонов.

Атом, как структурная единица нашей Вселенной, кроме электронейтральности, отличается определенной устойчивостью к различным внешним процессам, общей шарообразной формой, способностью к взаимодействиям с другими элементами внешней среды: атомами, ионами, молекулами, внешними полями различной природы, при условии общей энергетической выгоды.

Бесконечное многообразие атомов объясняется бесконечным разнообразием условий во Вселенной.