2.4. Естествознание XX века

2.4.1. Четвертая научная революция. Рождение и развитие атомной физики

Еще в конце XIX века большинство ученых считали механистическую картину мира незыблемой, но в первые десятилетия XX века физические воззрения изменились коренным образом.

В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель обнаружил явление самопроизвольного излучения урановой соли. В 1898 году Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли новые элементы – полоний и радий, также обладающие свойством испускать «беккерелевы лучи». Это свойство они назвали радиоактивностью.

В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон и обнаружил зависимость массы электрона от его скорости. В 1903 году он предложил первую (электромагнитную) модель атома. Согласно этой модели, отрицательно заряженные электроны являются составными частями атомов всех веществ и располагаются внутри положительно заряженной сферы. Сохранение электронами определенного места в сфере есть результат равновесия между положительным равномерно распределенным ее зарядом и отрицательными зарядами электронов.

В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд предложил свою модель атома, которая получила название планетарной. Ее суть: атом подобен Солнечной системе, так как состоит из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые обращаются вокруг него. В целом атом электронейтрален.

Однако модель Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла. Согласно законам электродинамики, любое тело (частица), имеющее электрический заряд и движущееся с ускорением, обязательно должно излучать электромагнитную энергию.Следовательно, теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру и упасть на него, и атом должен прекратить свое существование.

В 1913 году датский физик Нильс Бор разработал квантовую модель строения атома. В ее основе лежали следующие постулаты: 1) в любом атоме существуют дискретные (стационарные) состояния, находясь в которых атом энергию не излучает; 2) при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он излучает или поглощает порцию энергии.

Фактически Н.Бор в виде этих постулатов сформулировал положения новой теории – теории движения микрочастиц – квантовой механики. Ее начало было положено немецким физиком Максом Планком. В 1900 году он сформулировал гипотезу, согласно которой испускание и поглощение электромагнитного излучения может происходить только дискретно, конечными порциями – квантами.

Опираясь на представление Планка о квантах, Альберт Эйнштейн в 1905 году объяснил природу фотоэффекта: каждый электрон выбивается из металла под действием отдельного светового кванта, или фотона, который при этом теряет свою энергию. Часть этой энергии уходит на разрыв связи электрона с металлом. Эйнштейн показал зависимость энергии электрона от частоты светового кванта и энергии связи электрона с металлом.

Однако определить энергию фотона (частицы света, не обладающей массой покоя) можно было, только представляя его себе в виде волны с соответствующей длиной и частотой. Получалось, что фотон – это одновременно и волна и частица. Распространяется он как волна, излучается и поглощается – как частица.

В начале XX века Эйнштейн создал теорию относительности, которая в целом основывалась на том, что, в отличие от механики И. Ньютона, пространство и время не абсолютны, а относительны и органически связаны с материей и между собой.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу квантовой механики. У объектов микромира, рассматриваемых с ее позиций, обнаружилась корпускулярно-волновая двойственность, или дуализм элементарных частиц (это и корпускулы и волны одновременно, диалектическое единство свойств тех и других). Движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъекта. Движение микрочастиц подчиняется законам квантовой механики.

Об абсолютной непригодности законов классической механики в микромире свидетельствует установленное немецким физиком Вернером Гейзенбергом соотношение неопределенностей: если известно место положения частицы в пространстве, то остается неизвестным импульс (количество движения), и наоборот. Это одно из фундаментальных положений квантовой механики.

Все вышеизложенные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики, возможности решения всех научных проблем с помощью механических понятий и уравнений. Разрушились прежние представления о неделимости атома: «бесструктурный» атом уступил место новому атому как сложной системе частиц. Рождение и развитие атомной физики окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира.