- •1. Развитие представлений о строении атомов
- •2. Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц
- •3. Квантово-механическое описание процессов в микромире
- •4. Принципы дополнительности и соответствия
- •5. Виды взаимодействий
- •6. Фермионы и бозоны
- •7. Радиоактивность
- •8. Закон радиоактивного распада
- •9. Строение атомного ядра и свойства ядерных сил
- •10. Ядерные процессы
- •11. Элементарные частицы
- •12. Понятие о кварках
- •13. Частицы и античастицы
- •14. Концепция дальнодействия и близкодействия
- •15. Мария Склодовская-Кюри
- •Андронный коллайдер
- •17. Альберт Энштейн
- •Понятие структуры материи
- •3 Структурных уровня организации материи:
- •Развитие знаний о веществе
- •Периодическая система элементов
- •4. Изотопы и новые химические элементы
- •5. Распространённость химических элементов
- •6. Химические связи и многообразие химических систем
- •7. Строение кристаллических и аморфных тел
- •1. Структура и эволюция Вселенной
- •2. Закон Хаббла и концепция Большого взрыва
- •3. Реликтовое излучение и первичный нуклеосинтез
- •4. Эволюция галактик и звёзд
- •5. Синтез химических элементов в звёздах. Сверхновые, пульсары, квазары и чёрные дыры
- •6. Средства наблюдений объектов Вселенной
- •7. Проблема поиска внеземных цивилизаций
- •8. Солнечная система — часть Вселенной
- •9. Земля — планета Солнечной системы
- •10. Литосферные плиты и земная кора
- •11. Гидросфера и атмосфера
- •Зарождение живой материи
- •2. Строение и разновидности клеток
- •3. Биосинтез белков и роль ферментов
- •4. Носители генетической информации
- •5. Состав и структура молекул днк и рнк
- •6. Геном организма
- •7. Репликация днк, трансляция и транскрипция
- •8. Свойства генетического кода
- •9. Современные представления о зарождении жизни и основные этапы эволюции биосферы
- •1. Три уровня организации материального мира
- •2. Идея эволюции Ламарка и сущность эволюционной теории Дарвина
- •Роль мутаций, естественного отбора и факторов окружающей среды в происхождении и эволюции видов
- •4. Адаптация и взаимозависимость живых организмов
- •5. Популяции и биоценозы
- •6. Генная инженерия. Проблемы клонирования
- •7. Закон дивергенции
- •1. Человек и природа
- •2. Примеры сохранения природных ресурсов
- •3. Обновление энергосистем
- •4. Сохранение тепла и экономия электроэнергии
- •5. Экономия ресурсов в промышленности, строительстве и на транспорте
- •6. Экономичный автомобиль
- •7. Воздействие промышленности и автотранспорта на окружающую среду
- •8. Преобразование транспортных услуг
- •9. Экологические проблемы городов и особенности мегаполисов
- •10. Решение проблем загрязнения и утилизация отходов
- •11. Перспективные материалы, технологии и сохранение биосферы
- •12. Глобализация биосферных процессов
- •1. Космическое и внутрипланетарное воздействие на биосферу
- •2. Глобальные катастрофы и эволюция жизни
- •3. Биосфера и предотвращение экологической катастрофы
- •4. Природные катастрофы и климат
- •5. Парниковый эффект и кислотные осадки
- •6. Сохранение озонового слоя
- •7. Водные ресурсы и проблемы их сохранения
- •8. Потребление электроэнергии и среда нашего обитания
- •9. Радиоактивное воздействие на биосферу
- •10. Естественный радиационный фон
- •11. Воздействие излучений на живые организмы
- •12. Защита от облучения
- •43. Естественно-научные проблемы защиты окружающей среды
- •1. Самоорганизующиеся системы и их свойства
- •2. Механизмы самоорганизации
- •3. Самоорганизация в химических реакциях
- •4. Необходимые условия самоорганизации открытых систем
- •5. Неустойчивость сложных систем
- •6. Пороговый характер самоорганизации. Точка бифуркации
- •7. Синергетика как обобщённая теория поведения систем различной природы
- •8. Самоорганизация в живой природе и человеческом обществе
Корпускулярная и континуальная концепции описания природы
1. Развитие представлений о строении атомов
Античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций).
В средние века учение об атомах, будучи материалистическим, не получило признания.
К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность. К этому времени работами французского химика А. Лавуазье (1743–1794), великого русского ученого М.В. Ломоносова и английского химика и физика Д. Дальтона (1766–1844) была доказана реальность существования атомов. Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми.
Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д.И. Менделеев, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в. было экспериментально доказано, что электрон является одной из основных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. серьезно встал вопрос о строении атома. Существование закономерной связи между всеми химическими элементами, ярко выраженное в периодической системе Менделеева, наталкивает на мысль о том, что в основе строения всех атомов лежит общее свойство: все они находятся в близком родстве друг с другом. Однако до конца XIX в. в химии 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.
Частицы, получившие название электронов, были открыты в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном. 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. Томсон предложил первую модель атома, представив атом как сгусток материи, обладающий положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что превращает его в электрически нейтральное образование. В этой модели предполагалось, что под влиянием внешних воздействий электроны могли совершать колебания, т. е. двигаться ускоренно. Казалось бы, это позволяло ответить на вопросы об излучении света атомами вещества и гамма-лучей атомами радиоактивных веществ.
Положительно заряженных частиц внутри атома модель атома Томсона не предполагала. Но как же тогда объяснить испускание положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами? Модель атома Томсона не давала ответа и на некоторые другие вопросы.
В 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах была обнаружена положительно заряженная часть атома. Дальнейшие более тщательные исследования показали, что при прохождении пучка параллельных лучей сквозь слои газа или тонкую металлическую пластинку выходят уже не параллельные лучи, а несколько расходящиеся: происходит рассеяние альфа-частиц, т. е. отклонение их от первоначального пути. Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое число частиц (примерно одна из нескольких тысяч), которые отклоняются очень сильно. Некоторые частицы отбрасываются назад, как если бы на пути встретилась непроницаемая преграда. Это не электроны – их масса гораздо меньше массы альфа-частиц. Отклонение может происходить при столкновении с положительными частицами, масса которых того же порядка, что и масса альфа-частиц. Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему строения атома.
В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Поскольку масса электрона ничтожна мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, число которых сравнительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой.
Предложенная Резерфордом схема строения атома или, как обыкновенно говорят, планетарная модель атома, легко объясняет явления отклонения альфа-частиц. Действительно, размеры ядра и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов, поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда альфа-частица очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяния альфа-частиц положило начало ядерной теории атома.
Планетарная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию альфа-частиц вещества, однако возникли принципиальные трудности при обосновании устойчивости атомов. Первая попытка построить качественно новую – квантовую – теорию атома была предпринята в 1913 г. Нильсом Бором. В основу своей теории Бор положил ядерную модель Резерфорда. Он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам. Движение по окружности даже с постоянной скоростью обладает ускорением. Такое ускоренное движение заряда эквивалентно переменному току, который создает в пространстве переменное электромагнитное поле. На создание этого поля расходуется энергия. Энергия поля может создаваться за счет энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром. В результате электрон должен двигаться по спирали и упасть на ядро. Однако опыт показывает, что атомы – очень устойчивые образования. Отсюда следует вывод, что результаты классической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла, неприменимы к внутриатомным процессам. Необходимо найти новые закономерности.
В основу своей теории атома Бор положил следующие постулаты.
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией, равной разности энергий соответствующих стационарных состояний до и после излучения/поглощения.
8) Немецкие физики Д. Франк и Г. Герц экспериментально подтвердили существование стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов. Несмотря на несомненный успех концепции Бора применительно к атому водорода, создать подобную теорию для следующего за водородом атома гелия на основе представлений Бора не удалось. Относительно атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволила делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключения. Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электронов в атоме имеет мало общего с движением планет по орбитам. В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на многие вопросы, касающиеся строения и свойств атомов любых элементов.