Раздел 7. Концепция атомизма и строение материи

7.1 Понятие материи

7.2 Вещество и поле. Структурные уровни организации материи

7.3 Элементарные частицы и их классификация

7.4 Атомные ядра

7.5 Ядерные реакции. Радиоактивность

7.6 Учение о строении атома

7.7 Атомы

7.8 Молекулы

7.9 Виды веществ и их агрегатное состояние

7.10 Тренировочное задание к разделу 7

7.11 Тестовое задание к разделу 7

 

7.1 Понятие материи

В философии существует категория материи, которая используется для обозначения объективной реальности, существующей независимо от человеческого восприятия.

В физике под термином материяпонимают все виды существования вещества и поля.

Как известно, вещество может находиться в различных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном и плазменном). Изучением свойств вещества в его различных агрегатных состояниях занимаются: физика твердого тела, физика жидкостей и газа, физика плазмы. Свойства и структуру материи на микроскопическом уровне изучают: атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц.

Распределение и структуру материи во Вселенной изучает астрофизика. В настоящее время структура материи известна вплоть до размера частиц порядка d_0 10^-16см. Каково распределение материи во Вселенной? Различают:микромир(d_0 10^-16см), куда входят элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, т.е.микрочастицы;макромир(макромолекулы, кристаллы, жидкости, газы, живые организмы, человек и т.д.), т.е. макротела;мегамир(планеты, звезды, галактики, Вселенная). Например, мы живем на Земле, масса которой составляет m_з= 610²¹т, радиус R_з=6400 км. Солнце - это наша звезда с массой m_c 210²⁷т, с радиусом R_c 6,910⁵км. Расстояние до Солнца примерно 1,510⁸км. Световой луч проходит это расстояние за 499 с. Это расстояние называетсяастрономической единицей (а.е.).Наша звездная система состоит приблизительно из 210¹¹звезд.

Галактика, кроме звезд имеет и другие виды материи (пыль, межзвездный газ, космические лучи, газопылевые туманности с примесью простейших химических элементов и соединений типа CH, NH и H₂O). Средняя плотность диффузного вещества в Галактике составляет 210^-23г/см³, т.е несколько атомов на 1см³.

Для сравнения: в нормальных условиях Земли в 1 см³газа находиться 2,610¹⁹молекул.

Микромир, макромир и мегамир тесно связаны между собой.

7.2 Вещество и поле. Структурные уровни организации материи

Окружающий нас мир есть движущаяся материя. В данном случае под движением материи понимают всякое ее изменение или протекающий в природе процесс.

В классической физике считается, что материя существует в виде вещества и в виде поля, причем эти виды разделены и не переходят друг в друга.

В ядерной физике понятия вещества и полясближаются. Так, например, элементарная частица рассматривается как материализованная доза энергии физического поля.

Опыт многих веков исследования природы утверждает, что материальные тела имеют структуру. Следовательно, главными целями познания являются: анализ этой структуры, т.е. поиск все более мелких структурных единиц вещества - молекул, атомов, электронов, ядер, нуклонов и др.; синтез объектов природы и элементов низших иерархических групп - как и почему нуклоны образуют ядро, электроны - атом, атом - молекулы и т.д.

Самую первую попытку упорядочить окружающий мир предприняли древнегреческие философы-материалисты, которые считали, что все вещества состоят из четырех вечно существующих элементов: земли, воды, воздуха и огня. Большое разнообразие веществ они объясняли разными комбинациями этих четырех элементов. Из единства строения всех веществ делали вывод о возможности их взаимного превращения. Такие взгляды просуществовали до XVII в. и сыграли огромную роль. Утверждая материальность мира, они заложили качественные основы современного учения о разных состояниях веществ и о их атомно-молекулярной структуре.

В XVII в. возродилась (на новом уровне знаний) атомистическая теория, согласно которой каждое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц - атомов материи.

В конце XVII в. ученые впервые узнали, что вода - сложное вещество, состоящее из двух простых веществ - кислорода и водорода. Соответственно, понятие "атомы материи" было разбито на два: молекулы и атомы.

Молекулы - это мельчайшие частицы сложного вещества. Каждое сложное вещество состоит из молекул одного типа.

Атом - мельчайшая частица простого вещества - элемента.

Элементов существует меньше, чем веществ.

В начале XIX в. было известно 50 элементов, а сейчас (вместе с созданными искусственно) - 107. Столько же имеется разных атомов. Углубление знаний о веществе привело к резкому возрастанию числа элементарных частиц. Когда были открыты атомы, им приписали свойства неделимости. И в течение целого столетия ученым казалось, что атомы действительно обладают этим свойством, т.к. во всех взаимодействиях между собой они вели себя как неделимые частицы. В 1911 г. было установлено, что любой атом состоит из ядра и окружающих его электронов.

Первые сведения о структуре ядра были получены в 1919 г., когда в составе ядра открыли протоны. Вначале предполагали (ошибочно), что в составе ядра кроме протонов имеются еще и электроны. Ошибка была исправлена в 1932 г., когда в составе ядра открыли нейтроны. Теперь изучение любого вещества, независимо от его состояния (твердого, жидкого, газообразного) и конкретного вида, в конечном итоге сводится к изучению свойств и взаимодействия трех частиц: протонов, нейтронов и электронов. Любой атом состоит из этих частиц.

Рассмотрим структуру атомного ядра более подробно в свете последних концепций атомистических теорий.