КОРПУСКУЛЯРНАЯ И КОНТИНУАЛЬНАЯ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ
CORPUSCULAR AND CONTINUOUS CONCEPT DESCRIPTION OF NATURE
Семёнов А.Г., Френкель Е.Э.
Военный институт материального обеспечения
Содержание
Введение
1. Атомизм древности
2. Механистический атомизм
3. Сокрушительный удар по принципам механицизма
4. Предпосылки для создания более высокого уровня развития атомизма
5. Квантовая теория строения атома
6. Существенные особенности атомизма XX в.
7. Континуальная концепция
8. Корпускулярно-волновой дуализм
9. Корпускулярная и волновая концепции света
10. Элементарные частицы
Заключение
Литература
Введение
Одним из наиболее важных и существенных вопросов как философии, так и естествознания является проблема материи. Представления о строении материи находят свое выражение в борьбе двух концепций: прерывности (дискретности) - корпускулярная концепция, и непрерывности (континуальности) -- континуальная концепция. С ними тесно связаны проблемы взаимодействия материальных объектов, которые проявлялись как концепция дальнодействия (передача действия без физической среды) и концепция близкодействия (передача действия от точки к точке).
Концепция прерывности была создана И. Ньютоном. Подход Ньютона определил исходное положение атомизма, который основывался на признании дальнодействующих сил.
В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчайших частиц - атомов. До конца XIX в. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что материя состоит из отдельных неделимых частиц - атомов. С точки зрения современного атомизма, электроны - «атомы» электричества, фотоны - «атомы» света и т.д.
Концепция атомизма, впервые предложенная древнегреческим философом Левкиппом в V в. до н.э., развитая его учеником Демокритом и затем древнегреческим философом-материалистом Эпикуром (341-270 до н.э.) и запечатлённая в замечательной поэме «О природе вещей» римского поэта и философа Лукреция Кара Тит Лукреций Карм (лат. Titus Lucretius Carus, очень часто просто Лукрецийм , ок. 99 до н.э. -- 55 до н.э.) -- римский поэт и философ. Считается одним из ярчайших приверженцев атомистического материализма, последователем учения Эпикура. (I в. до н.э.), вплоть до 20-го столетия оставалось умозрительной гипотезой, хотя и подтверждаемой косвенно некоторыми экспериментальными доказательствами (например, броуновским движением, законом Авогадро и др.).
Многие ведущие физики и химики даже в конце XIX в. не верили в реальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц - молекулы.
Реальное существование молекул было окончательно подтверждено в 1906 г. опытами французского физика Жана Перрена Жан Батимст Перремн (фр. Jean Baptiste Perrin; 30 сентября 1870, Лилль, Франция -- 17 апреля 1942, НьюЙорк, США) -- французский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1926 года «за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия». (1870-1942) по изучению закономерностей броуновского Движения. В современном представлении молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединённых между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н2, О2, НF, КСl) до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), её называют макромолекулой.
Атом - составная часть молекулы, в переводе с греческого означает «неделимый». Действительно, вплоть до конца XIX в. неделимость атома не вызывала серьёзных возражений. Однако физические опыты конца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон Сэр Джомзеф Джон Томмсон (18 декабря 1856 -- 30 августа 1940) - английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года с формулировкой «за исследования прохождения электричества через газы». (1856-1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав электронной оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 предложил одну из первых моделей атома.
1. Атомизм древности
В натурфилософии выделяется материалистическая направленность выдающихся мыслителей древности. Атомизм, основу которого представляла проблема материи, упоминается в учении о частицах, созданном Анаксагором в V в. до н.э; нашёл своё отражение в трудах видных представителей атомизма древности Демокрита и Левкиппа. Из вихря атомов, по Демокриту Демокримт Абдерский (Дзµьксйфпт; ок. 460 до н. э., Абдеры -- ок. 370 до н. э.) -- древнегреческий философ, предположительно ученик Левкиппа, один из основателей атомистики и материалистической философии. , образуются как отдельные тела, так и бесчисленные миры; последователями этих учений были Эпикур и Лукреций. Древнегреческий поэт и философ Лукреций, популяризатор учения Эпикура, создал дидактическую поэму «О природе вещей», - единственное полностью сохранившееся систематическое изложение материалистической философии древности. Философия Эпикура явилась высшим этапом развития атомистического материализма и завершением материалистических воззрений древнегреческой философии.
Общая тенденция атомистики выражалась в стремлении свести всё многообразие свойств материальных объектов к ограниченному числу исходных объективных свойств и закономерностей элементарных материальных частиц.
Основополагающими признаками атомистики явились:
неизменность атомов (т.е. несотворимость и неуничтожимость материи); противопоставление атомов пустому пространству (признание объективности пространства и движения).
2. Механистический атомизм
Классическая механика XVII-XVIII в. явилась дальнейшей разработкой атомистики. И. Ньютон Сэр Исаамк Ньюмтон (или Ньютомн) (англ. Isaac Newton, 25 декабря 1642 года -- 20 марта 1727 года по юлианскому календарю, действовавшему в Англии до 1752 года; или 4 января 1643 года -- 31 марта 1727 года по григорианскому календарю) -- английский физик, математик, механик и астроном, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисления, теорию цвета, заложил основы современной физической оптики, создал многие другие. в 1672-1676 г. распространил атомистику на световые явления и создал корпускулярную теорию света.
Свет он считал потоком корпускул (частиц), однако на разных этапах рассматривал и возможность существования волновых свойств света, в частности, в 1675 г. предпринял попытку создать компромиссную корпускулярно-волновую природу света. По своему мировоззрению И. Ньютон был вторым после Р. Декарта великим представителем механистического материализма в естествознании XVII-XVIII в. Р. Декарт стремился построить общую картину природы, в которой все явления природы объяснялись как результат движения больших и малых частиц, образованных из единой материи.
Недостатки механистической атомистики:
отсутствие достоверного экспериментального материала; не являлась достаточно обоснованной естественнонаучной теорией; атомы рассматривались как частицы, лишённые возможности превращения; единственной формой движения принималось механическое движение;
стремилась все явления природы рассматривать как модификацию механического движения.
3. Сокрушительный удар по принципам механицизма
Сокрушительный удар по принципам механицизма был нанесен открытиями XIX--XX в.: открытием рентгеновских лучей и радиоактивного излучения в 1896 г. А. Беккерелем и исследованием его в 1898 г. П. Кюри и М. Склодовской-Кюри. Радиоактивный распад показал, что радиоактивность не связана с внешними, механическими воздействиями, а определяется внутренними процессами, проявляющимися в виде статистических закономерностей; созданием теории электромагнитного поля Дж. Максвеллом (1860-1865); открытием явления электромагнитной индукции М. Фарадеем (1831 г.).
Ньютоновская теория дальнодействия и его схема мира господствовали до начала XX в. М. Фарадей и Дж. Максвелл впервые обнаружили её непригодность и неприменимость к электромагнитным явлениям; экспериментальным доказательством делимости атомов и открытием электрона английским физиком Дж. Дж. Томсоном (1897 г.), за что он был удостоен Нобелевской премии в 1906 г. В 1903 г. им была предложена одна из первых моделей атома, согласно которой атом представлял собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в неё электронами (подобно булке с изюмом). В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд Сэр Эрнемст Резерфомрд (англ. Ernest Rutherford; 30 августа 1871, Спринг Грув, Новая Зеландия -- 19 октября 1937, Кембридж) -- британский физик новозеландского происхождения. Известен как «отец» ядерной физики. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года. В 1911 году своим знаменитым опытом рассеяния альфачастиц доказал существование в атомах положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. На основе результатов опыта создал планетарную модель атома. , проводил опыты по рассеянию альфа-частиц атомами различных элементов, установил наличие в атоме плотного ядра диаметром около 10-12 см, заряженного положительно, и предложил для объяснения этих экспериментов планетарную модель атома. Модель подчинялась классической механике (движение ядра и электронов) и классической электродинамике (взаимодействие частиц). Электроны в этой модели, подобно планетам Солнечной системы, вращались вокруг ядра. Состояние атомов в классической физике определяется заданием координаты и скорости его составных частиц, т. е. можно получить мгновенный снимок его строения. Однако это противоречило экспериментальным данным.
4. Предпосылки для создания более высокого уровня развития атомизма
Противоречия между существовавшими представлениями классической физики и экспериментальными данными, полученными Э. Резерфордом, были решены в 1913 г. датским ученым Н. Бором Нильс Хемнрик Давимд Бор (дат. Niels Henrik David Bohr [nels ?b?o???]; 7 октября 1885, Копенгаген - 18 ноября 1962, Копенгаген) - датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Член Датского королевского общества (1917) и его президент с 1939 года. Был членом более чем 20 академий наук мира, в том числе иностранным почётным членом Академии наук СССР (1929; членом-корреспондентом -- с 1924). Бор известен как создатель первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики. Он также внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой. , который сделал вывод о необходимости принятия принципиально новой теории - квантовой - для построения модели атома. Применимость квантовых представлений и разработка квантовой теории Н. Бором создали возможность систематизировать и объяснить огромный экспериментальный материал. Постулаты Бора правильно отражали закономерности движения частиц и давали возможность подойти к раскрытию внутренних процессов атома. Однако у теории Бора были недостатки:
1. Постулаты Бора являлись гениальной догадкой.
2. Рассматривая орбиты, Бор пользовался методами классической физики, а объяснял излучение с квантовой точки зрения, т.е. использовал как классические, так и квантовые представления.
3. Постулаты были промежуточной фазой между классической и квантовой механикой, которая была сформирована в 20-х г. XX в.
Значение теории Бора: показала неправомерность абсолютизации классических принципов в физике; вскрыла ограниченность ньютоновских представлений; убедила научный мир в том, что господствующая физическая теория дает приблизительное, относительно верное описание явлений действительности и в процессе развития науки будет неизменно обогащаться, уточняться, полнее отражать действительность, способствуя созданию более последовательных фундаментальных теорий.
Это не означает, что отжившая теория теряет всякую научную ценность. Возникшая новая теория определяет границы применимости старой теории, т.е. указывает рамки её применимости, использования и получения значительного научного эффекта.
Все это относится к теории Бора, так как она создала предпосылки для создания нового, более высокого уровня развития атомизма - квантовой теории атомных процессов.
5. Квантовая теория строения атома
Квантовая теория строения атома - это определённый раздел квантовой механики, объясняющий разнообразие свойств мельчайших частиц вещества. Основоположники ее - австрийский физик-теоретик Э. Шрёдингер8, французский физик Л. де Бройль Луи Виктор Пьер Раймон, 7-й герцог Брольи, более известный как Луи де Бройль (фр. Louis-Victor-PierreRaymond, 7иme duc de Broglie, Louis de Broglie; 15 августа 1892, Дьеп -- 19 марта 1987, Лувесьен) -- французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике за 1929 год, член Французской академии наук (с 1933 года) и её непременный секретарь (с 1942 года), член Французской академии (с 1944 года). Луи де Бройль является автором работ по фундаментальным проблемам квантовой теории. Ему принадлежит гипотеза о волновых свойствах материальных частиц (волны де Бройля, или волны материи), положившая начало развитию волновой механики. Он предложил оригинальную интерпретацию квантовой механики (теория волны-пилота, теория двойного решения), развивал релятивистскую теорию частиц с произвольным спином, в частности фотонов (нейтринная теория света), занимался вопросами радиофизики, классической и квантовой теориями поля, термодинамики и других разделов физики. и немецкий физик-теоретик В. Гейзенберг Вернер Карл Гем мйзенберг (нем. Werner Karl Heisenberg, правильное произношение на МФА - [?ha?z?nb???k]; 5 декабря 1901, Вюрцбург -- 1 февраля 1976, Мюнхен) -- немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике (1932), член ряда академий и научных обществ мира. Гейзенберг является автором ряда фундаментальных результатов в квантовой теории: он заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределённостей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочим. В дальнейшем активно участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга -- Паули) и квантовой теории поля (теория Sматрицы), в последние десятилетия жизни предпринимал попытки создания единой теории поля. Гейзенбергу принадлежит одна из первых квантовомеханических теорий ядерных сил; во время Второй мировой войны он был ведущим теоретиком немецкого ядерного проекта. Ряд работ посвящён также физике космических лучей, теории турбулентности, философским проблемам естествознания. Гейзенберг сыграл большую роль в организации научных исследований в послевоенной Германии. - показали наличие у микрочастиц ряда новых особенностей, которые определяли характер современного атомизма: