Непрерывное и атомное строение материи

Реферат

по физике

на тему:

«Непрерывное и атомное строение материи»

2009

История вопроса о структуре вещества – одна из наиболее наглядных иллюстраций марксистской концепции науки.

Что является прообразом материи: вода или песок? Так ставили вопрос греческие мыслители. Когда мы рассматриваем стекло, камень, металл, они представляются нам сплошь заполняющими занимаемый ими объем. Взаимная непроницаемость, однородность, сплошность – основные свойства той части пространства, которая занята материей. Непрерывность материи – исходный принцип миропонимания. На нем построен и математический анализ явлений природы – дифференциальное исчисление. Гидродинамика и теория упругости, развитые на протяжении XVIII и XIX вв., дали стройную теорию сплошности твердого и жидкого тела. По их образцу построена теория звуковых, световых и электромагнитных волн, теория электричества и магнетизма. К концу XIX в. физика материи и физика эфира представлялись как теории, описывающие непрерывно заполненное пространство, способное сжиматься в одних местах и расширяться в других, вызывая движение и взаимодействие отдельных своих частей. Идея непрерывности и эволюции нашла свое выражение в известном изречении: «Природа не знает скачков».

Оставались, однако, области, где упорно держались атомные представления, – это учение о газах и химия. Бернулли и Ломоносов еще в XVIII в. объяснили, исходя из представления о газе как о совокупности движущихся частиц, основные законы влияния давления и температуры на объем газа.

Действительно, в противоположность твердым телам газы обнаруживают величайшую взаимную проницаемость, делимость, непонятные в рамках представления о сплошности материи. Во второй половине XIX столетия кинетическая теория газов получила широкое развитие в трудах Максвелла и Больцмана, но она не оказала большого влияния на физику в целом. Здесь до такой степени господствовало упругое сплошное тело и феноменологическая энергетика, что «наиболее последовательный представитель атомизма Больцман в припадке меланхолии повесился в 1906 г., когда его идеи были уже близки к победе.

Первая четверть XX столетия, наоборот, – эпоха безраздельного господства атомизма. Теория броуновского движения Эйнштейна в 1905 г. и ее блестящее подтверждение Перреном в 1907 г., открытие в 1895 г. рентгеновых лучей, привлекшее внимание к прохождению электричества через разреженные газы за счет движения электронов и ионов, электролиз, радиоактивные лучи – все это дало столько доказательств атомной природы материи, что сомнений в ее зернистости не оставалось. Радиоактивное вещество испускает альфа-частички, каждую из которых мы можем отметить по вспышке, вызываемой ею при ударе о флюоресцирующий экран, по разряду, вызываемому в счетчике Гейгера, по тому следу из водяных капелек, который она оставляет, проходя сквозь пересыщенный водяными парами газ. Эти же альфа-частички, пройдя сквозь тонкое стекло запаянной трубки, создают в нем газ – гелий, который известен и в жидком и в твердом состоянии. Можно ли еще сомневаться в том, что этот Гелий состоит из тех частичек-атомов, из которых он был получен, или что радиоактивное вещество заключает в себе те частички, которые выбрасывает? Все показания сходятся: более 20 способов определения числа атомов в теле приводят к совпадающим результатам – в 1 см³ воздуха при нормальном давлении находятся 2.7 · 10¹⁹ молекул.

В 1912 г. открытие Лауэ завершило окончательную победу атомизма. В типичном сплошном твердом теле – кристалле – рентгеновы лучи обнаружили периодическую атомную структуру. Мы не только знаем теперь, сколько атомов в теле, но и непосредственно видим их расположение. Итак, все тела состоят из атомов.

Но что такое атом? К тому времени, когда он завоевал себе признание, он потерял уже прежнее содержание: неделимого последнего элемента строения вещества. Из любого тела могут быть выделены электроны; радиоактивные атомы испускают электроны и альфа-частички. И вот в 1912–1913 гг. ставится и разрешается новая проблема строения самого атома. Модель Резерфорда и Бора рисует атом как подобие Солнечной системы: положительное тяжелое ядро и вращающиеся вокруг него электроны. Мы знаем, какими зарядами они обладают, и знаем их массу, а это синоним энергии. Значит, можно определить степень концентрации заряда в электроне и в ядре, которая придала бы им тот запас энергии, который проявляется в их массе.

Электрон должен иметь размер порядка 2 · 10^-13 см, а ядра различных атомов – от 10^-13 у водорода до 10^-12 у более тяжелых элементов. Весь же атом в целом имеет размер около 10^-8 см. Ядро и несколько десятков окружающих его электронов занимают лишь ничтожные участки объема, предоставленного атому, – 10^-5 частей по размерам и 10^-15 по объему. Итак, атом – пустота, в которой на громадных расстояниях движутся мелкие частицы. Чистый горный воздух гораздо больше заполнен твердыми частицами пыли, чем самое плотное тело веществом – ядрами и электронами.

Казалось, атомизм победил окончательно. Сплошность вытекала из грубости наших методов наблюдения природы. Более тонкие орудия измерения разбили сплошное тело на атомы, а атомы на электроны и протоны, связанные между собою лишь силовыми полями и динамическими взаимодействиями. Какой-нибудь синтез сплошности и прерывности, при