реферат скачать
 

Строение атома. Есть ли предел таблицы Менделеева?

Строение атома. Есть ли предел таблицы Менделеева?

Пермский государственный педагогический университет

Реферат по теме

Эволюция представлений

о строении атома.

Есть ли предел

системе элементов Менделеева?

Выполнил студент 141 группы

Попов Илья

Пермь 2002

ОГЛАВЛЕНИЕ

Возникновение атомистики 3

Атомистика в послеаристотелевскую эпоху 5

Дальнейшее развитие атомистики (XIX в.) 5

Периодический закон. Есть ли граница системы элементов Менделеева? 6

Интерпретация периодического закона 9

Aтом Резерфорда-Бора 10

Модели atоma до бора 10

Открытие атомного ядра 11

Atom бора 13

Возникновение квантовой механики (1925— 1930 гг) 16

Трудности теории бора 16

Идеи де Бройля 18

Открытие спина 18

Список использованной литературы 19

Возникновение атомистики

Вопрос о строении окружающего мира всегда волновал человека. Начало

современной науке о строении вещества было положено в античном мире,

работами древнегреческих ученых разных школ – ионийской, элеатской,

пифагорейской.

Идея первичной материи (праматерии) ионийцев была очень привлекательной и

неоднократно в той или иной форме возрождалась в физике.

Пытливое мышление древних греков построило концепцию элементов, из

которых построена Вселенная. Впервые эта концепция была выдвинута

Эмпедоклом (около 490—430 гг. до н.э.). «Эмпедокл,—говорил греческий

философ и историк науки Тео-Фраст, — предполагает четыре материальных

элемента, а именно: огонь, воздух, воду и землю; эти элементы, будучи

вечными, изменяются по числу и величине путем соединения и разделения.

Существуют два начала, при помощи которых элементы приводятся в движение —

Любовь и Вражда, ибо элементы должны подвергаться двоякому движению, а

именно: то соединению путем Любви, то разделению путем Вражды».

Таким образом, все разнообразие вещей, по Эмпедоклу, обусловлено

сочетанием четырех различных элементов, а причиной изменения в природе

является действие притягательных и отталкивательных сил, которые у

Эмпедокла носят названия—Любовь и Вражда.

Существенно, что Эмпедокл ясно утверждал всеобщее начало сохранения. Его

элементы вечны и неразрушимы. «Ничто не может произойти из ничего, и никак

не может то, что есть, уничтожиться». С этого принципа Эмпедокла и

начинается история законов сохранения, играющих такую фундаментальную роль

в современной физике.

С V в. до н.э. центр греческой науки сконцентрировался в Афинах. Здесь

появились первые научные школы. Здесь учил математик Гиппократ, философ и

физик Анаксагор (около 500—428 гг. до н. э.), создавший учение о «семенах»

всех вещей и движущем начале «нус» (дух), сообщившем элементам материи

вращательное движение, в результате которого образовалась Земля и все вещи.

Анаксагор был современником основателей атомистики Левкиппа и Демокрита

(около 460-370 гг. до н.э.).

Демокрит написал множество произведений по различным отраслям науки:

математике, физике, философии и др. Основные положения теории Демокрита

воспроизводятся во многих современных книгах по физике и философии почти

одними и теми же словами:

1. Из ничего не происходит ничего. Ничто существующее не может быть

разрушено. Все изменения происходят благодаря соединению и разложению

частей.

2. Ничто не совершается случайно, но все совершается по какому-нибудь

основанию и с необходимостью.

3. Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все другое

только воззрение.

4. Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме. В вечном

падении через бесконечное пространство большие, которые падают скорее,

ударяются о меньшие; возникающие из этого боковые движения и вихри служат

началом образования мира. Бесчисленные миры образуются и снова исчезают

одни рядом с другими и одни после других.

5. Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе,

величине, форме и порядке; качественного различия между атомами не

существует. В атоме нет никаких «внутренних состояний»; они действуют друг

на друга только путем давления и удара.

6. Душа состоит из тонких, гладких и круглых атомов, подобных атомам

огня. Эти атомы наиболее подвижны, и движения их, проникающие в тело,

производят все жизненные явления.

Атомное учение, пройдя через века, выдержало ожесточенную борьбу с

идеализмом и стало основой всего современного естествознания.

В учении атомистов играет существенную роль принцип сохранения, который,

как мы видим, был уже у ионийцев. Новым моментом является допущение

пустоты. Ни у ионийцев, ни у пифагорейцев, ни у элеа-тов пустоте нет места.

В системе Демокрита нет места для какого-то «разума», производящего

движение частиц, движение атомов вечно и не нуждается в особом начале.

Движущиеся в пустом бесконечном пространстве атомы, сталкиваясь друг с

другом, производят все вещи и бесчисленные миры. Пустое бесконечное

пространство Демокрита - это совершенно новый элемент картины мира, и его

появление вызвано успехами геометрии.

Сам Демокрит был крупным математиком. В математических доказательствах

Демокрита огромную роль играла атомистика. Атомами линии были точки,

атомами поверхности — линии, атомами объемов—тонкие листки.

Успехи геометрии формировали представление о пустом пространстве,

лишенном каких-либо чувственно осязаемых свойств. Линии, поверхности,

геометрические тела становились абстрактными образами, чистой формой.

Пространство, свойства которого в дальнейшем описал Евклид, является чистой

протяженностью, лишенной материального содержания, и ареной движения

атомов, вместилищем всех тел природы. Согласно учению атомистов бесконечно

пустого пространства и атомов достаточно для описания разнообразных явлений

мира, в том, числе социальных и психических. Учение атомистов—монистическое

учение, по которому материя и движение—основы бытия.

К 431—404 гг. до н.э. наступил упадок Афин и афинской демократии.

Происходили глубокие изменения в идеологии. Материалистическая система

ионийцев и атомистов вытеснилась идеалистической философией Сократа

(469—399 гг. до н.э.) и его ученика Платона (427—347 гг. до н.э.). Общество

ощущало потребность в систематизированном научном знании, и на долю ученика

Платона, знаменитого мыслителя древности Аристотеля выпала задача составить

систематический свод научных знаний своего времени.

Научное наследие Аристотеля огромно. Оно образует полную энциклопедию

научных знаний своего времени. Пожалуй, ни один ученый не оказывал такого

длительного и глубокого влияния на развитие человеческой мысли, как

Аристотель. Его воззрения принимались за истину в течение ряда столетий. В

средневековых европейских университетах естествознание излагалось по

Аристотелю, которого называли предтечей Христа в истолковании природы.

Он признавал объективное существование материального мира и его

познаваемость. Но одновременно он верил в существование богов,

противопоставлял земной и небесный миры, искал высшую цель природы и т. п.

Аристотель был крестным отцом науки о мире. Название его книги,

посвященной исследованию природы («физика»), стало названием физической

науки.

Существенным моментом в представлении Аристотеля о материи является то,

что она сама по себе служит только возможностью возникновения реальной

вещи, некоторым пассивным началом природы. Для того чтобы вещь стала

реальностью, она должна получить форму, которая превращает возможность в

действительность. Всякая вещь есть единство материи и формы, в природе

происходят постоянные переходы материи в форму, формы в материю. Отсюда

возникает учение Аристотеля о четырех действующих причинах: 1)

материальной; 2) формальной; 3) производящей; 4) конечной. Активная

производящая причина есть движение, конечная — цель.

Учение о четырех причинах получило большое распространение в средние

века, став краеугольным камнем схоластики.

В своей «физике» Аристотель подробно разбирает взгляды своих

предшественников — ионийцев, элеатов, Анаксагора, Левкиппа и Демокрита на

первоначала мира. Он критикует воззрения атомистов, признающих пустоту и

бесчисленное множество атомов и миров, так как, по его мнению, эта точка

зрения приводит к логическим противоречиям. Бесконечное мыслимо только в

возможности («потенциальная бесконечность»), реальный мир конечен и

ограничен и построен из конечного числа элементов.

Понятие пустоты, по Аристотелю, также ведет к противоречиям с

действительностью. Правильно подметив, что среда оказывает сопротивление

движению и тем большее, чем она плотнее, Аристотель приходит к выводу, что

бесконечное разреженное пустое пространство приводило бы к бесконечному

движению. Это, по его мнению, невозможно. В отсутствие сопротивления

скорость тела была бы бесконечной, что также невозможно. Любопытно, что

другим аргументом против пустоты является совершенно правильный вывод

Аристотеля об одинаковой скорости падения всех тел в пустоте, равно как и

вывод о бесконечном инерциальном движении. В реальных условиях движение

конечно и тела падают с разной скоростью. Аристотель полагает, что, чем

тяжелее тело, тем быстрее оно падает.

Пустота, невесомость, по Аристотелю, неестественны, невозможны.

Аристотелевский физик—это человек, живущий в воздушной среде на неподвижной

Земле, в поле тяготения этой Земли и не мыслящий мир без этих атрибутов. В

соответствии с повседневными представлениями Аристотель принимает

геоцентрическую систему мира и концепцию ограниченной Вселенной,

расслоенной на сферы движения небесных светил.

Естествознанию предстояло пройти длительный путь поисков и борьбы, чтобы

прийти к иному миропониманию.

Атомистика в послеаристотелевскую эпоху

Войны Александра Македонского изменили лицо древнего мира и привели в

соприкосновение греческую и восточную цивилизации. Из этого контакта возник

сплав культуры, играющий большую роль в мировой истории.

В истории науки и культуры древнего мира начался новый период, получивший

название эллинистического, продолжавшийся от образования эллинистических

государств (конец IV—начало III в. до н.э.).

Последним блестящий представитель афинской науки был Эпикур (341—270 гг.

до н. э.), развивший учение Демокрита о природе.

Учение Эпикура о природе основано на концепции атомов Демокрита, но

несколько отличном. Значителен размах атомной теории. Существованием атомов

Эпикур, а за ним и Лукреций пытаются объяснить все естественные,

психические и социальные явления. Само представление об атомах выводится из

хорошо известных фактов. Так, белье сохнет потому, что под действием солнца

и ветра от него отрываются невидимые частицы воды, рука медной статуи у

городских ворот, к которой прикасаются в поцелуе губы входящих в город,

заметно тоньше по сравнению с другой рукой, так как при поцелуе губы уносят

частицы меди.

Атомы находятся в беспорядочном движении, и Лукреций рисует модель

движения атомов, уподобляя его движению пылинок в солнечном луче,

ворвавшемся в темную комнату. Это первая в истории науки картина

молекулярного движения, написанная древним автором. Само хаотическое

движение атомов Эпикур объясняет иначе, чем Демокрит. Эпикур не признает

различия в скорости падения малых и больших атомов; в пустом пространстве

все частицы движутся с одинаковой скоростью. Но в некоторые моменты

самопроизвольно возникают случайные небольшие отклонения той или иной

частицы от прямолинейного пути. Эти отклонения Эпикур считал необходимыми,

чтобы объяснить свободную волю людей, так что атомы как бы также обладают

некоей «свободой воли».

Гениальные догадки древних атомистов предопределили будущий успех атомной

теории материи.

Атомистика Эпикура — Лукреция продолжала линию научного развития

доаристотелевского периода. Но атомистика послеаристотелевской эпохи носит

и существенно новые черты: она более конкретна, более «физична», чем теория

Аристотеля и атомистика Демокрита. Атомы Демокрита по существу чисто

геометрические образы, они характеризуются только формой и объемом. У

Эпикура и Лукреция атомы обладают весом, плотностью (твердостью) и,

наконец, внутренней способностью к самопроизвольным отклонениям от

прямолинейного движения.

Естествознание в эту эпоху стало переходить из сферы отвлеченного,

философского размышления о природе в сферу конкретных фактов и явлений.

Евклид (жил в III в. до н.э.) подытожил и систематизировал математические

знания своих предшественников, из коих его учителем был знаменитый ученый

Евдокс Книдский. «Начала» Евклида представляют собой изложение той

геометрии, которая известна и поныне под названием евклидовой геометрии.

Евклидово пространство пустое, безграничное, изотропное, имеющее три

измерения. Евклид придал математическую определенность атомистической идее

пустого пространства, в котором движутся атомы. Простейшим геометрическим

объектом у Евклида является точка, которую он определяет как то, что не

имеет частей. Другими словами, точка— это неделимый атом пространства.

Дальнейшее развитие атомистики (XIX в.)

Всеобъемлемость принципов термодинамики, открытых и разработанных к этому

времени и, в частности, второго начала, заставляла физиков-теоретиков

искать причины универсальной мощи термодинамики.

В результате в науке возникли два направления: феноменологическое и

атомистическое. Феноменологическое направление не считало необходимым

искать более глубоких причин физических процессов, оно ограничивало задачу

изучения природы описанием явлений на основе экспериментально установленных

принципов. Энергетики Гельм, Оствальд и другие считали энергию основным

понятием науки, а такие понятия, как «материя», «сила», производными и даже

излишними.

Что касается представления об атомах и молекулах, то энергетики, а также

венский физик Эрнст Мах, один из видных сторонников феноменологического

направления, считали эти представления продуктами чистой фантазии,

аналогичными представлениям о ведьмах и привидениях.

Однако такие видные представители науки, как Клаузиус, Максвелл, а затем

Больцман, с успехом разрабатывали молекулярно-кинетическую теорию.

Максвелл, Клаузиус, Больцман, Гиббс, развивая физическую атомистику,

искали законы, управляющие поведением коллектива атомов и молекул, делая по

возможности простые гипотезы о строении самих атомов. В XIX в. единственным

средством наблюдать взаимодействия атомов и определять их индивидуальные

особенности были химические реакции. Именно в недрах химической атомистики

родилась первая гипотеза о строении всех атомов из атомов водорода (Проут,

1815).

В 1859 г. было сделано важное открытие в оптике, физик Густав Кирхгос

(1824-1887) и химик Роберт Бунзен (1811—1899) открыли спектральный анализ,

давший в руки химикам новое мощное средство исследования.

Периодический закон. Есть ли граница системы элементов Менделеева?

В 1869 г. уже было известно 63 химических элемента. В этом же году

Д.И.Менделеев открыл фундаментальный закон распределения элементов в

систему, которую он назвал периодической системой химических элементов.

До этого на протяжении более ста лет в научном мире господствовала

картина мира, которую вполне выразил 1808 году своим трудом «Новая система

химической философии» Джон Дальтон.

Уже было известно, что водород, кислород, сера и другие вещества –

простые тела состоят из атомов одного сорта, а вода, аммиак, углекислый газ

и др. – сложные, созданы комбинацией атомов разных веществ. Это вполне

подтверждалось опытами того времени.

Химические реакции, по Дальтону, заключаются в том, что атомы вступают

друг с другом в разные комбинации, образуя «сложные атомы» (молекулы),

затем эти молекулы распадаются, образуются новые молекулы и т. д., подобно

тому как танцоры, переходя от одного танца к другому; образуют новые

комбинации. Но сами атомы при этом остаются неизменными и вечными: меняется

только их распределение.

«Каждая частица воды,— говорит Дальтон в своей „Химической философии",— в

точности похожа на любую другую частицу воды; каждая частица водорода в

точности похожа на любую другую частицу водорода и т. д. Химическое

разложение и химическое соединение означают лишь то, что атомы удаляются

друг от друга или же снова сцепляются вместе. Но химик не способен

уничтожить материю или создать ее вновь. Пытаться создать или уничтожить

хотя бы один атом водорода так же безнадежно, как пытаться прибавить еще

одну планету к Солнечной системе или уничтожить какую-нибудь из

существующих планет. Все, что мы можем сделать,— это разъединить атомы,

соединившиеся или сцепившиеся друг с другом, или же соединить те атомы,

которые сейчас находятся на большом расстоянии друг от друга».

«Химическая философия», изложенная в этих строках Дальтона, действительно

стала философией целого ряда поколений химиков и физиков. Невозможность

создания хотя бы одного нового атома данного химического элемента,

невозможность превращения одних атомов в другие — все это было необходимым

выводом из всего огромного опытного материала, на котором основывалась

научная химия.

В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году

писал, что хотя атомы остаются неизменными при всех химических явлениях, но

тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с

помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить

одни атомы в другие.

Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантазией: ни один химический

факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать

друг в друга.

В 1816 грду неожиданно нашелся один сторонник Бойля, пытавшийся

подтвердить ее фактами. Это был Уильям Праут, который напечатал в журнале

«Философские анналы» статью, где обращал особенное внимание на тот факт,

Страницы: 1, 2, 3


ИНТЕРЕСНОЕ



© 2009 Все права защищены.