Пригодилось? Поделись!

Концепція атомізму й елементарні частки. Пізнання речовин і хімічні системи

Концепція атомізму й елœементарні частки. Пізнання речовин і

хімічні системи

Уявлення про неподільні дрібні частки матерії, що виникло ще в далекій давнині, супроводжувало розвиток поглядів на природу протягом всієї їхньої історії. Уперше поняття про атом як останній і неподільній частці тіла виникло в античній Греції в рамках натурфілософського навчання школи Демокрита͵ відповідно до якого у світі існують тільки атоми, які рухаються в порожнечі. Різні комбінації атомів утворюють найрізноманітніші видимі тіла. Звичайно, ця гіпотеза не ґрунтувалася на яких-небудь емпіричних даних і була лише геніальним здогадом, але проте вона визначила на сторіччя вперед весь подальший розвиток природознавства. І хоча зараз ми знаємо, що атом зовсім не є останньою й неподільною часткою матерії й має складну будову, всœе-таки тенденція до пошуку останніх елœементарних часток, з яких побудоване вся світобудова, продовжує існувати в нових формах атомістичної концепції.

Ця концепція, як ми вже відзначали вище, безсумнівно має величезні можливості для пояснення властивостей складних систем за допомогою властивостей більше простих елœементів і часток. Однак таке пояснення досягається, як легко помітити, за допомогою редукції, т. е відомості складного до простого, і тому важко погодитися з ідеєю, що всœе різноманіття складного і якісно різноманітного миру може бути зведене до деяких властивостей невеликого числа простих, елœементарних часток.

Революція в природознавстві й виникнення вчення про будову

атома

Гіпотеза про атоми як неподільних частках речовини була відроджена в природознавстві й насамперед у фізику й хімії для пояснення таких емпіричних законів, як закони Бойля-Маріота й Гей-Люссака для ідеальних газів, теплового розширення тіл і різних хімічних законів. Справді, закон Бойля - Маріотта затверджує, що об'єм газу дорівнюється пропорційно його тиску, але не пояснює чому. Аналогічно цьому при нагріванні тіла його розміри збільшуються, але емпіричний закон теплового розширення не пояснює причину такого розширення.

Очевидно, що для такого пояснення необхідно вийти за рамки спостережуваних залежностей, які виражаються в емпіричних законах, і звернутися до теоретичних гіпотез і законів. На відміну від емпіричних законів вони містять поняття й величини, що ставляться до неспостережуваних об'єктів. Саме такими об'єктами є атоми, а також утворені з них молекули. За допомогою атомів і молекул у кінетичній теорії речовини переконливо пояснюються всі перераховані й інші відомі емпіричні закони. Дійсно, щоб відповістити на запитання: чому об'єм газу збільшується вдвічі, коли його тиск зменшується на стільки ж, ми уявляємо собі газ, що складається з величезного числа атомів або молекул, що рухаються безладно в різних напрямках і з різною швидкістю. Безпосœередньо спостережуване й вимірюване зменшення тиск газу ми витлумачуємо як збільшення вільного пробігу тридцятилітніх його атомів і молекул, внаслідок чого зростає об'єм, займаний газом. Аналогічно цьому розширення тіл при нагріванні пояснюють зростанням середньої швидкості молекул, що рухаються.

Таким чином, властивості спостережуваних нами тіл і законів їхнього поводження ми пояснюємо за допомогою простих властивостей невидимих атомів і молекул. При цьому властивості більше складних утворень, якими є молекули, пояснюються також за допомогою атомів, так що атоми виявляються останніми, далі нерозкладними частками речовини, а точніше, хімічних елœементів. Тому атом у хімії звичайно визначають як найменшу частину або одиницю хімічного елœемента.

Пояснення, при яких властивості складних речовин або тіл намагаються звести до властивостей більше простих їхніх елœементів або складових частин, називають редукціонистськими. Такий спосіб аналізу сприяв великому прогресу в розвитку природознавства. З його допомогою вдалося пояснити не тільки властивості численних тіл і явищ, але й емпіричних законів, які управляють ними.

Однак спроба відомості всіх різноманітних і складних властивостей і закономірностей тіл і явищ навколишнього світу до більше простого навряд чи могла вважатися успішної, хоча б тому, що на кожному рівні пізнання розкривалися нові границі й перебували нові неподільні останні частки матерії. Аж до кінця минулого століття такою часткою вважався атом, але найбільші відкриття у фізику привели до відмови від такої точки зору. Серед цих відкриттів слід зазначити, по-перше, виявлення явищ природної радіоактивності таких хімічних елœементів, як радій і уран. Виявилося, що ці елœементи в природних умовах випускають специфічні радіоактивні промені й у результаті перетворюються в інші хімічні елœементи, а в остаточному підсумку - у свинœець. Саме так витлумачили радіоактивні перетворення англійські фізики Ернест Резерфорд (1871-1937) і Фредерик Содді (1877-1956). Звідси безпосœередньо випливало, що атоми зовсім не є незмінними, неподільними й останніми цеглинками світобудови. Незабаром після радіоактивності була відкрита дрібна частка елœектрики - елœектрон. В 1913 р. Э. Резерфорд, досліджуючи розсіювання а-часток атомами важких елœементів, показав, що основна частина маси атома зосœереджена в його центральній частині - ядрі, тому що від нього х-частки проходять безперешкодно. Ґрунтуючись на цих експериментах, він запропонував планетарну модель атома, відповідно до якої навколо масивного ядра обертаються по своїх орбітах негативно заряджені елœектрони.

Згодом ця модель була значно модифікована відомим датським фізиком Нільсом Бором (1885-1962) і іншими вченими. Виявилося, що елœектрони не можуть обертатися по будь-яких орбітах, а тільки по стаціонарним, тому що в противному випадку вони б безупинно випромінювали енергію й упали б на ядро, і атом мимовільно зруйнувався. Нічого подібного, однак, не спостерігається, тому що атоми є досить стійкими утвореннями. Всі ці й пов'язані з ними революційні відкриття неможливо було зрозуміти й пояснити з погляду старої, класичної фізики, і тому на початку чимало вчених уважали, що вони не тільки підривають матеріалістичний погляд на природу, але й заперечують об'єктивний зміст фізичної науки. Якщо колишні поняття й принципи цієї науки міняються, то, отже, у них не втримується ніякої істини. Так сприйняли нові відкриття у фізику деякі вчені. Відповідно одна частина вчених стала розглядати наукові істини просто як умовні угоди, прийняті з метою узагальнення емпіричного матеріалу, інша - як корисні інструменти для пророкувань, третя - як засобу для «економії мислення».

Таким чином, з відносності наукових істин, з того, що вони неповно, не цілком вірно, а лише приблизно відбивають властивості й закономірності природи, був зроблений зовсім помилковий висновок, що вони взагалі не є об'єктивними істинами, тобто знання, що втримується в них, не залежить від людини. Все це породило кризу у фізику наприкінці XIX початку XX ст., вихід з якого випливало шукати в переході від старих понять і принципів класичної фізики, виявилися неадекватними для вивчення властивостей матерії на атомному рівні, до нових понять і теорій, які б вірно відбивали ці властивості й закономірності.

Такою новою фундаментальною теорією, як ми бачили, стала квантова механіка, що ввела зовсім невідомі для класичної фізики принципи дуалізму хвилі й частки, невизначеності (неточності) і додатковості, а замість універсальних законів колишньої фізики стала широко застосовувати статистичні закони й імовірнісні методи дослідження.

Подальший розвиток концепції атомізму

Після того, коли фізики встановили, що атом не є останньою цеглинкою світобудови й сам він побудований з більше простих, елœементарних часток, ідея пошуку таких часток зайняла головне місце в їхніх дослідженнях. Як і раніше думка фізиків була спрямована на те, щоб звести всœе різноманіття складних властивостей тіл і явищ природи до простих властивостей невеликого числа первинних, фундаментальних часток, які згодом були названі елœементарними. У точному значенні слова такі частки не повинні містити в собі які-небудь інші елœементи. Однак у звичайному вживанні фізики називають елœементарними такої частки, які не є атомами або атомними ядрами, за винятком протона й нейтрона. Найбільш відомими елœементарними частками є елœектрон, фотон, пі-мезони, мюони, важкі лептони й нейтрино. Пізніше були відкриті частки з досить екзотичними назвами: дивні частки, мезони зі схованим «зачаруванням» зачаровані частки, іпсилон - частки, різноманітні резонансні частки й багато хто інші. Загальне їхнє число перевищує 350. Тому навряд чи всі такі частки можна назвати справді елœементарними, не утримуючих інших елœементів. Це переконання підсилюється у зв'язку з гіпотезою про існування кварків, з яких, по припущенню, побудовані всі відомі елœементарні частки.

Очевидно, всі частки, які в цей час уважаються елœементарними, є специфічними формами існування матерії, які не об'єднані в ядра й атоми, внаслідок чого їх часто називають суб’ядерними частками.

Історично елœектрон був першою елœементарною часткою, відкритої ще наприкінці минулого століття відомим англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном (1856-1940). В 1919 р. Э. Резерфорд, бомбардуючи атоми х-частками, відкрив протони. На початку століття був відкритий фотон, в1932р. така незвичайна частка, як позбавлений заряду нейтрон, через чотири роки - перша античастинка - позитрон, що по масі дорівнює елœектрону, але має позитивний заряд. Надалі при дослідженні космічних променів були виявлені багато інших елœементарних часток, зокрема мюони й різні типи мезонів.

З початку 50-х років основним засобом відкриття й дослідження елœементарних часток стали прискорювачі заряджених часток. З їхньою допомогою вдалося відкрити такі античастинки, як антипротон і антинœейтрон. Відтоді фізики стали висувати гіпотези про існування антиречовинного й навіть антиматеріального миру. В 1970 і 1980-е роки потік відкриттів нових елœементарних часток підсилився, і вчені заговорили навіть про сімейства елœементарних часток, які назвали «дивними», «зачарованими» і «гарними».

Одна з характерних рис елœементарних часток полягає в тому, що вони мають украй незначні маси й розміри. Маса більшості з них - порядку маси протона, тобто 1,6 * 10 - 24 ᴦ.. Інша їхня властивість полягає в здатності народжуватися й знищуватися, тобто випускатися й поглинатися при взаємодії з іншими частками. Ми вже наводили приклад перетворення пари елœектрон і позитрон у два фотони:

е\ - + e\+ :>2гама.

Подібного ж взаємоперетворення відбуваються й з іншими елœементарними частками, тому термін «аннігіляція», що означає буквальні зникнення або перетворення в ніщо, не зовсім підходить для характеристики взаємоперетворення елœементарних часток. По інтенсивності, з якої відбуваються взаємодії між елœементарними частками, їх ділять на сильне, елœектромагнітне, слабке й гравітаційне.

Сильна взаємодія є найбільш інтенсивним і саме воно обумовлює зв'язок між протонами й нейтронами в атомних ядрах.

Електромагнітна взаємодія менш інтенсивно за своїм характером і визначає специфіку зв'язку між елœектронами і ядрами в атомі, а також між атомами в молекулі.

Слабка взаємодія - найменш інтенсивно, вона викликає повільно, що протікають процеси, з елœементарними частками, зокрема розпад так званих квазічасток.

Гравітаційна взаємодія відбувається на надзвичайно коротких відстанях і внаслідок крайньої малості мас часток дає досить малі ефекти, але його сила значно зростає при взаємодії більших мас.

Наведена класифікація взаємодій має відносний характер, тому що істотно залежить від енергії часток. У всякому разі вона ставиться лише до взаємодії часток, що володіють не занадто великою енергією.

По типі взаємодії, у якому беруть участь елœементарні частки, всі вони, за винятком фотона, можуть бути віднесені до двох груп.

- До першого ставляться адрони, для яких характерне наявність сильної взаємодії, але вони можуть брати участь також в елœектромагнітній і слабкій взаємодіях.

- До другої групи належать лептони, що беруть участь тільки в елœектромагнітній і слабкій взаємодіях.

Крім загальних групових характеристик, елœементарні частки мають також специфічні, індивідуальні ознаки, які характеризуються їхніми квантовими числами. До них відносять масу частки, час її життя, спин і елœектричний заряд. По масі частки діляться на важкі, проміжні й легені. За часом життя розрізняють стабільні, квазістабільні й нестабільні частки. До стабільних часток відносять елœектрон, протон, фотон і нейтрино. Квазістабільні частки розпадаються внаслідок елœектромагнітної й слабкої взаємодії. Нестабільні частки розпадаються за рахунок сильної взаємодії. Спин характеризує власний момент кількості руху частки й виміряється цілим або напівцілим значенням, кратним постійної Планка. Так, у протона й елœектрона він дорівнює 1/2, а у фотона 0. Електричні заряди елœементарних часток є кратними найменшого заряду, властивому елœектрону.

Кваркова модель адронів

Велика кількість елœементарних часток і особливо адронів уже на початку 1950-х років спонукала фізиків зайнятися пошуком закономірностей у розподілі їхніх мас і інших квантових чисел. Ці пошуки привели американського фізика М. Гелл-Мана (р. 1929) до гіпотези, що всі адрони є комбінаціями кварків.

За сучасними уявленнями кварки - гіпотетичні матеріальні об'єкти, з яких складаються всі адрони, т. е частки, що беруть участь у сильній взаємодії. До них ставляться всі мезони й баріони, а також численні нестабільні (резонансні) елœементарні частки. Відповідно до нової гіпотези, мезони складаються із кварка й антикварки, баріони (важкі частки, такі, як протон, нейтрон і їм подібні) - із трьох кварків. Гіпотеза кварків стала необхідної для пояснення динаміки різних процесів, у яких беруть участь адрони. Але хоча вона теоретично необхідна, ніякого експериментального підтвердження, незважаючи на численні пошуки за допомогою прискорювачів високих енергій, у космічних променях і навколишнім середовищі, їх не було знайдено. Це змусило фізиків припустити, що тут ми зустрічаємося із принципово новим явищем природи, що називають утриманням кварків. Однак ця думка не є загальноприйнятим і стикається з різними запереченнями.

На шляху створення несуперечливої теорії елœементарних часток виникає чимало труднощів, зв'язаних, наприклад, з одержанням нескінченно великого значення для деяких фізичних величин, неясністю механізму визначення маси «щирих» елœементарних часток і рядом інших проблем. В останні роки намітилася тенденція подолання цих труднощів шляхом відмови від Уявлення про елœементарні частки як про крапкові утворення й визнання їхньої кінцевої довжини, а також прийняття нової геометрії на досить малих відстанях. Очевидно перспективним є також облік впливу гравітації на таких відстанях. Нові шляхи дослідження відкриваються також включенням гравітаційної взаємодії в загальну структуру взаємодії елœементарних часток.

Атомістична концепція опирається на уявлення про дискретну будову матерії, відповідно до якого пояснення властивостей фізичного тіла можна в остаточному підсумку звести до властивостей тридцятилітніх його дрібних часток, які на певному етапі пізнання вважаються неподільними. Історично такими частками спочатку визнавалися атоми, потім елœементарні частки, тепер кварки. Труднощі, які виникають при такому підході, із загальної, світоглядної точки зору зв'язані, по-перше, з абсолютизацією аспекту дискретності, необмеженої подільності матерії, по-друге, з повною редукцією складного до простого, при якій не враховуються якісні розходження між ними.

Тому з філософської точки зору особливо цікавими представляються нові підходи до вивчення будови матерії, які ґрунтуються не на пошуку останніх, неподільних і фундаментальних її часток, а скоріше на виявленні їхніх внутрішніх зв'язків для пояснення цілісних властивостей інших матеріальних утворень. Така точка зору висловлювалася ще В. Гейзенбергом (1901-1976), але поки не одержала подальшого розвитку. Очевидно, на об'єднанні концепцій атомізму й дискретності, з одного боку, і безперервності, цілісності й системного підходу - з інший, варто чекати подальшого прогресу в пізнанні фундаментальних фізичних властивостей матерії. У всякому разі редукціонистська тенденція, пов'язана зі спробами відомості властивостей і закономірностей різноманітних складних об'єктів і явищ до простих властивостей тридцятилітніх їхніх елœементів, у цей час натрапляє на серйозні труднощі, подолання яких можливо шляхом пошуку альтернативних шляхів дослідження.

Концептуальні рівні в пізнанні речовин і хімічні системи

Хімію звичайно розглядали як науку про сполуку і якісне перетворення різних речовин. На початку саме по сполуці реагуючих речовин намагалися пояснити властивості отриманих нових речовин. Уже на цьому етапі вчені зустрілися з величезними труднощами. Адже для того, щоб зрозуміти, які саме первісні елœементи визначають властивості простих і складних речовин, треба, по-перше, уміти розрізняти прості й складні речовини, а по-друге, визначити ті елœементи, від яких залежать їхньої властивості. Тим часом довгий час учені вважали, наприклад, метали складними речовинами, а про елœементи існували самі суперечливі уявлення. Тому, незважаючи на достаток емпіричного матеріалу про властивості різних речовин і їхніх сполук, особливостях протікання різноманітних реакцій, у хімії, по суті справи, до відкриття в 1869 р. періодичної системи хімічних елœементів Дмитра Івановича Менделєєва (1834-1907) не існувало тієї об'єднуючої концепції, за допомогою якої можна було б пояснити весь накопичений фактичний матеріал, а отже, представити всœе наявне знання як систему теоретичної хімії.

Було б, однак, неправильно не враховувати тієї величезної дослідницької роботи, що привела до твердження системного погляду на хімічні знання. Уже з перших кроків хіміки на інтуїтивному й емпіричному рівні зрозуміли, що властивості простих речовин і хімічній сполуці залежать від тих незмінних початків або носіїв, які згодом стали називати елœементами. Виявлення й аналіз цих елœементів, розкриття зв'язку між ними й властивостями речовин охоплює значний період в історії хімії, починаючи від гіпотези Роберта Бойля (1627-1691) і кінчаючи сучасними уявленнями про хімічні елœементи як різновидах ізотопів, тобто атомів, що володіють однаковим зарядом ядра й відрізняються по масі. Цей перший концептуальний рівень можна назвати дослідженням різних властивостей речовин залежно від їхнього хімічного складу, обумовленого їхніми елœементами. Тут ми бачимо разючу аналогію з тією концепцією атомізму, про яку йшла мова в попередній главі. Хіміки, як і фізики, шукали ту первісну основу або елœемент, за допомогою яких намагалися пояснити властивості всіх простих і складних речовин.

Другий концептуальний рівень пізнання властивостей пов'язаний з дослідженням структури, т.ч. способу взаємодії елœементів речовин. Експеримент і виробнича практика переконливо доводили, що властивості отриманих у результаті хімічних реакцій речовин залежать не тільки від елœементів, але й від взаємозв'язку й взаємодії елœементів у процесі реакції. Саме тому в процесі пізнання й використання хімічних явищ необхідно було враховувати їхню структуру, тобто характер взаємодії складених елœементів речовини.

Третій рівень пізнання являє собою дослідження внутрішніх механізмів і умов протікання хімічних процесів, таких, як температура, тиск, швидкість протікання реакцій і деякі інше. Всі ці фактори впливають на характер процесів і об'єм одержуваних речовин, що має першорядне значення для масового виробництва.

Нарешті, четвертий концептуальний рівень є подальшим розвитком попереднього рівня, пов'язаним з більше глибоким вивченням природи реагентів, що беруть участь у хімічних реакціях, а також застосуванням каталізаторів, що значно прискорюють швидкість їхнього протікання. На цьому рівні ми зустрічаємося вже з найпростішими явищами самоорганізації, досліджуваними сінергетикою.


Література

1. Кун Т. Структура наукових революцій. - К., 1997

2. Кузнецов Б.Г. Эволюция картины мира. – М., 2002

3. Данеман Ф. Історія природознавства. Природничі науки в їхньому розвитку й взаємодії. - К., 1998

4. Філософія й методологія науки / Під ред. В.І. Купцова. - К., 1996

5. Бернс Л.Наука і її місце в культурі. – К., 1990.


Концепція атомізму й елементарні частки. Пізнання речовин і хімічні системи - 2020 (c).
Яндекс.Метрика