Макромир . Механическая картина мира. Представления о структуре и уровнях строения материи. Концепция о двух видах материи

Механический подход к описанию природы оказался необычно плодотворным. На основе ньютоновской механики были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и ряд других теорий. Физика как наука достигала огромных успехов в своем развитии и заняла лидирующее положение среди других наук.

Два представления о структуре материи были сформулированы примерно 2500 лет назад в античной натурфилософии: атомистическая концепция Демокрита (Демокрит, ок. 469-370 до. н.э.) и континуальная доктрина Аристотеля (Аристотель, 384-322 до н.э.). По первому представлению материя делима до определенного предела – до атомов, которые могут соединяться различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. По Демокриту мир образован двумя фундаментальными началами – атомами и пустотой, а материя обладает атомистической структурой

Данные представления о структуре материи просуществовали вплоть до начала XXв. Атомы рассматривались как плотные образования материи, как предел физического его деления. В рамках атомистической концепции строения материи была развита классическая механика Ньютона, которая доминировала в описании природы вплоть до начала XX в.

В конце XIX в. после создания Дж. Максвеллом теории электромагнетизма выяснилось, что материя предстает в виде двух форм: дискретного вещества и непрерывного поля.

Вещество и поле различаются по своей сущности:

· вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно,

· вещество обладает массой, а поле – нет,

· вещество мало проницаемо, а поле полностью проницаемо,

· скорость движения вещества v<< с (с = 300000 км/с – скорость света), скорость распространения поля равна с.

Но открытия в физике в конце XIX – начале XX века в итоге привели к созданию квантовой механики, которая фактически разрушила представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

де Бройль, показал, что не только световые волны обладают дискретной структурой, но и микрочастицам вещества присущ волновой характер (т.н. корпускулярно-волновой дуализм).

Согласно же представлениям современного естествознания на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные и иерархически организованные системы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы – галактики, системы галактик – метагалактику.

В современном естествознании выделяют три уровня строения материи.

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов от 10^-8 до 10^-15 см, а время жизни – от бесконечности до 10^-24 с.

Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в мм, см, м, км, а время в с, мин, час, год.

Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется в парсеках или световых годах, время существования объектов миллиарды лет.

 

 

Атомная физика

В конце XIX в. начале XX в. физика выходит на уровень исследования микромира. Научные открытия этого периода опровергают представления об атомах как последних и неделимых структурных элементах материи.

В 1895 г. Дж. Дж. Томсон (1856-1940) открывает электрон – отрицательно заряженную частицу, входящую в состав всех атомов (определяется масса и величина заряда электрона). Французский физик А.А. Беккерель (1852-1908) открывает явление радиоактивности (1896 г.): случайно обнаруживает при изучении люминесценции, что соли урана излучают без предварительного освещения. Радиоактивное излучение представляет собой самопроизвольное превращение неустойчивых ядер атомов в результате ядерных излучений (альфа-, бета-, гамма-лучей, открытых позднее) в другие ядра химических элементов. Французские физики Пьер и Мария Кюри, изучая явление радиоактивности, открывают новые элементы – полоний и радий.

Первые модели атома появились в 1904 г.: японский физик Хантаро Нагаока (1865-1950) представил строение атома аналогичным строению Солнечной системы – положительно заряженная часть атома – Солнце, вокруг которой по кольцеобразным орбитам движутся электроны, как планеты вокруг Солнца. В модели Дж. Томсона положительное электричество было «распределено» по сфере, в которую вкраплены электроны.

Опыты английского ученого Э. Резерфорда (1871-1937) с альфа-частицами (масса альфа частицы примерно составляет 8000 масс электрона) привели к открытию ядра в атоме (1912 г.) – положительно заряженной частицы, размером порядка 10^-14 м, в которой фактически сосредоточена вся масса атома (размер же самого атома составляет 10^-10 м). Тем самым опыты Резерфорда опровергли модель атома Томсона и подтвердили планетарную модель атома Нагаока.

Однако планетарная модель атома Резерфорда противоречила законам электродинамики Максвелла, т.к. по законам электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен был излучать электромагнитные волны, теряя энергию на излучение, электрон должен «упасть на ядро», а атом «прекратить» свое существование. Но в действительности этого не происходит, атомы устойчивы и могут существовать, не излучая электромагнитных волн.

Датский физик Н. Бор (1885-1962) устраняет возникшее противоречие, выдвижением двух знаменитых постулатов в 1913 г. (постулаты Бора), ставшие основой принципиально новых теорий микромира – квантовой механики и квантовой электродинамики. Свои постулаты он обосновывает идеей М. Планка о существовании квантов электромагнитного поля, развитой затем А. Эйнштейном.

Но теория Бора фактически была теорией для одного атома – атома водорода. К тому же Н. Бор не объяснил свои знаменитые постулаты, постулаты «сделали атом водорода устойчивым, запретив излучать электромагнитные волны в стационарном состоянии». Теория Бора не могла описывать многоэлектронные атомы, и это связано с волновыми свойствами электрона.