Создание моделей атома и его роль в развитии ядерной физики

Министерство  образования и науки

Российской  Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

Высшего профессионального образования

«Стерлитамакская  государственная педагогическая академия имени Зайнаб Биишевой» 
 
 
 
 

Кафедра философии, политологии,

социологии  и права 
 
 
 
 

Создание  моделей атома  и его роль в 

развитии  ядерной физики 
 
 
 
 
 

Реферат к кандидатскому экзамену

по  истории и философии физики

Выполнил: аспирант СГПА

Иванова Н.А. 
 
 
 
 
 
 
 

Стерлитамак - 2012 

сОДЕРЖАНИЕ 

       ВВЕДЕНИЕ 

       Менее века минуло с того момента, как человечество определилось со структурой атома. Создание планетарной модели атома и протонно-нейтронной модели ядра стали одной из важнейших вех в истории нашей цивилизации. Сегодня уже трудно назвать отрасль человеческой деятельности, в которой не использовались бы эти знания.

       Понятие об атоме как о наименьшей неделимой  части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами. В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что атом в действительности не является «неделимым».

       На международном съезде химиков в г. Карлсруэ (Германия) в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

       Атомная физика раздел физики, в котором изучают строение и состояние атомов. Атомная физика возникла в конце конце XIX — начале XX вв. В 10-х гг. ХХ в. было установлено, что атом состоит из ядра и электронов, связанных электрическими силами. На первом этапе своего развития атомная физика охватывала также вопросы, связанные со строением атомного ядра. В 30-х гг. выяснилось, что природа взаимодействий, имеющих место в атомном ядре, иная, чем во внешней оболочке атома, и в 40-х гг. ядерная физика выделилась в самостоятельную область науки. В 50-х гг. от неё отпочковалась физика элементарных частиц, или физика высоких энергий.

       УЧЕНИЕ  ОБ АТОМАХ В XVII - XIX ВВ 

       Мысль о существовании атомов как неделимых  частиц материи возникла ещё в  древности; идеи атомизма впервые были высказаны древнегреческими мыслителями Демокритом и Эпикуром. В XVII в. они были возрождены французским философом П. Гассенди и английским химиком Р. Бойлем.

       Представления об атомах, господствовавшие в XVII - XVIII вв., были малоопределёнными. Атомы считались абсолютно неделимыми и неизменными твёрдыми частицами, различные виды которых отличаются друг от друга по размеру и форме. Сочетания атомов в том или ином порядке образуют различные тела, движения атомов обусловливают все явления, происходящие в веществе. И. Ньютон, М. В. Ломоносов и некоторые другие учёные полагали, что атомы могут сцепляться в более сложные частицы - "корпускулы". Однако атомам не приписывали определённых химических и физических свойств. Атомистика ещё носила абстрактный, натурфилософский характер.

       В конце XVIII - начале XIX вв. в результате быстрого развития химии была создана основа для количественной разработки атомного учения. Английский учёный Дж. Дальтон впервые (1803) стал рассматривать атом как мельчайшую частицу химического элемента, отличающуюся от атомов других элементов своей массой. По Дальтону, основной характеристикой атома является атомная масса. Химические соединения представляют собой совокупность "составных атомов", содержащих определённые (характерные для данного сложного вещества) числа атомов каждого элемента. Все химические реакции являются лишь перегруппировками атомов в новые сложные частицы. Исходя из этих положений, Дальтон сформулировал свой закон кратных отношений. Исследования итальянских учёных А. Авогадро (1811) и, в особенности, С. Канниццаро (1858) провели чёткую грань между атомом и молекулой. В 19 в. наряду с химическими свойствами атомов были изучены их оптические свойства. Было установлено, что каждый элемент обладает характерным оптическим спектром; был открыт спектральный анализ (немецкие физики Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, 1860).

       Таким образом, атом предстал как качественно своеобразная частица вещества, характеризуемая строго определёнными физическими и химическими свойствами. Но свойства атома считались извечными и необъяснимыми. Полагали, что число видов атомов (химических элементов) случайно и что между ними не существует никакой связи. Однако постепенно выяснилось, что существуют группы элементов, обладающих одинаковыми химическими свойствами - одинаковой максимальной валентностью, и сходными законами изменения (при переходе от одной группы к другой) физических свойств - температуры плавления, сжимаемости и др. В 1869 Д. И. Менделеев открыл периодическую систему элементов. Он показал, что с увеличением атомной массы элементов их химические и физические свойства периодически повторяются.

       Периодическая система доказала существование  связи между различными видами атомов. Напрашивался вывод, что атом имеет сложное строение, изменяющееся с атомной массой. Проблема раскрытия структуры атома стала важнейшей в химии и в физике.¹ 

       ВОЗНИКНОВЕНИЕ АТОМНОЙ ФИЗИКИ 

       Важнейшими  событиями в науке, от которых  берёт начало Атомная физика, были открытия электрона и радиоактивности. При исследовании прохождения электрического тока через сильно разреженные газы были открыты лучи, испускаемые катодом разрядной трубки (катодные лучи) и обладающие свойством отклоняться в поперечном электрическом и магнитном полях. Выяснилось, что эти лучи состоят из быстро летящих отрицательно заряженных частиц, названных электронами. В 1897 английский физик Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряда е этих частиц к их массе m. Было также обнаружено, что металлы при сильном нагревании или освещении светом короткой длины волны испускают электроны. Из этого было сделано заключение, что электроны входят в состав любых атомов. Отсюда далее следовало, что нейтральные атомы должны также содержать и положительно заряженные частицы. Положительно заряженные атомы - ионы - были действительно обнаружены при исследовании электрических разрядов в разреженных газах. Представление об атоме как о системе заряженных частиц объясняло, согласно теории голландского физика Х. Лоренца, саму возможность излучения атомом света (электромагнитных волн): электромагнитное излучение возникает при колебаниях внутриатомных зарядов; это получило подтверждение при исследовании действия магнитного поля на атомные спектры. Выяснилось, что отношение заряда внутриатомных электронов к их массе е/m, найденное Лоренцом в его теории явления Зеемана, в точности равно значению е/m для свободных электронов, полученному в опытах Томсона. Теория электронов и её экспериментальное подтверждение дали бесспорное доказательство сложности атома.

       Представление о неделимости и непревращаемости атома было окончательно опровергнуто работами французских учёных М. Склодовской-Кюри и П. Кюри. В результате изучения радиоактивности было установлено (Ф. Содди), что атомы испытывают превращения двух типов. Испустив α-частицу (ион гелия с положительным зарядом 2e), атом радиоактивного химического элемента превращается в атом другого элемента, расположенного в периодической системе на 2 клетки левее, например атом полония - в атом свинца. Испустив β-частицу (электрон) с отрицательным зарядом -е, атом радиоактивного химического элемента превращается в атом элемента, расположенного на 1 клетку правее, например атом висмута - в атом полония. Масса атома, образовавшегося в результате таких превращений, оказывалась иногда отличной от атомного веса того элемента, в клетку которого он попадал. Отсюда следовало существование разновидностей атомов одного и того же химического элемента с различными массами; эти разновидности в дальнейшем получили название изотопов (т. е. занимающих одно и то же место в таблице Менделеева). Итак, представления об абсолютной тождественности всех атомов данного химического элемента оказались неверными.

       Результаты  исследования свойств электрона  и радиоактивности позволили строить конкретные модели атома. В 1904 г. появились публикации о строении атома, принадлежащие одна японскому физику Хантаро Нагаока (1865—1950), другая — английскому физику Д. Д. Томсону.

       Нагаока исходил из исследований Максвелла  об устойчивости колец Сатурна и  представил строение атома аналогичным  строению солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся «планеты»—электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны, периоды которых, по расчетам Нагаоки, того же порядка, что и частоты спектральных линий некоторых элементов.

       В модели, предложенной Томсоном в 1903, атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую вкраплены  незначительные по размеру (по сравнению  с атомом) отрицательные электроны 

       Они удерживаются в атоме благодаря  тому, что силы притяжения их распределённым положительным зарядом уравновешиваются силами их взаимного отталкивания. Томсоновская модель давала известное объяснение возможности испускания, рассеяния и поглощения света атомом. При смещении электронов из положения равновесия возникает "упругая" сила, стремящаяся восстановить равновесие; эта сила пропорциональна смещению электрона из равновесного положения и, следовательно, дипольному моменту атома. Под действием электрических сил падающей электромагнитной волны электроны в атоме колеблются с той же частотой, что и электрическая напряжённость в световой волне; колеблющиеся электроны, в свою очередь, испускают свет той же частоты. Так происходит рассеяние электромагнитных волн атомами вещества. По степени ослабления светового пучка в толще вещества можно узнать общее число рассеивающих электронов, а зная число атомов в единице объёма, можно определить число электронов в каждом атоме.

       В 1905 г. В. Вин выступал с докладом об электронах на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Мюнхене. Здесь он, в частности, указывал на трудность объяснения линейчатых спектров атомов с точки зрения электронной теории. Он говорил: «Проще всего было бы понимать каждый атом как планетную систему, которая состоит из положительно заряженного центра, вокруг которого обращаются электроны как планеты. Но такая система не может быть устойчивой вследствие излучаемой электронами энергии. Поэтому мы вынуждены обратиться к системе, в котором электроны находятся в относительном покое или обладают ничтожными скоростями, хотя такое представление содержит много сомнительного».