23. Идея структурности материи. Концепция атомизма в классической науке.

В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т.е. состоит из мельчайших частиц – атомов.

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за еди­ницу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свой­ства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему хими­ческих элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо е и положительно заряженной частицы. Масса е составила по расчёта 1\1836 массы положит. Частицы.

Исходя из этого английский физик Дж. Дж. Томсон в 1902 г. предложил первую модель атома – положительный заряд распределён в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него. Эта система просуществовала 15 лет, не устояв перед опытом: эта модель не объяснила почему радиоактивные вещества испускают положительно заряж. частицы.

.В 1911 г. Резерфорд предложил новую модель атома: в центре положит заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электрон (планетарная модель атома). При вращении электрона возникает центробежная сила, которая удерживает его на определённом расстоянии. Эта модель не могла объяснить происхождение спектров, при разложении света. Электрон, излучая энергию, должен, в конце концов, её потерять и упасть на ядро, но это не происходит.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор на основе модели Резерфорда, выдвинул два постулата, совершенно не совместимые с классической механикой:

1. в атоме, находящимся в стационарном положении, электроны двигаются по стационарным орбитам, не излучаясь;

2. электроны излучают энергию только при переходе с одной орбиты на другую.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находя­щиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становит­ся понятным, почему атомы химических элементов не испус­кают излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответ­ствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание ато­ма водорода, состоящего из одного протона и одного электро­на, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на много­электронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимы­ми трудностями. Точно описать структуру атома на основа­нии представления об орбитах точечных электронов принципи­ально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других — меньше.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это по­следнее усилие описать структуру атома на основе классиче­ской физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чу­жеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.

Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь час­тично. Ответы на эти вопросы были получены в результате раз­вития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макро­мире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с исследованием элементарных частиц.

В настоящее время говорится о кварковой модели атома:

Каждый атом состоит из тяжёлого ядра и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру в периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10^-13см. Электрический заряд нейтрона равен 0. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твёрдого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц